Une Brève Histoire de l' Univers
Le Big-Bang et les 380 000
premières années de l'Univers d'après le modèle
standart de la cosmologie
et le livre "Les voies de la lumière" de M. Trinh
Xuan Thuan
Note : La description des premiers instants de l'Univers ne peut
bien évidemment être vérifiée, elle résulte
d 'extrapolations aux très hautes énergies des théories
et connaissances contemporaines sur les champs et les
particules ainsi que des données et modèles théoriques
de l'astronomie.
Cette description correspond au modéle standard de la cosmologie.
De l'origine de l'Univers on ne sait rien, à partir du temps de Planck t = 10 - 43 s voici le scénario le plus consensuel chez les physiciens cosmologistes
T = 0 environ - 14 milliards d' années
note : 14 milliards d'années => environ 10 puissance 17 secondes
Age de Planck
10 - 43 s = Temps
de Planck
Taille de l' Univers 10 - 35 m (longueur
de Planck)
Température = 10 puissance 32 ° K
Densité = 10 puissance 95 kg /m3
= 100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
kg/m3
Pas de matière pas de lumière mais un vide
quantique rempli d'un champs quantique à très haute énergie
: le champs de l'inflaton.
L'Univers est dans un état de vide
quantique.
Entre 10 - 38s et 10 -35s : Période de l' Inflation :
L' Univers s'agrandit au minimum
de 10 puissance 50 fois dans toute les directions.
(cela correspond à taille qui sépare le noyau d'un atome
de celle d'un super amas de galaxie)
Cet agrandissement de l'espace se fait à une vitesse très très
supérieure à celle de la la lumière
A la fin de l'inflation (période dite du rechauffement (reheating )) l' énergie du champs d'inflaton va donner naissance à toute la matière : particules élementaires + antiparticules
A la fin de la phase inflationnaire les différentes régions de l'Univers ne sont plus en contact causal les une avec les autres.
Ensuite l'Univers se dilatera encore de 10 puissance 27 fois jusqu' aujourdh'ui
Les amplifications des fluctuations quantiques
ont une taille qui peut aller jusqu' à 10 milliards de km (100 fois la
taille du système solaire).
Elles ont été détectées puis mesurées avec
précision par les satelites COBE et WMAP et Planck.
Age de la Grande Unification 10 - 35 s
Taille 10 puissance -24 cm
Température = 10 puissance 27 ° K
Energie des particules = 10 puissance 15 GeV
Densité =10 puissance 75 kg/m3
Brisure de symétrie : l'interaction électronucléaire se sépare en une interaction forte et une interaction électrofaible (interaction faible + interaction élétromagnétique )
Formations de très nombreuses paires de particules matière - antimatière qui s'anhilent quasi instantanément.
Brisure de symétrie matière antimatière
(Sakharov) .
Pour 1 milliard d'antiquarks formés il y a 1 milliard +1 quarks .
Pareil pour les électrons
T= 10 - 11 s
L 'interaction ou force électrofaible se scinde en l' interaction nucléaire faible et l'interaction électromagnétique (transition ou brisure de symétrie électrofaible)
Celle ci est brovoquée par la brisure de symétrie
du champs de Higgs. Les particules jusqu'alors toutes de masse nulles acuirent
leur masse.
La température s’est abaissée à un million de milliards
de degrés.
L’énergie des particules avoisine 200 Gev .
Les constituants de l’Univers se résument essentiellement à des photons , des quarks, des neutrinos et des électrons (ainsi que leurs antiparticules).
Phase des hadrons ( particules sensibles à l' interaction forte ) de 10 - 32 à 10 - 4 seconde
Densité= 10 puissance 16 kg/m3
Température = 1000 milliard de ° K = 10 puissance 12 K .
10 - 6 seconde
Les quarks forment des hadrons ( protons neutrons..)
La densité d'énergie dans les collision s d'ions lours au LHC correspond à cette époque.
A la fin de cette phase des hadrons, la création des protons et des neutrons n'est plus possible
Age leptonique (léger) de 10 puissance
- 4s à 100 s
Energie des particules entre 100 Mev et
1 et Mev
A une seconde
Densité de l'Univers = 10 puissance 8 kg/m3 (100 000 fois la densité
de l'eau)
Emission d'un fond diffus de neutrinos suite
au découplage des neutrinos du reste
de la purée universelle
car il n'interagissent avec la matière que par la
force faible dont le rayon d'action est de 10 puissance -13 cm
( note : il existe 10 fois moins de neutrinos que de photons)
Destruction quasi totale de l'antimatière
Début de la nucléosynthèse
primordiale qui durera trois minutes
Les noyaux d'hydrogène et d' hélium ainsi
que de certains de leurs isotopes se forment
Vers 5 secondes ,
Le milieu n'est plus assez énergétique pour former spontanément des couples électrons- positrons .
Création d'une paire électron - positron nécessite environ 1 MeV
1 Mev => énergie qu'acqiert une particule dans un milieu à 10 000 000 000 ° K
Durée de vie des neutrons libres = 1/4 d'heure mais les neutrons associés à des protons dans des noyaux sont stables
A la centième seconde
Densité = 10 000 kg/m3 (10 fois la densité
de l'eau)
Température = 1 milliard de degré K
Age nucléaire = age de la nucléosynthèse primordiale (de 100 s à 2500 ans)
2 mn après le big bang les deutérons deviennent
stables
deutéron = noyau d' hélium
A la millième seconde
T = 300 millions de ° K
La composition de l'Univers en matière est quasiment fixé.
Pour 100 000 protons il existe deux noyaux de deutérium
Pour 10 000 milliards de protons deux noyaux de lithium 7 (3 protons et 4 neutrons)
1 noyau d' hélium pour 12 protons
1000 seconde quasi fin de la nucleosynthese primordiale
Quasi utilisation de tous les neutrons libre de l'univers
L'ère de la lumière corespond environ au 6000 premières années de l'Univers (Zeq = 3200)
Au début de l'univers la quasi totalite de l'énergie est sous
forme de lumière ,
à partir de 2500 ans la densité d'énergie sous forme de
matière est équivalente à la densité de lumière
sous forme d'énergie et va depuis prédominer.
Apparition d'une purée de matière (quarks électrons ) en
des cycles infernaux de vie et de mort des particules issues de la lumière
(photons gamma) qui s'entremèlent avec le bain de lumière
Pour créer une paire proton -antiproton il faut une énergie d
'environ 2 Gev
qui correspond à une température du milieu d'environ 12 milliards
de ° K ( E = kT avec k = constante
de Boltzmann)
A la fin de l'âge de la lumière
Densité = 10-13 kg/m3
T = 60 000 degré K
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380 000 ans : Découplage lumière - matière due à la formation des atomes .
Les photons
n'on plus assez d'énergie pour casser les atomes - les électrons
se trouvent confinés dans les atomes.
La formation des atomes d'
hydrogène et de l'hélium en capturant les électrons
laissent la voie libre à la propagation de la lumière
T = 3000 ° K
Densité = 10-18 kg/m3 (un milliards de fois plus qu'aujourdh'ui)
A partir de cette date , l' Univers devient obervable car les photons extrais de leurs collisions incessantes avec la matière peuvent maintenant voyager librement dans l'espace à la vitesse de 300 000 km/s
Ce sont ces photons qui nous arrivent maintenant sous forme
d 'un rayonnement cosmique micro ondes
Leur dernière interaction avec la matière a eu lieu à T
= 380 000 ans
Ensuite nous rentrons dans la partie observable de l' histoire de l'Univers.
Depuis cette date , le rayon de l'Univers ayant augmenté
d'un facteur 1000
et donc la température a diminuée d' un facteur 1000
les photons sont passés à 3 ° K (-270°C )
L' Univers observable actuellement est de 47 milliards d'année lumière dans toutes les directions.
13,7 Milliards d'années lumière (distance qui correspond au temps qu' a mis la lumière pour nous parvenir) auquel il faut ajouter une estimation de l'expansion de l' espace.
Dans le premier milliard
d'années se sont formés la première génération
d'étoiles
ainsi que celles des premières galaxies.(ce sont elles que l'on détecte
actuellement sous forme de quasars)
la suite de cette histoire ce trouve sur la page astronomie -cosmologie
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Note 1 : Aujourdh'ui la densité de matière dans l'Univers = 2,4 10 puissance -27 kg/m3 est 4800 fois plus grande que la densite de lumière 5 .10 puissance -31 kg/m3)
Population actuelle de photons = 10 puissance 89 ( un milliard de fois supérieure à la population de protons + neutrons )
Note 2 : 1 eV = 1électron-volt => énergie cinétique d'un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt = énergie qu'acqiert une particule dans un milieu à 10 000 ° (E = kT) = 1,602 176 53×10-19 joule = 1,78 .10 -36 kg (E = mc2)
Note 3 : Plus on remonte tot dans l'histoire de l'Univers plus
le vide et les particules sont énergétiques.
Dans le LHC du
CERN on espère
accélerer les particules jusqu' obtenir des collisions à 14 Tev
Note 4: 1 eV = 1électron-volt => énergie cinétique d'un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt = énergie qu'acqiert une particule dans un milieu à 10 000 ° (E = kT)