Cours 2018-2019

Cosmologie [SPHYM232]

  • 3 crédits
  • 30h
  • 1er quadrimestre
Langue d'enseignement: Français

Objectifs

Le cours a pour but de donner aux futurs physiciens une connaissance de base de la physique moderne de l'univers à grande échelle, ainsi que des questions qui font l'actualité de la cosmologie. Multi-physique, multi-échelle, dynamique, le cosmos  est un vaste système complexe dont la compréhension fait appel à plusieurs disciplines: astrophysique, physique théorique, physique des particules, thermodynamique, physique statistique. Le cours permet donc d'illustrer aussi "l'employabilité" de nombreux concepts et outils de la physique contemporaine, qu'ils viennent de la physique des milieux continus, de la mécanique quantique, de la relativité, etc. Le cours ambitionne aussi de permettre aux futurs physiciens de mieux comprendre les enjeux et les questions de cette discipline qui fait très (trop?) souvent les gros titres.

Contenu

Bases de la cosmologie contemporaine (physique extragalactique, expansion cosmologique, "modèle du Big Bang chaud" et arguments observationnels en faveur de celui-ci).

Développement du modèle de concordance Lambda CDM (nécessité d'étendre le scénario Big Bang chaud: inflation, matière noire et énergie sombre).

Synthèse : histoire thermique de l'Univers selon le modèle de concordance

Table des matières

1) l'univers à grande échelle

- paradoxe d'Olbers, structures galactiques, extra-galactiques et observables

- Modèles cosmologiques homogènes: principes cosmologiques, univers statiques versus univers en évolution

- Le "Big Bang chaud" dans les modèles de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW)

2) Observables en faveur de l'expansion cosmologique

- récession des galaxies, relation distance-luminosité et diagramme de Hubble dans les modèles FLRW

- Rayonnement de fonds diffus cosmologique : évolution de la température en fonction du redshift, recombinaison dans le plasma primordial, anisotropies et oscillations acoustiques, test de la taille angulaire du premier pic acoustique (prix Nobel de physique 1978 et 2006)

- nucléosynthèse primordiale: abondance astrophysique des éléments légers, solution par la physique nucléaire et thermodynamique dans le plasma primordial en expansion, prédictions observationnelles: nombre de neutrinos et rapport baryons/photons dans le rayonnement fossile

3) Du Big Bang chaud au modèle de concordance Lambda CDM

- Problèmes de la platitude, de l'horizon et de l'homogénéité: scénario de l'inflation cosmologique et statut des tests observationnels

- Matière(s) noire(s): dynamique galactique, astrophysique extragalactique et rayonnement fossile, comparaison Cold Dark Matter, Hot Dark Matter & Warm Dark Matter, candidats potentiels et traque de la matière noire

- Energie sombre: accélération de l'expansion cosmologique (Prix Nobel de physique 2011), les problèmes de la constante cosmologique, modèles alternatifs et tests cosmologiques

4) synthèse: histoire thermique de l'Univers selon le modèle de concordance

- problèmes de la singularité initiale du Big Bang: statut en relativité générale, position du problème en gravitation quantique, arguments dimensionnels de l'ère de Planck

- grande unification des forces, inflation cosmologique et baryo-lepto-génèse, reliques cosmologiques et candidats matière noire

- découplages particules-antiparticules et problème de l'asymétrie matière-antimatière

- nucléosynthèse primordiale et découplage matière-radiation

- âge sombre, formation des premières étoiles (réionisation) et formation des galaxies

- ère de l'énergie sombre et destins possibles de l'univers (Big Chill ou mort thermodynamique, Big Rip, etc.)


Méthodes d'enseignement

L'accent sera mis sur le fonctionnement des mécanismes, l'interprétation physique et l'analyse critique des modèles. Les aspects techniques et formels seront réduits au maximum afin de laisser la part belle à la compréhension physique des modèles et des observations.

Mode d'évaluation

Il sera demandé de réaliser un travail personnel d'approfondissement sur une des questions abordées au cours, thème au libre choix de l'étudiant suivant ses intérêts et compétences, en consultation avec l'enseignant, en particulier concernant les sources bibliographiques

Sources, références et supports éventuels

- J.-P. Uzan & P. Peter, "Cosmologie primordiale", Bélin 2012.

- S. Serjeant, "Observational Cosmology", Cambridge UP 2010

- S. Dodelson, "Modern Cosmology", Elsevier 2003.

Langue d'enseignement

Français

Lieu de l'activité

NAMUR

Faculté organisatrice

Faculté des sciences
Rue de Bruxelles, 61
5000 NAMUR

Cycle

Etudes de 2ème cycle