Cosmologie et Big Bang

Expansion de l’Univers§

Edwin Hubble (1929)

• Observation : galaxies s’éloignent
• Loi de Hubble : v = H₀ × d
  • v = vitesse récession (décalage vers rouge)
  • d = distance
  • H₀ = constante Hubble (~70 km/s/Mpc)

Interprétation

• Univers en expansion (espace lui-même s’étire)
• Extrapolation passé → origine commune : Big Bang

Modèle du Big Bang§

Chronologie

t = 0 : Singularité Initiale

• Température, densité infinies
• Physique actuelle inapplicable

Ère de Planck (0-10⁻⁴³ s)

• Gravitation quantique nécessaire
• 4 forces unifiées ?

Inflation (10⁻³⁶-10⁻³²s)

• Expansion exponentielle ultra-rapide
• Résout problèmes : horizon, platitude, monopoles magnétiques
• Fluctuations quantiques → graines structures futures

Ère Électrofaible (10⁻³²-10⁻¹² s)

• Forces forte, faible, électromagnétique séparées

Ère Hadronique (10⁻⁶-1 s)

• Quarks → hadrons (protons, neutrons)

Nucléosynthèse Primordiale (1 s - 3 min)

• T ~ 10⁹ K
• Fusion : H → He, traces D, Li, Be
• Prédictions : 75% H, 25% He (observé!)

Ère Radiative (3 min - 380 000 ans)

• Radiation domine matière
• Plasma opaque (photons diffusés électrons libres)

Recombinaison (380 000 ans)

• T ~ 3000 K
• Électrons + noyaux → atomes neutres
• Univers transparent → photons libres

Rayonnement Cosmique de Fond (CMB)

• “Lumière” recombinaison, décalée vers micro-ondes (expansion)
• Découverte : Penzias & Wilson (1965), 3 K
• Carte précise : COBE, WMAP, Planck
• Fluctuations : δT/T ~ 10⁻⁵ → graines galaxies
• Presque isotrope (uniforme), confirme principe cosmologique

Âges Sombres (380 000 - 200 M ans)

• Pas d’étoiles, neutre, opaque hydrogène (21 cm)

Premières Étoiles (Population III) (~200 M ans)

• Massives (>100 M☉), pas métaux (H, He seulement)
• Vies courtes, supernovae → enrichissement
• Aucune observée (trop loin/faible)

Réionisation (200-500 M ans)

• Premières étoiles/galaxies → radiation ionise H neutre
• Univers redevient transparent

Formation Structures (500 M ans - aujourd’hui)

• Galaxies, amas, superamas
• Premières galaxies : JWST observe jusqu’à z~13 (~300 M ans)

Âge Univers : 13,8 milliards d’années (± 0,02 Ga)

Composition Univers§

Matière Ordinaire (Baryonique) : 5%

• Étoiles, gaz, planètes, nous
• Observée directement

Matière Noire : 27%

• Preuves :
  • Courbes rotation galaxies (vitesse constante, pas képlérienne)
  • Lentilles gravitationnelles
  • CMB, formation structures
  • Amas galaxies (vitesses, gaz chaud)
• Nature : inconnue!
  • WIMPs (particules massives), axions, neutrinos stériles ?
  • Pas de détection directe malgré décennies recherche
• N’interagit pas électromagnétiquement (invisible)
• Essentielle formation galaxies (effondrement gravitationnel)

Énergie Noire : 68%

• Découverte : 1998 (Perlmutter, Schmidt, Riess), supernovae Ia
• Univers accélère expansion (inattendu!)
• Nature : inconnue!
  • Constante cosmologique Λ (Einstein) ?
  • Quintessence (champ scalaire dynamique) ?
  • Modification gravité ?
• Domine depuis ~5 Ga
• Dilue expansion mais énergie/volume constant

Destin de l’Univers§

Scénarios

Big Freeze (Mort Thermique) - Favori actuel

• Expansion éternelle accélérée
• Galaxies s’éloignent, isolement
• Formation stellaire cesse (gaz épuisé)
• Étoiles meurent → naines blanches, TN
• Évaporation TN (Hawking, 10¹⁰⁰ ans)
• Univers froid, sombre, vide
• Heat death : entropie maximale

Big Crunch

• Si densité > critique : expansion ralentit, inverse
• Recontraction totale → singularité
• Peu probable (expansion accélère)

Big Rip

• Si énergie noire augmente : expansion accélère infiniment
• Déchirement : amas → galaxies → systèmes → étoiles → atomes
• Dans ~20-200 Ga (si fantôme énergie)

Paramètre Clé : Ω (densité totale / densité critique)

• Ω = 1 : plat, expansion éternelle ralentie (limite)
• Ω > 1 : courbure positive, Big Crunch
• Ω < 1 : courbure négative, Big Freeze
• Mesure : Ω ≈ 1,00 (à 1% près, quasi plat, grâce inflation)