Big Bang : Théorie cosmologique décrivant l'origine et l'évolution de l'Univers à partir d'un état initial extrêmement dense et chaud.
L'Univers a commencé il y a ~13,8 milliards d'années à partir d'un état singulier
L'Univers est en expansion continue depuis cet événement initial
- Expansion de l'Univers (décalage vers le rouge)
- Fond diffus cosmologique
- Abondance des éléments légers
Évolution thermique et chimique progressive de l'Univers
Le modèle du Big Bang décrit l'expansion de l'Univers depuis un état initial chaud et dense
• Origine : ~13,8 milliards d'années
• Expansion : Continuelle depuis le début
• Preuves : Expansion, rayonnement fossile, abondance élémentaire
Expansion cosmique : Augmentation de la distance entre les galaxies au cours du temps.
Les galaxies s'éloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à leur distance
v = H₀ × d où v est la vitesse d'éloignement, d la distance, H₀ la constante de Hubble
L'espace lui-même s'étend, ce n'est pas un mouvement dans l'espace
- L'Univers était plus dense et plus chaud dans le passé
- Les galaxies les plus éloignées s'éloignent plus rapidement
L'expansion cosmique est l'augmentation de la distance entre les galaxies au cours du temps
• Loi de Hubble : v = H₀ × d
• Constante de Hubble : ~70 km/s/Mpc
• Expansion de l'espace : Pas un mouvement dans l'espace
Nucléosynthèse primordiale : Formation des premiers noyaux atomiques légers dans les 3 premières minutes après le Big Bang.
Température ~1 milliard K, densité très élevée
0-3 minutes : fusion de protons et neutrons pour former H-2, He-3, He-4, Li-7
~75% Hydrogène, ~25% Hélium, traces de lithium
Abondances observées dans les étoiles anciennes et le gaz intergalactique
La nucléosynthèse primordiale a produit les premiers noyaux légers dans les 3 premières minutes
• Durée : 0-3 minutes après le Big Bang
• Produits : H-1 (75%), He-4 (25%), traces de Li-7
• Preuve : Accord entre prédictions et observations
Fond diffus cosmologique : Rayonnement électromagnétique uniforme provenant de toutes les directions, vestige du Big Bang.
1965 par Penzias et Wilson, prix Nobel en 1978
Température : 2,725 K, spectre de corps noir presque parfait
Photons émis lors de la recombinaison (~380 000 ans après le Big Bang)
Preuve directe du modèle du Big Bang, informations sur la structure de l'Univers
Le fond diffus cosmologique est le rayonnement fossile du Big Bang, à 2,7 K
• Température : 2,725 K
• Origine : Recombinaison à ~380 000 ans
• Importance : Preuve fondamentale du Big Bang
Loi de Hubble : Relation linéaire entre la vitesse d'éloignement d'une galaxie et sa distance.
v = H₀ × d
où v = vitesse radiale, d = distance, H₀ = constante de Hubble
H₀ ≈ 70 km/s/Mpc (70 km/s pour chaque mégaparsec)
Si une galaxie s'éloigne à 21 000 km/s : d = v/H₀ = 21 000/70 = 300 Mpc
Plus une galaxie est lointaine, plus elle s'éloigne rapidement
La loi de Hubble relie vitesse d'éloignement et distance : v = H₀ × d
• Relation linéaire : v = H₀ × d
• Constante de Hubble : ~70 km/s/Mpc
• Unités : km/s pour vitesse, Mpc pour distance
Chronologie cosmique : Succession des événements majeurs dans l'histoire de l'Univers.
t = 0, singularité initiale, température infinie
Expansion exponentielle rapide, uniformisation de l'Univers
Formation des noyaux légers (H, He)
Formation des premiers atomes, libération du rayonnement fossile
Étoiles, galaxies, amas de galaxies
Univers en expansion accélérée
L'Univers a évolué à travers plusieurs phases distinctes depuis le Big Bang
• Chronologie : Big Bang → Inflation → Nucléosynthèse → Recombinaison → Structures
• Temps caractéristiques : Minutes, milliers, millions, milliards d'années
• Événements clés : Formation de la matière, rayonnement fossile, structures
Densité critique : Densité de matière-énergie nécessaire pour un Univers plat (Ω = 1).
ρc = 3H₀²/(8πG)
Où H₀ est la constante de Hubble et G la constante gravitationnelle
H₀ = 70 × 1000 / (3,09 × 10²²) = 2,26 × 10⁻¹⁸ s⁻¹
ρc = 3 × (2,26 × 10⁻¹⁸)² / (8π × 6,67 × 10⁻¹¹)
ρc = 9,16 × 10⁻²⁷ kg/m³
Ω = ρ/ρc où ρ est la densité réelle de l'Univers
Ω < 1 : Univers ouvert, expansion éternelle
Ω = 1 : Univers plat, expansion asymptotique
Ω > 1 : Univers fermé, expansion suivie de contraction
La densité critique est de ~9,16 × 10⁻²⁷ kg/m³, correspondant à Ω = 1
• Densité critique : ρc = 3H₀²/(8πG)
• Valeur : ~9,16 × 10⁻²⁷ kg/m³
• Paramètre Ω : Détermine la géométrie de l'Univers
Formation des structures : Processus de concentration de la matière pour former galaxies, étoiles et planètes.
Petites variations de densité dans le plasma primordial
Les régions plus denses attirent davantage de matière
La matière noire s'agrège en premier, formant des "échafaudages"
Le gaz baryonique tombe dans les puits gravitationnels
Compression du gaz dans les galaxies → étoiles → systèmes planétaires
La formation des structures suit un processus hiérarchique de concentration de la matière
• Processus : Fluctuations → Effondrement gravitationnel → Agglomération
• Rôle de la matière noire : Forme les échafaudages gravitationnels
• Hierarchie : Galaxies → Groupes → Amas → Superamas
Âge de l'Univers : Temps écoulé depuis le Big Bang, estimé à ~13,8 milliards d'années.
t₀ ≈ 1/H₀ pour un Univers en expansion simple
t₀ ≈ 1/(70 km/s/Mpc) ≈ 14 milliards d'années
Prise en compte de la matière, de l'énergie noire, de la courbure
- Étoiles les plus anciennes (~13,5 milliards d'années)
- Fond diffus cosmologique (mesure précise)
Âge de l'Univers = 13,787 ± 0,020 milliards d'années (Planck 2018)
L'âge de l'Univers est de 13,787 milliards d'années avec une incertitude de ±0,020
• Estimation simple : t₀ ≈ 1/H₀
• Valeur précise : 13,787 ± 0,020 Ga
• Méthodes : Constante de Hubble, étoiles anciennes, CMB
Modèle ΛCDM : Modèle cosmologique standard incluant la constante cosmologique (Λ) et la matière noire froide (CDM).
- Énergie noire (Λ) : ~68% de l'Univers
- Matière noire froide (CDM) : ~27%
- Matière baryonique (visible) : ~5%
Équations de Friedmann issues de la relativité générale
(ȧ/a)² = (8πG/3)ρ - kc²/a² + Λc²/3
- Expansion accélérée de l'Univers
- Formation des structures à grande échelle
- Propriétés du fond diffus cosmologique
- Supernovae de type Ia (accélération)
- Anisotropies du CMB
- Distribution des galaxies
Le modèle ΛCDM décrit un Univers dominé par l'énergie noire et la matière noire
• Composition : 68% énergie noire, 27% matière noire, 5% matière visible
• Base théorique : Relativité générale + constante cosmologique
• Validité : Excellent accord avec les observations
