Histoire de la cosmologie

Un cours offert aux étudiants de la Faculté des Lettres,

de la Faculté de Biologie et de médecine, de la Faculté des Hautes études commerciales, de la Faculté de Géosciences et environnement,

de la Faculté des Sciences sociales et politiques et de la Faculté de Théologie et de sciences des religions

de l’Université de Lausanne

dans le cadre de « Sciences au carré »

Histoire de la cosmologie

Prof. Georges Meylan

Laboratoire d’astrophysique Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Site web du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch

Histoire de la cosmologie 11 – Einstein RR RG Mirages

11.1 L’expérience de Michelson-Morley

11.2 La relativité restreinte RR 11.3 La relativité générale RG

11.4 Le Soleil : premier exemple de lentille gravitationnelle 11.5 Des lentilles gravitationnelles à distances cosmologiques

11.6 Un outil pour étudier la matière sombre et l’énergie sombre

Voir le fichier 11-EinsteinRRRGMirages.pdf sur le site web du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch

Histoire de la cosmologie 11 – Einstein RR RG Mirages

Bibliographie succincte

•  CLOSETS, François de. Ne dites pas à Dieu ce qu’il doit faire. Paris : Seuil, 2004. •  EDDINGTON, Arthur S. Space, Time and Gravitation : An Outline of the General

Relativity Theory. Cambridge : CUP, 1987. •  LACHIEZE-REY, Marc. L’espace physique entre mathématique et philosophie.

Paris : EDP, 2006. •  MERLEAU-PONTY, Jacques. Sur la science cosmologique. Paris : OUP, 2003. •  PAIS, Abraham. “ Subtle is the Lord...” : The Science and the Life of Albert Einstein.

Oxford : OUP, 1982. •  PATY, Michel. Albert Einstein ou la création scientifique du monde. Paris : Les

Belles Lettres, 1997. •  PATY, Michel. Einstein philosophe. Paris : PUF, 1993

Certainement une des expériences parmi les importantes

de l’histoire de la physique

11.1 L’expérience de

Michelson - Morley

Expériences de Michelson et Morley mesure de la vitesse de la lumière par rapport à l’éther

•  Fizeau montre en 1851 que l’éther n’est pas entraîné par l’observateur.

Donc, en admettant que la lumière se déplace avec une vitesse scalaire c = cte par rapport à l’éther, la vitesse de la lumière par rapport à l’observateur devait dépendre du mvt de celui-ci par rapport à l’éther : il devenait possible de mettre en évidence le mvt absolu, i.e., le mvt par rapport à l’éther.

•  Michelson (1881) et Michelson & Morley (1887) construisent des inter-féromètres de plus en plus précis pour mettre en évidence la variation de la vitesse de la lumière, supposée différente selon la direction de propagation (voir Fig. 21.1).

Albert A Michelson (1852–1931)

Michelson & Morley utilisent la variation de la direction de la vitesse

de révolution de la Terre autour du Soleil, ceci tout au long de l’année. vitesse scalaire orbitale moyenne de la Terre : vm = 2,98 104 m/s-1

Expériences de Michelson et Morley (suite)

•  Un rayon lumineux émis par une source est divisé en deux par un miroir semi-transparent O. Les deux rayons sont ensuite réfléchis par deux miroirs M1 et M2 et se superposent à nouveau pour atteindre l’observa-teur.

•  En admettant que la vitesse de la lumière par rapport à l’éther est c et que la vitesse de la Terre par rapport à l’éther est u, il découle de la description des mvts relatifs non relativistes, que la vitesse de la lumière par rapport à la Terre est c’ = c - u.

•  Supposons que les deux bras de l’interféromètres ont même longueur l et orientons l’appareil de manière telle que le bras OM1 soit parallèle à u : les temps mis par les rayons pour parcourir les chemins OM1O et OM2O sont respectivement :

Expériences de Michelson et Morley (suite)

•  Dans la direction de M1 : temps avec le courant l /(c - u) et temps à contre courant l /(c + u) d’où :

t1 = 2lc /(c 2-u 2) et de façon équivalente : t1 = (2l /c )(1-u 2/c2)-1

•  Fait observationnel déjà acquis : la vitesse u de la Terre dans l’éther est certainement beaucoup plus petite que c, sinon elle aurait déjà été détectée voilà longtemps, e.g., à travers l‘observation des temps des éclipses des satellites de Jupiter. Ceci implique que : u 2/c2 « 1. On utilise deux faits mathématiques importants :

(i) si x « 1, alors 1/(1-x) ≅ 1+x ; (ii) si x « 1, alors (1+x)1/2 ≅ 1+x/2 . Donc de (i), pour le trajet aller-retour, t1 ≅ (2l /c )(1 + u 2/c2) est une

bonne approximation.

Expériences de Michelson et Morley (suite)

•  Par construction, comme les deux bras de l’interféromètre sont dans des directions perpendiculaires l’une à l’autre, l’addition vectorielle des vitesses (analogie avec un bateau traversant un fleuve) donne l’hypoténuse (diagonale) correspondant à la vitesse c et la petite cathète à la vitesse du courant u.

•  Dans la direction de M2 : pour déterminer le temps de parcours per-pendiculairement au courant, on utilise le théorème de Pythagore pour exprimer la vitesse (c 2-u 2)1/2 perpendiculairement au courant. Comme la vitesse est la même dans les deux sens, le temps total est égal à t2 = (2l ) (c 2-u 2)-1/2 = (2l /c )(1-u 2/c2)-1/2.

•  Et, ut i l isant ( i i ) , cette dernière expression devient : t2 ≅ (2l /c )(1 - u 2/2c2)-1 et en remplaçant 1/(1-x) par 1+x on obtient :

t2 ≅ (2l /c )(1 + u 2/2c2)

Expériences de Michelson et Morley (suite)

•  Des deux équations : t1 = (2l /c )(1-u 2/c2)-1 et t2 = (2l /c )(1-u 2/c2)-1/2, en négligeant les termes d’ordre supérieur à 2 en u /c , nous voyons qu’il y a un déphasage ΔΦ entre les deux temps, donné par :

où ν est la fréquence de la lumière émise par la source. •  En faisant tourner l’interféromètre de 90º (naturellement le long de

l’orbite terrestre ou mécaniquement dans le laboratoire), le déphasage change de signe et devient égal à -ΔΦ . Donc on devrait observer un déplacement des franges d’interférence.

•  Contrairement aux prédictions de la physique classique, aucune modification des franges d’interférence n’a été observée, quelle que soit la période de l’année ou la situation du laboratoire con-tenant l’interféromètre.

Expériences de Michelson et Morley (suite)

11.2 La relativité restreinte

RR

Conséquence directe de l’expérience de Michelson - Morley

c = 299’792’458 m s-1

c ~ 300’000 km s-1

De nombreuses expériences et réflexions amènent

Albert Einstein à rejeter les concepts newtoniens d’espace et de temps absolus

et à formuler en 1905 une nouvelle théorie, appelée :

Théorie de la relativité restreinte

Dilatation du temps Deux événements simultanés pour un observateur ne sont pas nécessairement

simultanés pour un autre observateur. La simultanéité n’est pas un concept absolu.

Simultanéité pas absolue implique que le temps n’est pas absolu.

Point de vue de l’observateur dans la fusée

Point de vue de l’observateur sur Terre

Mesure du temps de parcours de la lumière : ∆t0 = 2D/c

Mesure du temps de parcours de la lumière : ∆t0 = 2(D2+L2)1/2/c

Le paradoxe des jumeaux de Langevin •  La dilatation du temps permet des spéculations intéressantes au sujet des

voyages dans l’espace. •  Selon la dynamique newtonienne, il est impossible pour un être humain normal

d’atteindre une étoiles située à une distance de 100 année-lumière : 1 al est la distance parcourue par la lumière en une année =

(3,0 108 m/s) (365 j)(24 h)(60 min)(60 s) = (3,0 108 m/s) (3,15 107 s) = 9,5 1015 m Même un vaisseau spatial voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière

nécessiterait plus de 100 ans pour atteindre cette étoile. •  Mais la dilatation du temps nous dit qu’un astronaute dans la fusée aurait une

mesure du temps très différente. Dans ce vaisseau spatial voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière, e.g., v = 0.999 c , le temps nécessaire pour un tel voyage serait égal à seulement :

∆t0 = ∆t (1 - v2/c2)1/2 = (100 an) (1 - 0,999)1/2 = 4,5 an Alors qu’un intervalle de 100 ans s’écoulerait sur Terre,

seulement 4,5 ans s’écouleraient pour l’astronaute embarqué dans le vaisseau spatial

d’où le paradoxe des jumeaux de Langevin

Contraction des longueurs •  Le temps mesuré par un astronaute entre son départ de la Terre et son arrivée sur

l’étoile est le temps propre, puisque les deux événements ont lieu au même point du repère, le vaisseau spatial. Ainsi l’intervalle de temps est plus petit pour les observateurs dans la fusée que pour les observateurs restés sur Terre. Le temps de voyage mesuré du vaisseau spatial est égal à : ∆t0 = ∆t (1 - v2/c2)1/2.

•  Comme les observateurs dans la fusée mesurent la même vitesse mais un temps plus petit entre les deux événements, la distance qu’ils mesurent doit également être plus petite. Soit L la distance entre la Terre et l’étoile mesurée par les observateurs depuis la fusée : L = v ∆t0 .

•  Mais ∆t0 = ∆t (1 - v2/c2)1/2 et ∆t = L0/v d’où :

L = v∆t0 = v∆t(1 - v2/c2)1/2 = (L0/∆t)∆t(1 - v2/c2)1/2 = L0(1 - v2/c2)1/2

L = L0 (1 - v2/c2)1/2 contraction des longueurs

La longueur d’un objet est mesurée comme étant plus courte lorsqu’il est en mvt relativement à l’observateur que lorsqu’il est au repos

L0 = longueur propre = longueur mesurée par l’observateur au repos par rapport à l’objet

Seulement le long de la direction du mvt

•  Réponse d’Einstein (en 1905) : –  L’addition des vitesses est une loi « fausse »,

la loi « correcte » est plus compliquée : 160 km/h «plus» 3 km/h = 162.999999999999933 km/h

•  Réponse de Galilée (en 1638) : –  Application de la loi d’addition des vitesses : 160 km/h + 3 km/h = 163 km/h

Loi de composition des vitesses •  Problème simple de cinématique: Dans un train roulant à 160 km/h, un contrôleur marche à 3km/h en direction de

la locomotive. Quelle est la vitesse du contrôleur par rapport aux rails ?

800’000’000 km/h

court

200’000’000 km/h

1’000’000’000 km/h

879’225’842 km/h

La mécanique classique n’est plus valable aux grandes vitesses !

Changement d’invariants en passant de Galilée à Einstein

•  La Théorie de la Relativité Restreinte requiert l’abandon de la fausse croyance intuitive que les intervalles de temps et d’espace sont les même pour tous les observateurs.

•  On remplace ces deux anciens invariants par les deux nouveaux : - la vitesse de la lumière c est la même en tout lieu et pour tout observateur - l’intervalle d’espace-temps ds2 est invariant •  En 1908, Hermann Minkowski écrit : « Henceforth, space by itself and

time by itself are doomed to fade away into mere shadows, and only a kind of union of the two will preserve an independent reality ».

11.3 La relativité générale

RG

Equations d’Einstein Inclusion de la gravitation ⇒ équations d’Einstein de la RG (1915-1916)

Gµν = Rµν - (1/2) gµνR + Λgµν = - (8πG/c4)Tµν

où Gµν = tenseur d’Einstein Rµν = tenseur de Ricci ou de courbure, f (coordonnées spatiales + temps)

gµν = tenseur métrique, f (coordonnées spatiales + temps)

R = scalaire de courbure Λ = constante cosmologique Tµν = tenseur impulsion-énergie f (coordonnées spatiales + temps + pression + densité)

espace-temps incurvé par la présence de masse

L’astrophysique:

une science d’observations

pas d’expérimentations possibles

nous sommes limités à des comparaisons entre modèles et observations

Les «observations» sont-elles conformes

à la «réalité» ?

réfraction Réfraction ≈ 35 ' près de l’horizon ≈ un diamètre solaire

Parfois les observations n’offrent qu’une vision perturbée de la réalité

•  Atmosphère è vision fréquemment perturbée des objets observés depuis la surface de la Terre

•  Matière dans l’univers è vision perturbée de l’univers ?????

11.4 Le Soleil :

premier exemple de lentille gravitationnelle

PREMIÈRE SUSPICION DE L’INFLUENCE DE LA GRAVITATION SUR LA LUMIÈRE

•  LES CORPS N’AGISSENT-ILS PAS À DISTANCE SUR LA LUMIÈRE, •  PAR LEUR ACTION N’INCURVENT-ILS PAS LES

RAYONS LUMINEUX, •  ET CETTE ACTION N’EST-ELLE PAS LA PLUS

FORTE A FAIBLE DISTANCE? NEWTON (1704)

Les précurseurs aux XVIII et XIX siècles

•  1783: John Michell en Angleterre •  1796: Pierre Simon Laplace en France •  1801: Johann von Soldner en Allemagne

Vitesse d’évasion ve à la surface d’une masse sphérique M de rayon r:

€

ve =2 GMr

rayon de Schwarzschild angle de déflection (Newton) angle de déflection (Einstein RG)

rR

rcGM s== 22

α€

RS ≡2GMc 2

≅ 2.95 MMsol

km

€

α =4GMc 2r

=2RS

r

× 2

Rayon de Schwarzschild définissant un trou noir

Le rayon de trou noir du Soleil est égal à environ 3 km

€

RS ≡2GMc 2

≅ 2.95 MMsol

km

En 1919, un des premiers tests d’une des prédictions

de la Relativité Générale d’Einstein lors d’une éclipse totale de soleil

Chemin lumineux perturbé par une masse intervenante

obs

position réelle

position apparente

En 1919, un des premiers tests de la RG lors d’une éclipse totale de soleil :

•  Prédiction RG au limbe solaire α = 1.75"

•  Eclipse totale de soleil (Eddington, 1920): •  Sobral (Brésil) α = 1.98"± 0.12" •  Principe (Golfe de Guinée) α = 1.61"± 0.30"

Le soleil: première lentille gravitationnelle, confirme les prédictions de la RG

11.5 Des lentilles gravitationnelles

à distances cosmologiques

L’effet de lentille entre deux étoiles

•  1924: O. Chwolson •  1936: A. Einstein

⇒  anneau lumineux en cas d’alignement parfait ⇒  champ gravitationnel agit comme une lentille

«Il n’y a pas d’espoir d’observer le phénomène» Einstein, 1936, Science, 84, 506

* * obs

L’effet de lentille entre deux galaxies

Distance relative entre 2 étoiles >> entre 2 galaxies

•  1937 F. Zwicky

** ⇒ «Un test de la RG, idéal mais inutilisable» gg ⇒ «Très grande probabilité qu’une galaxie agisse en tant que lentille gravitationnelle» Zwicky, 1937, Phys. Review, 51, 670

obs

Sujet ~ totalement abandonné pendant environ 30 ans

1960’s – 1970’s • Discussions théoriques • • Inventions des CCDs •

• Découverte des quasars • ⇓

En 1979, le premier cas de lentille gravitationnelle extragalactique à distance cosmologique

QSO 0957+561 Walsh, Carswell, Weymann, 1979, Nature, 279, 381

Spectre VLT d’un quasar à grand redshift

λe = 1216 Å est observé à λo = 6434 Å ⇒ z + 1 = λo /λe = 6434 / 1216 = 5.291 ⇒ QSO BRI 1050-00 à z = 4.291

Lyα 1216Å CIV 1549Å

Les raies en émission permettent la mesure du décalage vers le rouge

QSO 0957+561: première lentille gravitationnelle à distance cosmologique

•  HST/WFPC2 •  Δ(A,B) = 6.1" •  VA = VB ≅ 17.1 •  z(source)=1.41

•  VG=19.1 •  z(lentille)=0.36

QSO 0957+561: première lentille gravitationnelle à distance cosmologique

•  Δ(A,B) = 6.1" •  VA = VB ≅ 17.1 •  z(source)=1.41

Image A

Image B

Walsh, Carswell, Weymann 1979, Nature, 279, 381

CIV 1549Å CIII] 1909 MgII 2798Å

En 1979, 60 ans après les premiers tests de la RG

lors d’une éclipse totale de soleil:

le quasar QSO 0957+561 :

deuxième lentille gravitationnelle, première lentille extragalactique confirme les prédictions de la RG

Attention !

Toutes les paires de quasars observées dans l’univers ne procèdent pas toujours d’un

effet de lentille gravitationnelle.

PKS 1145-071 : première paire serrée de quasars

Djorgovski & Meylan, 1987, ApJ, 321, L17

A

B

z = 1.345 Le phénomène de lentilles gravitationnelles

a été le sujet depuis 1979 d’une intense activité

de recherches théoriques et observationnelles qui ont engendré un nouvel « outil »

pour étudier l’univers proche et lointain

3 directions: - de la lentille - de la source - de l’image 3 angles: - α β θ 3 plans: - de la source η - de l’image ξ - de l’observateur 3 distances: - Ds Dd Dds

Equation de la lentille

Les positions de la source et de l’image sont reliées par une équation non linéaire entraînant la possibilité d’images multiples: des positions images θ multiples pour une position source β unique.

� �

)(θαθβ

−=

Rayon d’Einstein dans le cas d’une lentille à symétrie axiale

Grâce à la symétrie axiale, une source sur l’axe optique (β = 0) donne lieu

à une image en forme d’anneau lumineux de rayon : rayon d’Einstein

θθ

θθβθαθβ 2)(4)()(

cGM

DDD

sd

ds−=⇒−=

2/1

2)(4

!"

#$%

&=

sd

dsEE DD

Dc

GM θθ

Dans beaucoup de modèles, θE représente la frontière entre les positions des sources donnant naissance à de multiples images ou à une seule image.

Une étoile lentille (pessimisme d’Einstein) de masse M ≅ 1 M� à D ≅ 10 Kpc :

Une galaxie lentille (optimisme de Zwicky) de masse M ≅ 10 11 M� à D ≅ 1 Gpc :

2/12/1

109000.0

−

""#

$%%&

'""#

$%%&

'((=

KpcD

MM

solEθ

2/12/1

11 1109.0

−

""#

$%%&

'""#

$%%&

'((=

GpcD

MM

solEθ

source

obs.

lentille

anneau

Un anneau d’Einstein se forme lorsque la Terre, la lentille et la source

sont parfaitement alignées

anneau d’Einstein anneau

d’Einstein

Galaxie source

Galaxie lentille

Terre

Images

Des images multiples se forment lorsque l’alignement n’est pas parfait

L’action perturbatrice du quasar lentille dédouble l’image de la galaxie

galaxie A

galaxie B

QSO

ionmagnificat=ΩΩ

=s

i

dd

µ

Premier cas de quasar lentille observé par l’EPFL

LASTRO EPFL Communiqué de presse du 8 mars 2012

Le phénomène de lentille gravitationnelle

est très bien compris grâce

à la relativité générale d’Einstein

QSO 2237+0305: La Croix d’Einstein HST-WFPC2 Δ(A,B)=1.7" zsource = 1.69 zlentille = 0.04

A

B C

D

galaxie ≡ macro lentille étoiles ≡ micro lentilles

HST – ACS NASA/ESA Feb 2012

QSO 2237+0305: La Croix d’Einstein Adam et al., 1989, A&A, 208, L15

z = 1.69

QSO 2237+0305: La Croix d’Einstein Les étoiles de la galaxie à z = 0.04 agissent comme autant de microlentilles, induisant des variations des luminosités dans les quatre composantes du quasar à z = 1.69. Moyen très direct de mesurer la taille d’un QSO dans le visible

•

•

• • • •

• • • •

• •

• •

•

•

•

•

lignes critiques caustiques

HE1104-1805

H1413+117

PG1115+080

B1422+231

Les propriétés locale de l’application plan source – plan lentille sont décrites par sa matrice jacobienne: A ≡ ∂β /∂θ Les lieux des points où A ne peut pas être inversée localement, jacobien nul: lignes critiques et caustiques.

Les lentilles gravitationnelles classées selon trois régimes:

•  FORT : la source est imagée en plusieurs composantes, dont les formes et les luminosités sont fortement perturbées

•  FAIBLE : une seule image de la source, dont seules la forme et la luminosité sont perturbées

•  MICRO : une seule image de la source, dont seule la luminosité est perturbée

Un phénomène bien compris

D’autres lentilles gravitationnelles que le soleil ?

Oui, partout dans l’Univers

une étoile, une galaxie, un amas de galaxie peuvent jouer le rôle de lentille

Utilité des lentilles gravitationnelles en cosmologie

•  Détermination directe de la masse totale de la galaxie lentille •  Distribution de la masse dans notre Galaxie, limites supérieures

sur ΩMP des masses ponctuelles (étoiles à neutrons, trous noirs) •  Contraintes sur la taille des quasars sources •  Détermination directe de paramètres cosmologiques :

- constante de Hubble H0

- paramètres de densité Ωm and ΩΛ

•  Etude de la distribution de la matière sombre : - dans les galaxies - dans les amas de galaxies - dans les structures à grande échelle

•  Télescopes naturels pour observer les objets distants peuplant l’univers le plus lointain

La mesure de la constante de Hubble

et de l’âge de l’Univers en observant

les retards temporels de lentilles gravitationnelles

Retard temporel entre deux chemins lumineux possédant des longueurs différentes

* *

*

*

variations intrinsèques de la luminosité du quasar ⇒ retard temporel Δτ

obs

Mesure du retard temporel en radio QSO 0957+561 Haarsma et al., 1997, ApJ, 479, 102

Visible: Δτ = 417 ± 3 days

WFI J2033-4723 In collaboration with C.S. Kochanek, C. Morgan, M.E. Eyler, and E.E. Falco

Tewes et al. 2012

A1+A2

B

C

WFI J2033-4723 In collaboration with C.S. Kochanek, C. Morgan, M.E. Eyler, and E.E. Falco

Tewes et al. 2012, 2014

Time delay from gravitational lensing

•  Time delay between the two images A and B :

lens potentiel from models

÷ H0-1

redshift from VLT

spectroscopy

astrometry from

HST images

time delay from

photometric survey

Step 1 : form of the lensing potential (Hernquist for stars + NFW for DM) Step 2a: MC integration of 3D spherical Jeans equs 2b: lens models 2c: minimize dyn & lensing χ2

Step 3 : estimate H0 (slope of mass profile from model and/or observations)

Status in 2009 : The Hubble constant from quasar time delays

18 time delays ⇒ H0 = 63.4 ± 8.4 km s-1 Mpc-1

HST KP : H0 = 74.2 ± 3.6 km s-1 Mpc-1

Lensing : H0 = 63.4 ± 8.4 km s-1 Mpc-1

11.6 Un outil pour étudier

la matière sombre et

l’énergie sombre

Les amas de galaxies et la matière sombre •  Zwicky, 1933, Helvetica Phys. Acta, 6, 110 mentionne pour la première fois une possible prédominance

gravitationnelle de «matière sombre», invisible, suspectée lors de l’analyse des mouvements de galaxies dans des amas.

Masse / Luminosité = (M/L)V ~ 300 h(M/L)� •  M/L (amas de galaxies) ~ 100 fois plus grands que celui des

populations stellaires bien étudiées, lesquelles ont M/L ≤ 5. •  La matière sombre semble dominer, à grande échelle, tout

l’univers observable.

Convergence et cisaillement Les propriétés locale de l’application plan source – plan lentille sont

décrites par sa matrice jacobienne: A ≡ ∂β /∂θ Avec κ la convergence et γ le cisaillement: La convergence κ induit sur les rayons lumineux une action amplificatrice. L’image possède la même forme que la source, mais de taille différente. Le cisaillement introduit une anisotropie d’intensité γ et d’orientation ϕ.

!!"

#$$%

&

−−!!"

#$$%

&−=

φφ

φφγκ

2cos2sin2sin2cos

1001

)1(A

⇒

Un amas de galaxies comme lentille

•  Tout amas de galaxies, riche ou pauvre, perturbe les images de toutes les galaxies d’arrière plan.

•  Régime fort: les images multiples de quelques galaxies d’arrière plan fortement perturbée fournissent des informations rares et individuellement contraignantes,

•  Régime faible: les images simples de nombreuses galaxies d’arrière plan faiblement perturbée fournissent des informations nombreuses et statistiquement contraignantes,

informations essentielles sur la configuration géométrique du potentiel gravitationnel de l’amas

Cisaillement γ en fonction de la convergence κ Seitz & Schneider, 1997, A&A, 318, 687

Reconstruction de la distribution de masse via les distorsions gravitationnelles

Les amas de galaxies ≡ fortes surdensités de masse Plusieurs approches très différentes pour la détermination des mases des amas de galaxies fournissent des résultats semblables: (i) viriel, via la dispersion des vitesses des galaxies dans l’amas (ii) profil radial, via les observations en rayons X (iii) effet Sunyaev-Zeldovich, via le fond cosmologique de rayonnement thermique (iv) arc et arclets, via le champ de déformations des images ⇓

les quatre estimations indépendantes montrent que pour les amas de galaxies le rapport mass-luminosité (M/L)V ≅ 300 ± 100 h (M/L)�

les amas de galaxies totalement dominés par la matière sombre

depuis environ deux décennies nous vivons

un âge d’or de la cosmologie

prix Nobel récents en physique

2011 : Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, Adam G. Riess 2006 : John C. Mather, George F. Smoot

2002 : Raymond Davis Jr., Masatoshi Koshiba, Riccardo Giacconi

accord complet de la RG avec les observations

(position, multiplicité, luminosité, forme)

seulement si on prend en compte une grande quantité de matière sombre : une des grandes questions de la physique depuis les travaux de F. Zwicky en 1936

Dark matter

Les amas de galaxies ≡ fortes surdensités de masse

Sélectionné par l’ESA le 4 oct 2011 avec un lancement en 2019

73 % Dark Energy

23 % Cold Dark Matter

4 % Atoms

inconnue inconnue

connue

ΩCDM

ΩΛ

Ωb

1) Ωb matière baryonique (attractive) 2) ΩCDM matière sombre (attractive) 3) ΩΛ énergie sombre (répulsive)

Le modèle cosmologique actuel repose sur des bases observationnelles très solides, mais comporte deux composantes inconnues dont la nature devrait révolutionner

la physique fondamentale et notre compréhension de l’Univers

matière sombre et énergie sombre La structure cosmique de la répartition de la matière dans l’Univers provient d’instabilités

gravitationnelles de petites perturbations primordiales qui ont atteint des tailles macroscopiques durant une période initiale appelée inflation

La matière sombre façonne la distribution de la matière visible d’une manière qui reflète la nature de l’énergie sombre. La distribution des galaxies dans un Univers sans énergie sombre (gauche) diffère

de façon mesurable de celle dans un Univers avec énergie sombre (droite).

sans énergie sombre avec énergie sombre

�image colombi IAP �

jhgjhgjhgjg Euclid : relevé dans le visible et le proche infrarouge couvrant 20’000 deg2

optimalisé pour pour deux études cosmologiques primordiales Weak Gravitational Lensing (WL) and Baryonic Acoustic Oscillations (BAOs)

formes et distances 1,5 milliards de galaxies

tomographie de l’Univers

bkhbkhbkhb

Le phénomène de lentilles gravitationnelles induit d’impressionnantes images

de mirages cosmiques

Ce phénomène se révèle extrêmement utile pour étudier l’Univers

Il permet des mesures fondamentales

de paramètres cosmologiques liés à la matière sombre et à l’énergie sombre,

essentiels pour la compréhension de cet Univers

Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction

February 11, 2016 •  For the first time, scientists have observed ripples in the fabric of spacetime called

gravitational waves, arriving at the earth from a cataclysmic event in the distant universe. This confirms a major prediction of Albert Einstein’s 1915 general theory of relativity and opens an unprecedented new window onto the cosmos.

•  Gravitational waves carry information about their dramatic origins and about the nature of gravity that cannot otherwise be obtained. Physicists have concluded that the detected gravitational waves were produced during the final fraction of a second of the merger of two black holes to produce a single, more massive spinning black hole. This collision of two black holes had been predicted but never observed.

•  The gravitational waves were detected on September 14, 2015 at 5:51 a.m. Eastern Daylight Time (09:51 UTC) by both of the twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington, USA. The LIGO Observatories are funded by the National Science Foundation (NSF), and were conceived, built, and are operated by Caltech and MIT. The discovery, accepted for publication in the journal Physical Review Letters, was made by the LIGO Scientific Collaboration (which includes the GEO Collaboration and the Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) and the Virgo Collaboration using data from the two LIGO detectors.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)

LIGO near Hanford, Washington, U.S. The other of the two LIGO installations is near Livingston, Louisiana, U.S.

Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger

B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

On September 14, 2015 at 09:50:45 UTC the two detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory simultaneously observed a transient gravitational-wave signal. The signal sweeps upwards in frequency from 35 to 250 Hz with a peak gravitational-wave strain of 1.0×10−21. It matches the waveform predicted by general relativity for the inspiral and merger of a pair of black holes and the ringdown of the resulting single black hole. The signal was observed with a matched-filter signal-to-noise ratio of 24 and a false alarm rate estimated to be less than 1 event per 203 000 years, equivalent to a significance greater than 5.1σ. The source lies at a luminosity distance of 410+160−180   Mpc corresponding to a redshift z=0.09+0.03−0.04. In the source frame, the initial black hole masses are 36+5−4M� and 29+4−4M�, and the final black hole mass is 62+4−4M�, with 3.0+0.5−0.5M�c2 radiated in gravitational waves. All uncertainties define 90% credible intervals. These observations demonstrate the existence of binary stellar-mass black hole systems. This is the first direct detection of gravitational waves and the first observation of a binary black hole merger.

Two Black Holes Merging This video looks at what you might see when viewing the black hole merger directly. This is a

physically accurate gravitational lensing visualization of the last few orbits of a binary black hole merger. The camera is above the orbital plane of the merger, looking down. The mass

ratio is 3 to 1. The large black hole has a dimensionless spin of 0.7, whereas the small hole's dimensionless spin is 0.3, with both spins in arbitrary directions.

Ondulations de l’espace-temps détectées par LIGO

Une fois de plus, la Nature semble en parfait accord avec les prédictions de la RG

« The eternal mystery of the world is its comprehensibility »

Albert Einstein (1879-1955) « Out of my late years » 1950