Mise à jour 22 Mai 2017
CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
«RELATIVITÉ ET COSMOLOGIE :
D’EINSTEIN À AUJOURD’HUI»
Par Jean-Philippe UZAN
Directeur de recherche au CNRS. Spécialiste de gravitation & cosmologie Astrophysicien IAP, Dr adjoint Institut H. Poincaré
À l’AgroParisTech 16 rue C Bernard Paris 5.
Le Mercredi 10 Mai 2017 à 19H00 Amphi Tisserand
Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos et des animations.
Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :
Uzan-2017_05_SAF.pdf, qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2016-2017. .
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet
On la trouve à cette adresse https://www.youtube.com/watch?v=DnlHaI5cnoc&list=PL1ZHG2CIuv2fncAxOS6GtZho6vYr2cZYL
Jean-Philippe Uzan, nous fait le grand plaisir de venir nous présenter l’évolution de la notion de cosmologie depuis Einstein jusqu’à aujourd’hui.
Il est Directeur de recherche au CNRS, astrophysicien à l’IAP et depuis 2013 Directeur adjoint de l’Institut Poincaré.
Il nous fait d’abord remarquer la différence entre cosmologie (petit c) et Cosmologie (grand C).
La cosmologie est considérée comme une branche de l’astrophysique alors que la Cosmologie est une notion plus métaphysique et plus globale de l’Univers.
Il faut construire un modèle d’Univers qui prend toujours en considération le point de vue de l’observateur.
Mais il y a des contraintes, en effet :
· Il n’y a qu’un univers observable, celui dans lequel on est
· Quelle est l’histoire la plus probable
· Expliquer tous les faits
· Quantifier le domaine de validité du modèle
Le cosmos des Grecs.
Ce sont donc les Grecs qui ont inventé la notion de cosmos, et pour eux le monde était simple, comme on le voit sur cette image.
L’Univers était représenté par une sphère qui avait la Terre en son milieu. Celle-ci était un disque entouré d’océans. Sous la Terre se trouvait l’empire des morts l’Hadès ou le Tartare. Au dessus de la Terre se trouvait le Soleil et l’Olympe, domaine des Dieux.
Le centre du monde était la ville de Delphes !
Notons qu’il fallait précisément 9 jours à une pierre pour tomber de l’Olympe sur Terre et 9 jours à la même pierre pour atteindre le Tartare !
La cosmologie demande de décrire la matière, c’est la chose la plus difficile.
La cosmologie comprend 4 étapes principales qui se superposent :
PÉRIODE 1 : LA COSMOLOGIE RELATIVISTE.
C’est en 1917 qu’Einstein publie l’acte fondateur de la cosmologie moderne, la Relativité Générale.
L’espace-temps est décrit par une formule « relativement » simple :
C’est une équation très difficile à résoudre : 10 équations aux dérivés partielles non linéaires ! Il faudra connaître la distribution de matière dans l’Univers, ainsi que les conditions aux limites.
Bref, il faudra donc faire des hypothèses simplificatrices, si on veut la résoudre.
Einstein va faire plusieurs suppositions :
· L’espace est fini
· L’Univers est statique
· La matière est distribuée de façon
homogène
Il n’y arrive pas, car ces conditions semblent trop contraignantes, alors il a l’idée de rajouter un terme à son équation, la fameuse constante cosmologique :
Friedmann participe à cette aventure et prouve l’existence solutions dynamiques à l’équation d’Einstein.
Mais la révolution vient de l’Abbé Lemaître, qui en 1927 prédit à partir de cette équation, l’expansion de l’Univers (avant Hubble !) qui va mener à l’hypothèse de « l’atome primitif », prémisse de ce qui s’appellera plus tard le Big Bang.
L’Univers obéirait au principe cosmologique :
· Homogène et isotrope.
· Il est en expansion
· On est capable de déterminer son contenu
L’expansion de l’Univers « étire » le tissu de l’Univers même.
Les photons subissent un décalage vers le rouge (redshift) analogue à l’effet Doppler bien connu.
Leur longueur d’onde devient plus grande (moins d’énergie) comme on le voit sur le dessin ci-contre. La lumière « change » de couleur, elle va plus vers le rouge puis ensuite vers les micro ondes etc..
|
|
|
|
Les relevés de Hubble à son époque (1929), concernant les galaxies. Avec les différentes lignes spectrales et la taille apparente |
Loi de « Hubble » aujourd’hui avec les relevés de différentes sources. En vertical proportionnel à la vitesse, en horiz. prop. à la distance |
PÉRIODE 2 : LE BIG BANG CHAUD.
C’est dans les années 1940 que George Gamov, un émigré Russe, va faire évoluer la cosmologie de façon importante.
Il comprend qu’au cours de l’expansion, l’Univers qui était très chaud au départ, se refroidit et qu’il peut en fait être décrit par la thermodynamique. En conséquence :
· Des symétries peuvent être brisées spontanément
· Des interactions peuvent se geler
· De nouvelles particules peuvent apparaitre.
Et surtout avec son étudiant G Alpher, il définit l’origine des éléments par synthèses successives, et notamment l’origine des éléments légers lors de la nucléosynthèse primordiale.
Quand la température baisse, les éléments légers peuvent se former.
L’abondance des éléments légers (D , He3 et Li7) prédite par la nucléosynthèse primordiale est représentée sur ce graphique par rapport à l’Hydrogène.
Ainsi que la fraction de masse d’He4 (en haut) en tant que fonction du rapport baryon/photon (le facteur éta : η qui vaut approximativement 1010 ).
Ces prédictions correspondent aux mesures effectuées par WMAP (lignes verticales en pointillées noires) et Planck (en jaune trait plein).
Les zones horizontales (en vert) sont les extrapolations des observations actuelles de ces noyaux.
On voit qu’il y a bien accord sauf pour le Li7 ! Et on ne sait pas bien pourquoi. Différentes possibilités :
· Mauvaises mesures
· Une physique au-delà du modèle standard
· Variation locale
En 1948, Gamov, toujours lui, prédit, l’existence d’un rayonnement fossile témoin des premiers instants de l’Univers ainsi que de sa température. Ils seront découverts dans les années 1960.
Cela donnera naissance au fond cosmologique (CMB en anglais).
PÉRIODE 3 : LES GRANDES STRUCTURES.
Différentes études (surveys en anglais) nous permettent d’accéder à la structure de l’Univers à grande échelle, notamment le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ou 2dF comme ci-contre.
L’Univers a une structure filamentaire : il existe des vides et des filaments de matière.
Ce sont les minimes variations de densité (et de température, les anisotropies) que l’on voit dans le bruit de fond cosmologique que vont servir de graines à ces grandes structures. Celles qui sont plus chaudes vont devenir plus denses et augmenter de masse, pour donner ces structures.
Il y a 16 ordres de grandeur pour les différentes tailles d’étoiles ! On le voit sur le diagramme ci-dessous.
Les simulations numériques nous aident à appréhender la formation de ces grandes structures.
On va comparer en permanence les résultats de ces simulations aux observations dans le ciel.
À partir des années 1970, on se pose la question de l’origine de ces grandes structures, il apparait que la matière ordinaire seule ne peut pas expliquer la croissance de tels amas. D’où la notion de matière noire qui refait surface.
Néanmoins, l’introduction de la matière noire et la découverte de cette nouvelle « force », l’énergie noire (est-ce la constante cosmologique ?) qui joue le rôle d’antigravité implique une composition de l’Univers en masse/énergie où nous, les êtres baryoniques ne représentons pas plus de 5%.
Frustrant n’est-ce pas ?
Mais est-ce un bon modèle ?
PÉRIODE 4 : LA COSMOLOGIE PRIMORDIALE.
Il existe différents modèles d’inflation qui peuvent jouer sur l’origine et l’évolution de l’Univers.
Histoire de l’Univers : les observations permettent de décrire celui-ci de 10-3 s à 13,8ans.
On remarquera deux périodes fondamentales qui partagent cet Univers : une ère du rayonnement où les pressions de radiation jouent un rôle important et une ère de la matière dans laquelle ces grandes structures se forment.
Ces deux ères sont séparées par la période dite de « recombinaison » qui peut être observée au travers des anisotropies du CMB.
JP Uzan nous présente ensuite cette slide que je dois avouer, je ne comprends pas bien, donc je fais appel à supporter, si quelqu’un peut me donner une explication claire, je suis preneur !
QUESTIONS D’AUJOURD’HUI.
De nombreux points restent en suspens comme :
· Le problème du Lithium
· Matière noire et énergie noire ???
· La Relativité Générale est-elle toujours valide ?
· Le principe cosmologique est-il toujours valide ?
· Explication de la phase d’inflation ?
· Gravitation quantique ??
· Les ondes gravitationnelles (il semble qu’au moins sur ce point on ait avancé)
POUR ALLER PLUS LOIN :
The big-bang theory: construction, evolution and status par JP Uzan
Le modèle du big-bang un siècle de développement vidéo de la conférence du colloque de cosmologie
The big-bang theory: construction, evolution and status par JP Uzan
Compte rendu du colloque de cosmologie de l’Institut du 11 Octobre 2016.
Abundances of the light element of the Big Bang Nucleosynthesis
Edwin Hubble & the Expanding Universe
L'origine des éléments légers dans l'univers, CR de la conférence de G Hébrard à la SAF.
Le scénario du Big Bang par le LISA.
La cosmologie un cours, par l’APC
Classical Nova Explosions are Major Lithium Factories in the Universe
Le Big Bang face aux observations de JP Uzan
Prochaine conférence mensuelle de la SAF : Mercredi 14 JUIN 2017 19H00 AgroParisTech Amphi Tisserand
LA FUSION NUCLÉAIRE TIENDRA-T-ELLE SES PROMESSES ?.
Par Jean Marc Ané
Chargé de mission "Études réacteurs fusion" Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique
Entrée libre mais réservation obligatoire. À partir du 11 Mai 2017 (il reste quelques
places à ce jour)
Bon ciel à tous
Jean Pierre Martin Président de la commission de cosmologie de la SAF
Abonnez-vous gratuitement aux astronews du site en envoyant votre nom et e-mail.
