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)

2  

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

3  

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

5  

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

6  

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…

7  

Λ  devient  inuJle  

Les trois piliers du Big Bang chaud#

8  

#  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

13  

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

14  

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#

15  

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.)            

16  

17  

Lʼaccélération de lʼexpansion cosmique#

18  

 ─   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…

27  

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?

32  

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