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Jean-Marc Virey

Cours de Cosmologie

Le BigBang

"classique»

Niveau L2 L3

Centre de Physique Théorique

LabexOCEVU

I La Physique Fondamentale moderne :

(les 4 interactions fondamentales et les 3 infinis, principe de la démarche scientifique)

II Cadre Cosmologique :

Le Modèle Standard de "BigBang Chaud»

(expansion, nucléosynthèse, CMB, oscillations baryoniques, formation des structures, sondes cosmiques)

III Cadre Mathématique : Les équations

(équations de Friedman et

I La Physique Fondamentale moderne:

GrandComplexe

Petit

Interaction Nucléaires

(Fortes et faibles)

Electromagnétisme

Relativité restreinte

(Einstein 1905)

Mécanique Quantique

(Heisenberg 1927)

Relativité Générale

(Einstein 1917)

Et toutes les autres

sciences ...

Gravité Quantique ?

Cosmologie

4 Forces Fondamentales

Particules de base : e-,p,n

But de la physique:

-Décrire/Modéliser/Expliquer les phénomènes naturels nombre limitéd'hypothèses simples(simplification de la complexité)

Démarche scientifique:

Instruments :

ÎObservations

ÎExpériences

ÎHypothèses et Approximations

ÎLois et Modélisation

ÎThéories (& Principes)

ÎPrédictions

ÎEsprit critique : Limites/Doutes/Remise en question

EXPERIENCES THEORIES

MODELISATION

"La chose la plus incompréhensibledu monde estque le monde soit compréhensible» Albert Einstein

II Cadre Cosmologique :

Le Modèle Standard

dit de "BigBang Chaud» ÎLe Principe Cosmologique : pas de centre absolu ÎLe Principe de Relativité : invariance des lois ÎUne Théorie de la Gravitation : la Relativité Générale

ÎLa Physique (microscopique et macroscopique)

COSMOLOGIE (global)

PHYSIQUE (local)

Repose sur 4 piliers observationels:

ÎLe rayonnement cosmologique fossile ( TCMB= 3 °K) ÎLes oscillations baryoniques (anisotropies CMB, formation des structures)

COPERNIC

1473-1543

EINSTEIN

1879-1955

GALILEE

1564-1642

OBSERVATION DE LA FUITE

DES GALAXIES :

LA LOI DE HUBBLE

EXPANSION DE

rHV0

Log Distance

H0 = 72 ±6

km/s/Mpc

Pause détente :

Ordres de grandeur par analyse dimensionnelle

Calculons :

¾tU

¾la densité moyenne (critique) : ȡU

¾RU

¾MU

¾Ng/U

Nucléosynthèse Primordiale

Cadre : expansion +

physique nucléaire

Prédictions :

ÎAbondance éltslégers :

H(80%), 4He(20%), D(10-4),

3He(10-5), 7Li(10-9)

Îrapport photon/baryon :

Îpeu de baryons :

1010/::b1/::Tb%54#:b

Supernovae

T=2.7K

Spectre :

Anisotropies :

4 2 15TU

Fluct. Primordiales

Géométrie

Physique

T=20K

Les ondes acoustiques (baryoniques) primordiales

3/ccs Etape 1 : condition initiale : une (des) perturbation(s) de densité

Etape 2 : propagation avant découplage

Etape 3 : propagation avant découplage dure 4 105ans !

Mpclla

al

ALtctcl

decdec dec andecsdec 10010

1031043/

30
0 5 1 5

Mpcl1500

(Horizon sonore) Etape 4 : Découplage ! ! Le CMB est né !! * Découplage : les baryons capturent les e : phase neutre * Les baryons (atomes) ont une pression nulle => déplacement s'arrête Etape 5 : Propagation libre des photons + croissance perturbation densité * Les photons diffusent dans le milieu : homogénéisation * Les baryons forment un pic de densité à "150 Mpc» de la densité initiale de matière noire

Le pic de DM initial attire les baryons

Le pic de baryons attire de la DM

Configuration finale : pic initial + écho à 150 Mpc Formation des galaxies : phénomène local (<10 Mpc) => les évolutions ultérieures des deux pics sont découplées Mb:/

La formation des structures : Observations

Grande

échelle

"Petite» échelle

Situations actuelles

Conditions initiales

La formation des structures : Simulations

recombinaison nucléosynthèse

Formation structures

Gravité quantique ?

inflation ? BAO

DarkEnergy:65%

Energy budget of Universe

DOMINE LA

DYNAMIQUE !LA MATIERE

NOIRE DOMINE

LA MATIERE !

Matière Noire : Observations

ÖGalaxies :

ÖAmas de Galaxies :

ÖStructure à grande échelle :

¾rotation des étoiles (Rubin 1970)

¾forme des galaxies spirales (débat)

(Peebles Ostriker1970)

¾dynamique des galaxies (Zwicky 1931)

¾effet de lentille gravitationnelle

¾formation des structures (Peebles 1980)

¾sondes cosmiques (CMB, BAO, SNIa)

Matière Noire : Interprétations

ÖMatière ordinaire : MACHO (Massive Compact Halo Objects)

ÖNouvelle forme de Matière : WIMPs

(WeaklyInteractive Massive Particles)

Toujours aucune détection

ÖNouvelle théorie : ex. MOND (MOdifiedNewtonianDynamics)

0= 1,2 10-10m/s2

Energie Noire : Observations

Conclusion :

La dynamique de la matière est dominée par une force répulsive :

Energie Noire : Interprétations

ÖLa constante cosmologique

ÖUne nouvelle force : La Quintessence (F ~ r) ÖLa Gravitation est modifiée à grande échelle ÖLa relativité générale ne fonctionne plus Notre interprétation est fausse / nos équations ne fonctionnent plus :

III Cadre Mathématique :

Les Equations

Théorie

Etape 1: Description du Fond/Expansion dynamique (depuis 1920) Expansion + Homogénéité/Isotropie + Relativité Générale Cinématique Dynamique Etape 2: Description des inhomogénéités/Dyn. Perturbations (depuis 1970-85)

Observations :"3» types de tests

ÎTests "Géométriques» : mesures de

ÎTests "Dynamiques» : mesures croissance perturbations de densités ÎTests "Statistiques» : distributions statistiques des observations

Equations à la base de la cosmologie :

2 22
3

8)/()(a

kGaazHT S

Friedmann 1

XRMi iT ,,UGzHzcU8/)(3)(2)(/)()(zzzciiU :1::kTXRMT:: :22/Hakk :

Friedmann 2

)3(3

4/TTPGaa

xS XX T T

TwwaHazq: :

x 2 3

2)31(2/)(2

PT~ PX

żTażMĄżX

z Xzdzw

XkRMezzzzHzHzE0)'1ln()'(3302040302

0

2)1()1()1()1()/)(()(

wi=PiCżi z izdzw iiezz0)'1ln()'(330)1()(U

Conservation énergie :

0)1(3 iiiwHUz = v/c (classique)

Le redshift

1+z=a 0

CM NJ

0 CNJ

Expansion

de fondquotesdbs_dbs33.pdfusesText_39

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