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Présentation réalisée par André Füzfa. L'an dernier, le Prix Nobel de Physique a été attribuée à S. Perlmutter, A. Riess et B. Schmidt pour leur découverte de l'accélération de l'expansion cosmique en utilisant les supernovae lointaines. Si ce ne sont pas les raisons amplement justifiées de l'obtention de cette distinction qui font mystère, c'est bien la cause physique de cette propriété inattendue qui constitue une énigme. En effet, alors que l'on s'attendait à l'époque à mesurer la décélération de l'expansion cosmologique, ce qui aurait "seulement" constitué une preuve supplémentaire du "modèle standard du Big Bang", le diagramme de Hubble des supernovae lointaines indiquait, bien au contraire, une accélération non prévue par le modèle... Quelle force répulsive, méconnue sinon inconnue, est-elle à l'oeuvre au fond des ténébreux abysses intergalactiques ? Quelles pourraient être les nouvelles lois de la physique qui se cachent derrière cette antigravité ? Une prochaine révolution scientifique nous attend-elle ?
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Lʼénergie sombre,le mystère du
prix Nobel de physique 2011#
André Füzfa
Chargé de cours Namur Center for Complex Systems (naXys)
Université de Namur (Belgique)
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Hubble deep field
Lʼunivers à grande échelle#
« Lʼessentiel est invisible pour les yeux »#Saint-Exupéry, #
« Le petit prince »#
Lʼunivers immuable dʼEinstein## Principe cosmologique parfait:
➜ Isotropie ➜ Universalité (« Copernic ») ➜ Immuabilité
# Univers statique, fini, sans bord
# Equilibre gravité (matière) – antigravité (Λ) ➜ Introduction de la constante cosmologique Λ
# Λ et le principe de Mach ➜ la matière (inertie) génère une constante cosmologique ➜ Equilibre: pas de constante cosmologique => pas de matière
# Equilibre instable
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Homogénéité
Le Principe Cosmologique A grande échelle (1024m), l’Univers est approximativement
HOMOGENE et ISOTROPE
2x106 galaxies (~1990) 1.6x106 IR galaxies (~2005)
Lʼunivers dynamique de Friedmann et Lemaître## Le principe cosmologique restreint
➜ Homogénéité et isotropie à une époque donnée
# Dynamique des modèles d’Univers
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Facteur d’échelle a
d=d0#
d=a(t)d0#t=t0#
t#
Λ=0 Λ>ΛΕ
Q(a)
Existence: Λ≥Q(a)
Univers d’Einstein (Λ=ΛΕ)
LʼUnivers en expansion## La récession des galaxies
(Hubble, 1929 ; Lemaître, 1927)
# Premiers problèmes :
➜ H0 et âge de l’Univers (H0=650km/s/Mpc=> t0=2x109 ans) ➜ Le Big Bang, la fin de la physique?
# Modèle quasi-stationnaire de Hoyle ➜ Retour au principe cosmologique parfait ➜ Création continue de matière
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V=H0D H0 = constante de Hubble
H(t) = constante + maJère
= créaJon de parJcules!
a(t)
t
Que faire de la constante cosmologique?## Einstein et le rasoir d’Occam:
➜ Univers en expansion ➜ Problèmes des idées de Mach
# Univers quasi-stationnaire contre Big Bang chaud
# Les arguments de Lemaître en faveur de Λ ➜ Λ = liberté de jauge de l’énergie et de l’impulsion ➜ Λ>0 allonge l’âge de l’Univers et sauve le Big Bang chaud ➜ l’Univers hésitant de Lemaître: phase stationnaire de l’expansion pour la formation des galaxies grâce à Λ ➜ Λ = pont entre la physique quantique et la gravitation relativiste
# Λ devient une curiosité mathématique pour quelques décénnies…
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Λ devient inuJle
Les trois piliers du Big Bang chaud#
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# Evidences en faveur d’une expansion cosmologique et d’une phase primordiale dense et chaude de l’Univers (>1960)
Fuite des galaxies: Expansion cosmologique Mirages gravitaJonnels
Grandes structures cosmiques Mesure précise
de H0<100km/s/Mpc Age>10 Gyr
Rayonnement fossile: formaJon des premiers atomes Corps noir extrêmement isotrope
à une température de 2.7°K
Nucléosynthèse primordiale: cuisson des
noyaux atomiques légers dans l’univers primordial,
conforme à l’abondance observée dans les environnements stellaires
Le rayonnement fossile (CMB)
Hélium
Deutérium
Hydrogène
Photon libre
Electrons libres
Noyaux Libres protons
+ neutrons
Photon
Plasma Primordial
Aujourd’hui: T=3°K
Emission du CMB: T=3000°K
Modèle du Big Bang chaud ↓
L’Univers homogène et isotrope se refroidit au cours du temps
↓ Relique sous forme de rayonnement
de corps noir! (Equilibre thermodynamique)
Formation of Atoms L’Univers devient
transparent ↓
Première émission de lumière sur de grandes
distances
WMAP, 2004 Planck 2012
Données de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe),
WMAP Scientific Team, 2003.
Intensité
Fréquence
Big Bang chaud#et données de COBE #
Modèle sans Big Bang
(cosmologie quasi-stationnaire
de Hoyle)
COBE, 1991 Mather & Smoot Nobel 2006
Détection du rayonnement Fossile comme un bruit de fond Penzias & Wilson (1965) Prix Nobel 1978
La nucléosynthèse primordiale
« Distribution des éléments chimiques dans l’Univers: Pour un million d’atomes d’Hydrogène (1000 000), il y a → 85 000 atomes d’4He → 1400 tous les autres éléments (O, C, Ne, Fe, N, etc.) → 30 Deutérium (isotope de l’Hydrogène) → 10 3He
« Pourquoi cette distribution? « Les étoiles ont-elles pu cuire autant d’Hélium?
→ Le modèle du Big Bang chaud implique une fabrication primordiale des éléments lorsque T~109K (t ~ sec)
La nucléosynthèse primordiale
« L’Univers est composé de 4 % de protons, neutrons
« Il n’existe que trois familles de particules élémentaires
PR
EU
VE
PR
ED
ICTI
ON
S
Out
ils
→ Relativité Générale
→ Physique Nucléaire
OK CMB!
OK Z0!
Observé : 4He~0.1
D ~ 5x 10-5
3He~ 2x 10-5
Le modèle standard du Big Bang chaud## 1970-1995: modèle communément admis ➜ Mesure précise des paramètres cosmologiques
# Indications en faveur d’une énergie manquante: baryons + matière noire ≤ 30% du contenu total
# Motivations pour la mesure de la décélération de l’expansion ➜ 1968: test entre cosmologie dynamique (Lemaître) et stationnaire (Hoyle) ➜ 1990: courbure de l’Univers et nature de l’énergie manquante
# Développement d’expériences dédiées : ➜ COBE (Nobel, 2006), surveys de galaxies, télescopes spatiaux et terrestres
# Découvertes préparatoires: ➜ capteurs photographiques numériques CCD (prix Nobel 2009), traitement
informatique, classification, calibration des supernovae, effet des poussières galactiques
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Cosmologie avec les supernovae## Différents types de supernovae:
➜ Type II: explosion d’étoiles supermassives solitaires ➜ Type I: combustion d’une naine blanche dans un système binaire
# Universalité dans les supernovae de type Ia
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Source: High-‐z Supernova & Supernovae Cosmology Project
CorrélaJon entre la forme de la courbe de lumière
et la luminosité intrinsèque
Supernovae de type Ia comme indicateurs de
distance
Vastes programmes de recherche de supernovae
Moissonner les supernovae#
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Suivi de 100 champs de ciel profond
avec 1000 galaxies par champ :
Dizaines de supernovae trouvées par nuit
Etudes spectroscopiques et de la courbe de lumière par
instruments dédiés (HST, télescopes à Hawai et
au Chili, etc.)
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Lʼaccélération de lʼexpansion cosmique#
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─ AccéléraJon ─ DécéléraJon
UNION 2010 data
SNe sont plus faibles que prévu ↓
Elles sont plus éloignées que prévu ↓
L’expansion cosmique a accéléré!
─ Décélération (100% Matière) ─ Accélération (Matière et Energie Noire)
Fluctuations du rayonnement fossile
L<Horizon
─ Ancien modèle standard (100% Matière) ─ Baryons, Matière Noire et Energie Noire
Inte
nsité
des
fluc
tuat
ions
(µK²)
Taille angulaire des fluctuations (°)
Géometrie
Pour une fluctuation δ: L<Horizon
δ↑ sous l’influence de la gravité δ ↓ sous l’influence de la pression
Oscillations acoustiques! L>Horizon
Ondes de pression trop lentes! Instabilité gravitationnelle!
Baryons
Matière totale
# Géometrie: Univers Plat
# Composition actuelle en énergie: → Matière : ~24% → Baryons: ~4%
→ Matière Noire : ~ 20 % → Energie (Noire) manquante: ~76%!
L’énergie noire et les grandes structures « Oscillation acoustique des baryons :
« Influence sur les vitesses particulières des galaxies (galaxy redshift distortion)
« Distribution à grande échelle des galaxies (spectre de puissance) 2dFGRS : 0.65<ΩΛ<0.85 at 95% C.L.
SDSS: Ωm=0.24±0.02 at 95% C.L.
Distance r (h-1 Mpc)
2-po
int c
orre
latio
n fu
nctio
n
─ SDSS Luminous Red Galaxies ─ ΛCDM, Ωm=0.24 ; ΩΛ=0.76 ─ OCDM, Ωm=0.24
Prop
orJo
n d’én
ergie no
ire Λ#
ProporJon de maJère
Modèle de concordance: lʼunivers invisible#
hmp://supernova.lbl.gov Atomes ~4%
Ma@ère noire ~20%
Radia@ons ~0.01%
Energie noire Λ (DE)~76%
Composition actuelle en énergie de l’Univers
(>95% C.L.)
ΛCDM « Age de l’Univers: ~ 14 milliards d’années « Univers plat
Univers de#Lemaître-#Eddington#
Einstein-de Sitter#Ωm=1#
de Sitter#ΩΛ=1# 22
Qu’est-ce que l’énergie sombre?
L’accélération cosmique requiert des
pressions négatives!
Effet Casimir: Fluctuations du vide
quantique
Exemple de Pressions négatives!
Evide↑#
Evide#
Evide↑↑↑#
Expansion cosmique produit davantage d’énergie du vide
Accélération Cosmique!
Gaz ordinaire: La pression est dirigée vers
l’extérieur (p>0)
Variation de l’énergie interne: ΔU=-p ΔV<0 pendant l’expansion (ΔV>0)
Energie du vide? ↓
Constante cosmologique
d’Einstein Λ 23
« Théorie quantique des champs et gravitation: le vide devrait avoir une énorme énergie
« Observations (modèle de concordance):
ð Pourquoi la constante cosmologique est-elle si petite?
ð Pourquoi l’énergie du vide (quantique) est-elle aussi grande que l’énergie critique (cosmologie) aujourd’hui? (l’énergie noire est-elle vraiment constante?)
L’insoutenable légèreté du vide
Problème de l’ajustement fin!
Problème de la Coincidence!
dans 1cm³
Echelle d’énergie de la gravitation quantique
x1050
x1 dans 1cm³
« Désaccord » d’un facteur 10123
Au delà de Λ # Arguments des défenseurs de Λ:
➜ L’héritage ultime d’Einstein : une nouvelle constante de la physique ➜ le modèle le plus efficace ➜ Le modèle le plus simple (un seul paramètre) ➜ L’énergie du vide existe ➜ Argument anthropique ou landscape: de tous les vides possibles, nous
observons celui qui est compatible avec notre existence
# Arguments des détracteurs de Λ: ➜ Abandon d’Einstein et Λ seule constante fondamentale additive?! ➜ Difficultés observationnelles ➜ Quid si physique complexe du secteur sombre ? ➜ Poids de l’énergie du vide => gravitation quantique ➜ Principe anthropique:
« People that have no ideas can still have principles » (E. Kolb) 25
Au-delà d’Einstein avec l’énergie noire… Gravité d’Einstein:
Energie sombre gelée
Energie sombre variable (avec uniquement des interactions
gravitationnelles)
Energie noire couplée (Not so dark)
Ouverture sur une nouvelle théorie de la gravitation!
Constante Cosmologique
Quintessence
Nouvelle physique? Modification de la gravitation? Dimensions supplémentaires?
Nouveau paradigme cosmologique? Pesanteur anormale?
Ajustement fin/ coincidence
Autres empreintes physiques que l’expansion cosmique
Principe d’Equivalence
« Encore un modèle dʼénergie sombre?! »## De nombreuses interprétations de l’accélération cosmique ont été
proposées… CERTES, MAIS
# Filiation avec de vieilles et profondes idées en physique
➜ Λ: idées de Mach en relativité générale ➜ Quintessence : champ scalaire inspiré par la physique des
particules ➜ Coupled DE : variation des constantes de la physique ➜ Backreactions: modèles d’Univers inhomogènes de Lemaître-
Tolman ➜ Brane cosmology: extra-dimensions à la Kaluza-Klein ➜ F(R)-gravity : théorie du champ unitaire d’Einstein ➜ AWE: approche de Brans-Dicke du principe de Mach
# Opportunité unique d’éprouver enfin ces idées…
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Le mystère de lʼénergie sombre#
28
Λ Problèmes
ObservaJonnels?
Nouvelle Physique? Nouvelle
Cosmologie?
ESA Euclid Space mission
2019
Notes de cours fil noir 2011 et 2012:
http://perso.fundp.ac.be/~afuzfa/Fleurance/
Lʼunivers invisible#
Matière noire et énergie sombre, deux aspects différents de la même physique?
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Une vieille affaire : la matière noire
Velo
city
(km
/s)
Radius (kpc) « Les étoiles tournent trop vite autour des galaxies « Les galaxies tournent trop vite dans les amas (F. Zwicky 1930)
→ Cohésion: il doit exister une grande quantité de matière invisible! « Lentilles gravitationnelles:
→ Il doit exister une grande quantité de matière invisible entre les galaxies « Rayonnement fossile:
→ Matière noire= 5x Matière ordinaire
Données expérimentales
Courbe attendue avec
les étoiles du disque
Contribution de la matière noire!
Les mirages gravitationnels nous renseignent sur#la distribution de la matière noire intergalactique.#
La matière noire aux échelles cosmologiques
Matière noire et formation des structures
Les simulations numériques nous aident à comprendre#comment les galaxies se sont formées à partir de#
lʼeffondrement de très grands nuages de gaz.#La matière noire y joue un rôle essentiel en #
accélérant la formation des galaxies.#
Observations en faveur de la matière noire
Lentilles gravitationnelles# Amas de galaxies#
Rayonnement Fossile Formation des#
Galaxies#
La matière ordinaire (lumineuse) ne suffit pas!#
La matière noire à l’oeuvre
Total=#
Dark Matter#+#
Stars#+#gas#
Picture: D. W. Hogg, M. R. Blanton (SDSS)#Data from Gentile et al., MNRAS 351 (2004)#
NGC 1090#
« Etoiles et amas globulaires tournent trop vite autour des galaxies « Les galaxies tournent aussi trop vite à l’intérieur des amas (F. Zwicky 1930)
Matière noire ou gravitation modifiée?
Newton!
MOND!
Newton:!a~1/r2!
!
MOND:!a~1/r!
si a>>a0!
a0 ~10-10 m/s2 Broeils 1992 A&A 256 19# Famaey et al. 2007 PRD 75 063002#MOND:!
a~1/r!si a<<a0!
Wiggles?!
Why going beyond ΛCDM?
« What is Dark Matter (DM) AND what is Dark Energy (DE)? → DE: cosmological constant Λ èvacuum energy è fine-tuning ρexp
Λ~(1028eV)4#→ DM: yet-undiscovered faintly interacting heavy particle#→ CDM and DE not physically related #→ Triple coincidence on Ωbaryons, ΩCDM and ΩΛ #
« Negative Pressures of DE
→ Gravitational collapse of DE!#→ Effect of structure formation!#
« Coincidence Problem ρobsΛ~ (10-3eV)4
→ Why is vacuum energy of the order of a present cosmological property?#→ A cosmological mechanism behind DE? Low-energy physics? #
Violation of the Strong Energy Condition
(SEC)
Beyond the Λ ...?
Why Dark Matter-Dark Energy interactions?
« Are the nature of DM and DE really physically disconnected?
« A cosmological mechanism for DE? → Dynamical DE ð new degrees of freedom#
« New interactions: toward a unified physics of the dark sector?
→ DM-DE of same physical nature#→ Coincidence: DE is related to the dominance of DM#→ Allows new tests of the nature of DE#
« Violation of the Equivalence Principles (EPs):
→ Matter – DE energy exchange is viewed as an energy loss through an invisible channel#
→ If so, local physical laws does not seem to be those of special relativity…#
Separately conserved: QUINTESSENCE (only gravitational interaction)
Conserved together: COUPLED DE
A Dynamical Cosmological Constant? ðNew degrees of freedom!
→ Quintessence: Matter and DE conserved separately, only gravitational interaction → Modified Gravity: Matter interacting with DE (non-minimal coupling)#
Λ What lies behind the Λ?
Gravitation gµν
Invisible Sector Visible Sector Dark Matter Baryons
Space-time independent interactions
(Minimal Coupling)
Frozen Vacuum Energy:
cosmological constant Λ
Photons
ΛCDM
« Quintessence, k-essence:
Λ What lies behind the Λ? Quintessence?!
Gravitation gµν
Invisible Sector Visible Sector Dark Matter Baryons
Minimal Coupling
Varying Dark Energy ϕ
Photons
ϕ
( )ϕV(Effective) Potential
DE dof
Cosmic acceleration if violation of
Strong Energy Condition (p<-ρ/3)
Ex.: Slow-roll ç C. Wetterich, Nucl. Phys. B 302, 668 (1988) ç B. Ratra & P.J.E. Peebles, Phys. Rev. D37 (1988) 3406 ç C. Armendariz-Picon et al., Phys. Rev. D 63, 103510 (2001) ç E.J. Copeland, et al., Int.J.Mod.Phys. D15 (2006) 1753-1936
V(ϕ)#
ϕ#
Λ What lies behind the Λ? Interacting DE?!
Gravitation
Invisible Sector Visible Sector
Dark Energy ϕ coupling non-minimally: space-time dependent universal interactions
SEP violation
Cosmic acceleration through deviation from GR
Violation of the Strong Equivalence Principle (tensor-scalar gravitation):
→ Varying GN #(are SNe Ia still Standard Candles?)#→ Adequacy with constraints on SEP?#→ Why is SEP violated?#
ç P. Jordan, Nature 164, 637 (1949) ç M. Fierz, Helv. Phys. Acta 29, 128 (1956) ç C. Brans and R. H. Dicke, Phys. Rev. 124, 925 (1961)
→ Bare Space-time g*µν
→ Running coupling Gm(ϕ)
=Effective metric felt by matter, suited by the scalar field
Gm(ϕ)# Gm(ϕ)#
Α What lies behind the Λ?
Gravitation
Abnormally Weighting Invisible Sector
Normally Weighting Visible Sector
Space-time dependent#nonuniversal interactions#
No WEP ð no SEP
Transient deviation from GR ð cosmic acceleration
Does Dark Matter fall in the usual way?
Weak Equivalence Principle
violation
Gawe(ϕ)# Gm(ϕ)#
→ Bare Space-time g*µν
→ Running couplings Gm, Gawe
Abnormally Weighting Energy (AWE) hypothesis
The Dark Cosmology Iceberg
Cosmological Constant
Quintessence
Scalar tensor gravity
AWE Hypothesis
Coincidence? ð cosmological mechanism (ϕ)!
Only gravitational interactions? ð Non-Minimal couplings!
Universality of NM couplings? ð No uniersality of free-fall!
DM-DE unification…?
Sonder l’Univers lointain avec des chandelles standard
Prisme
Galaxie Vitesse? → Effet Doppler
Distance?
Chandelle Standard : Etoile Céphéide
→Luminosité à l’émission
L Obs=L/d²
Courbe de lumière des Céphéides :
Lum
inos
ité
Temps (jours)
La mesure de l’expansion cosmique par Hubble
« Loi de Hubble: V=H0D « Lemaître (1927) H0= 650 km/
s/Mpc « Age prédit de l’Univers <
2x109 années « Age de la Terre : 4x109
années!
Diagramme Original par Hubble (1929; méthode des Céphéides) E. Hubble, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 15
Vite
sse
PR
EU
VE
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