Cosmologie JRJC 2011 Nicolas Ponthieu Nico Ponthieu La

Cosmologie @JRJC 2011 Nicolas Ponthieu & Nico Ponthieu

La cosmo aux JRJC 2011 Nico Ponthieu 2

L’Univers à grande échelle • Soleil – Terre : 150 106 km = 5. 5 106 CERN = 5 μpc • Voie Lactée : R ~ 15 kpc • Amas de la Vierge ~ 1. 5 Mpc… ~e. V ~me. V Nico Ponthieu 3

JRJC 2011 • Cosmologie Nico Ponthieu • Nucléaire et particules 4

JRJC 2011 • Cosmologie • Nucléaire et particules - Grandes échelles Nico Ponthieu 5

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles Nico Ponthieu • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques 6

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles - On va dans les cieux Nico Ponthieu • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques 7

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles - On va dans les cieux Nico Ponthieu • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques - Vous allez sous-terre 8

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles - On va dans les cieux - Ou à Hawai… Nico Ponthieu • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques - Vous allez sous-terre 9

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles - On va dans les cieux - Ou à Hawai Nico Ponthieu • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques - Vous allez sous-terre - Genève 10

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles On va dans les cieux Ou à Hawai Nos photons sont tout mous Nico Ponthieu • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques - Vous allez sous-terre - Genève - Bon ok… 11

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles On va dans les cieux Ou à Hawai Nos photons sont tout mous - Nos gamins n’ont pas les mêmes centres d’intérêt Nico Ponthieu • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques - Vous allez sous-terre - Genève - Bon ok… 12

JRJC 2011 • Cosmologie - Grandes échelles On regarde le ciel Hawai Nos photons sont tout mous - Nos gamins n’ont pas les mêmes centres d’intérêt • Nucléaire et particules - Echelles microscopiques - Vous allez sous-terre - Genève - Bon ok… Courtesy Pauline ; -) Nico Ponthieu 13

JRJC 2011 Mais qu’est ce qu’on f… ici ? ! Nico Ponthieu 14

Le Big-Bang • La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion • Einstein le préfère statique… Nico Ponthieu

Le Big-Bang • La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion • Einstein le préfère statique… • Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion - L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui § Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable” Nico Ponthieu

Le Big-Bang • La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion • Einstein le préfère statique… • Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion - L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui § Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable” § Hoyle nomme ironiquement le modèle de Lemaître “Big Bang” (plus tard) Nico Ponthieu

Le Big-Bang • La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion • Einstein le préfère statique… • Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion - L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui § Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable” § Hoyle nomme ironiquement le modèle de Lemaître “Big Bang” • Hubble 1929 observe l’expansion - Einstein au sujet de Λ : “ma plus grosse boulette” Edwin Hubble Nico Ponthieu 18

Le Big-Bang • La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion • Einstein le préfère statique… • Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion - L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui § Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable” § Hoyle nomme ironiquement le modèle de Lemaître “Big Bang” • Hubble 1929 observe l’expansion - Einstein au sujet de Λ : “ma plus grosse boulette” • L’Univers était donc plus dense et plus chaud dans le passé. . Et était donc le siège de phénomènes à plus haute énergie ! Nico Ponthieu 19

Le Big-Bang • Physique des hautes énergies 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - Brisures de symétries des interactions 10 -10 s 100 Transition E-F - Gel des distributions des éléments si le taux d’interaction n’est pas assez s 4 élevé par rapport à l’expansion 10 ans Nucléosynthèse Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation - Les particules quittent l’équilibre thermique 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 20

Le Big-Bang 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? • Nucléosynthèse primordiale (de 3 à 20 mn) 10 -32 s GUT 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 2 H - p+n - puis 3 H, 3 He, 4 He… Li, 8 Be - Abondances relatives figées (sauf désintégrations des plus lourds) 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 21

Le Big-Bang • Le Fond Diffus (400 000 ans) 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - a. k. a. FDC, CMB, 3 K, ray. Fossile… 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 22

Le Big-Bang • Le Fond Diffus Cosmologique 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - a. k. a. FDC, CMB, 3 K, ray. Fossile… - Photons trop faibles pour ioniser H - L’Univers devient transparent 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 23

Le Big-Bang • Le Fond Diffus (400 000 ans) 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement a. k. a. FDC, CMB, 3 K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion - Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 24

Le Big-Bang • Le Fond Diffus (400 000 ans) 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans a. k. a. FDC, CMB, 3 K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion - Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann - Détecté en 1965 par Penzias et Wilson Penzias & Wilson Peebles Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 25

Le Corps Noir Cosmologique • Le plot qui tue : FIRAS (Far Infra Red Absolute Spectrophotometer) Nico Ponthieu 26

Le Corps Noir Cosmologique • Le plot qui tue : FIRAS Nico Ponthieu 27

Le Corps Noir Cosmologique • Le plot qui tue : FIRAS • “FIRAS”, moins sexy que PAMELA Nico Ponthieu 28

Le Corps Noir Cosmologique • Le plot qui tue : FIRAS • “FIRAS”, moins sexy que PAMELA • Quoi que… ? Nico Ponthieu 29

Le Big-Bang • Le Fond Diffus (400 000 ans) 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu a. k. a. FDC, CMB, 3 K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion - Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann - Détecté en 1965 par Penzias et Wilson 1992 -1996 13. 7 109 ans 30

Le Big-Bang • Le Fond Diffus (400 000 ans) 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu a. k. a. FDC, CMB, 3 K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion - Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann - Détecté en 1965 par Penzias et Wilson 1992 -1996 13. 7 109 ans 31

Le Big-Bang • Le Fond Diffus (400 000 ans) 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - Anisotropies 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 32

Le Big-Bang • Réionisation 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? - Allumage des premières étoiles - Ionisation du gaz 10 -32 s GUT § Effet Gunn-Peterson § Rediffusion des photons CMB 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 33

Le Big-Bang • Formation des structures 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT - Les surdensités croissent peu à peu par la gravitation et forment galaxies et amas 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu SDSS 13. 7 109 ans 34

Le Big-Bang 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT 10 -10 s 100 Transition E-F Nucléosynthèse s 4 10 ans Egalité Matière. Rayonnement 105 ans Recombinaiso n Comment décrire et contraindre ce modèle ? Réionisation Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans 35

Relativité Générale (1 slide, sic !) • A grande échelle, seule la gravitation intervient k=1 Géométrie Contenu matièreénergie k=0 • Isotropie et homogénéité - Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker k = -1, 0, 1 Nico Ponthieu k = -1 36

Les paramètres cosmologiques • Evolution du facteur d’échelle • La constante cosmologique accélère l’expansion • Normalise la première à la densité critique 3 H 2/8πG • Les Ωi interviennent également dans chaque processus… • Ωm=0. 3 (Ωb=0. 04), ΩΛ=0. 7, Ωk=0 - 95% du contenu de l’Univers échappe à notre compréhension Nico Ponthieu 37

Au delà du Modèle Standard • Distance causale sur le ciel CMB : 1 deg, mais d. T/T = 10 -4 t~0 • Ωk = 0 ± 2% aujourd’hui suppose CMB A B • Génération des structures dans un Univers homogène et isotrope • Monopoles magnétiques et autre reliques Observer Nico Ponthieu 38

Au delà du Modèle Standard ? ? s ? ? Gev 1016 15 Ge. V 10 Ge. V 300 Ge. V 0. 1 Me. V 1 0. 1 e. V Z=20 ? 10 -32 s GUT 10 -10 s 100 Transition E-F • Expansion exponentielle • Champ scalaire (ou plusieurs) qui descend lentement son potentiel et se désintègre - Plus de problème d’horizon - La platitude est prédite s 4 10 ans - Les perturbations naissent des fluctuations quantiques du champ inflaton 105 t~0 ans - Monopoles et autres reliques exponentiellement diluées CMB A B 108 ans Nucléosynthèse Egalité Matière. Rayonnement Recombinaiso n Réionisation Galaxies et grandes structures 0. 2 me. V Nico Ponthieu 13. 7 109 ans Observateur 39

Au delà du Modèle Standard • Hypothèse très forte mais sans vraie rivale à l’heure actuelle et qui fait des prédictions vérifiées non triviales : pics acoustiques - La polarisation du CMB peut-être un jour… Chiang et al, 2010 Nico Ponthieu 40

Les talks • Flora - Modèles d’explosion de Super Novae de type Ia • Mickaël - Etude des galaxies hôtes des SNIa • Lilian - Réionisation et traitement des données de Planck • Guillaume - Séparation de composantes et effet Sunyaev-Zeldovitch Nico Ponthieu 41

Le modèle de concordance Kowalksi et al, 2008 Baryons 4% Dark Energy: Dark Matter 22% 74% Mickaël et Flora Lilian et Guillaume Nico Ponthieu 42