mise à jour le 9
Novembre 2005
CONFÉRENCE
"GRAVITATION ET COSMOLOGIE"
Par NATHALIE
DERUELLE
de l'Institut des Hautes Études Scientifiques (IHES)
Organisée par
l'IAP
98 bis Av Arago,
Paris 14 ème
le mardi 8 Novembre 2005
Photos : JPM.pour
l'ambiance
BREF COMPTE RENDU
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Un public très
nombreux, comme toujours à l'IAP |
C'est Jean
Eisenstaedt qui comme à l'habitude présente la conférencière de ce soir. |
Nathalie Deruelle,
que nos lecteurs des Astronews et de la SAF connaissent bien, nous présente ce
soir en avant dernière conférence du cycle Einstein, une synthèse entre
gravitation et cosmologie.
INTRODUCTION
: NOS GLORIEUX ANCIENS.
Quand on parle de
glorieux anciens on commence toujours par les pères fondateurs : les Grecs.
Ils établissaient
une dichotomie entre la Terre (impure?), le monde sub-lunaire d'Aristote et les astres immuables , monde de
l'astronomie et des mathématiques.
Cette
différenciation a malheureusement duré près de 20 siècles (je me permets
d'ajouter que certains Grecs avaient d'autres idées bien plus révolutionnaires
comme Aristarque de Samos par exemple, mais ils étaient en minorité).
La révolution vint
de Copernic, homme d'église (ce qui lui posa des cas de conscience) qui le
premier en 1543 plaça le soleil au centre de ce que l'on appelait le Monde à
l'époque, c'est à dire le système solaire. Il donnait en fait un changement de
perspective et de mentalité. Et Galilée premier physicien lui emboîta le pas en
étant le premier à tourner sa lunette vers le ciel, où il découvrit des mondes
similaires à ce qu'annonçait Copernic : ce sont les petits corps qui tournent
autour des gros et non pas le contraire.
Mais c'est le
petit génie, Newton qui fit la synthèse de tout cela avant la trentaine : la
Lune qui tourne autour de la Terre et la pomme qui ne lui est (probablement)
jamais tombée sur la tête obéissent à la même loi : la gravitation qui va
devenir universelle.
Il mit vingt ans à
formaliser cela mathématiquement pour arriver aux formules qu'on apprend
maintenant dans les écoles.
Cette physique que
l'on va appeler newtonienne va durer 250 ans et va mener à beaucoup de succès,
comme la découverte de Neptune par Adams et Le Verrier (c'est une aventure
extraordinaire que
vous pouvez revoir) gloire aux math newtoniennes.
Mais il y avait
quand même quelques problèmes comme par exemple :
L'avance anormale
du périhélie (point le plus rapproché du Soleil) de Mercure ou la vraie nature
de la lumière : ondes ou corpuscules?
LA
RÉVÉLATION RELATIVISTE.
C'est notre ami
Albert Einstein qui eut le premier la révélation.
La loi de
composition des vitesses n'est valable que dans notre monde terrestre mais non
plus au niveau du système solaire et de l'Univers, la vitesse de la lumière est
invariante.
C'est la
relativité que l'on appelle restreinte (special relativity en anglais) par
opposition à la générale qui va suivre; nous sommes en 1905, il y a 100 ans, le temps devient une dimension comme les autres.
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Les
transformations de Lorentz mettent Einstein sur la voie. |
Équation
d'Einstein de la relativité générale. |
La relativité
générale (1915) est un grand succès, pourquoi générale d'ailleurs ; car elle
inclut maintenant la gravitation, l'espace temps est courbe, le théorème de
Pythagore n'est plus rigide.
Le facteur G de la
formule d'Einstein représente la métrique de l'espace temps.
Les succès de la relativité
générale ne se font par trop attendre :
L'éclipse de
Sobral permet de valider cette théorie :la masse déforme les rayons lumineux
L'avance du
périhélie de Mercure est parfaitement expliquée.
Les redshift sont
expliqués (déviation vers le rouge des corps qui s'éloignent de nous)
L'effet Shapiro :
ralentissement d'un signal passant près d'une masse importante.
Étoiles compactes
et trous noirs.
Plus à notre
époque : le GPS ne fonctionnerait pas sans l'intervention des équations
d'Albert.
Une nouvelle
fenêtre s'offre aussi à nous : les ondes gravitationnelles , voir conférence
d'Alain Brillet sur ce sujet.
Les
pulsars binaires émettent des ondes gravitationnelles qu'on espère pouvoir
détecter sur Terre (LIGO, VIRGO) ou dans l'espace (LISA) et confirmer ainsi un
des derniers éléments de la théorie d'Einstein.
N Deruelle nous
montre aussi à cette occasion une petite animation de ces pulsars faite par
Jophn Rowe animation dont je vous donne quelques coordonnées
Animation des pulsars
binaires (3,3MB en mpeg).
Coalescence
des pulsars binaires. (5MB en mpeg)
LES
DÉFIS DE LA COSMOLOGIE OU LES LIMITES DE LA RELATIVITÉ GÉNÉRALE.
Le premier modèle
d'Univers d'Einstein était sphérique et statique, donc fermé, mais ses fameuse
équations n'avaient pas de solutions de ce type aussi tout monde le sait
maintenant il a rajouté un terme afin de satisfaire ces conditions, la fameuse
constante cosmologique.
Lemaître et
Friedmann ont eu eux l'idée d'un Univers dynamique, ce qui s'est avéré vrai.
Hubble proclame
l'expansion de l'Univers, les galaxies semblent s'éloigner à une vitesse
proportionnelle à leur distance.
Puis Gamov fait
intervenir la densité de lumière et la température.
On en déduit ce
que l'on appelle le Modèle Standard du Big Bang
(voir schéma
ci-contre) qui va être accepté jusqu'aux années 1970.
Les principaux
axiomes en sont :
La matière est
poussière et lumière
L'Univers est homogène et isotrope
La gravitation est décrite par la
relativité générale
Les lois de la physique sont universelles
En conséquence, il
s'est produit :
Un "Fiat Lux" à 3000°K
(l'univers devient transparent)
Et une expansion
Création des éléments légers.
L'Univers en
entier devient un laboratoire;
Pour plus de
détails voir la conférence de JP Luminet sur
l'histoire du Big Bang.
À la fin des
années 1970, les paramètres cosmologiques sont données sur cette diapo de
Nathalie Deruelle :
En résumé,
l'Univers est fermé et devrait s'éteindre dans 60 milliards d'années.
Mais dans les
années 1980 on se pose des questions fondamentales comme par exemple : comment
se sont formées les galaxies, car avec le modèle standard, les fluctuations de
matière ne croissent pas assez vite.
La fin du XXème
siècle est propice à de nouvelles missions spatiales (COBE, WMAP) et à des
mesures plus précises du ciel si bien que l'on arrive maintenant à des facteurs
cosmologiques totalement différents comme sur la photo suivante.
Les
valeurs de densité (les oméga)
commencent à être bien déterminées maintenant grâce à WMAP, Hubble, les
mesures de Super Novae etc… ce qui est résumé sur la diapo suivante:
Soudainement,
nous, la matière ordinaire (baryonique) devenons quantité négligeable : 4% de
l'Univers!
L'univers est
dominé par une énergie inconnue, l'énergie noire qui occupe 70% de
l'inventaire. C'est la constante cosmologique qui donne maintenant l'évolution
de l'Univers.
Mais de nombreuses
questions restent posées, sur l'origine des fluctuations mesurées du CMB par
exemple, car ces fluctuations sont minimes (10-5) donc de valeurs
très proches en tous les endroits de l'Univers, endroits qui peu après le Big
Bang n'avaient pas de lien entre eux , alors comment une telle homogénéité
a-t-elle pu naître?
Ce problème ainsi
que beaucoup d'autres est résolu par la théorie de l'inflation que vous pouvez
voir en détails sur ce compte rendu de la conférence spécifique faite par N Deruelle
à la SAF il y a quelques temps.
Je ne m'y
attarderai donc pas trop.
L'Univers a
commencé par une brève période d'inflation qui a dispersé toute la matière
présente.
Seules des
fluctuations inévitables du vide quantique ont subsisté, et ont été énormément
amplifiées.
À la fin de cette
période, ces fluctuations de température du bruit de fond, donc fluctuations de
densité de matière ont été la graine des galaxies naissantes et leurs marques
est visible dans le CMB.
Le moteur de cette
inflation serait d'après Andrei Linde son principal concepteur, une particule
que l'on cherche toujours : l'Inflaton.
En allant plus
loin : l'Univers à très grande échelle serait chaotique et éternel, mais si
j'ai bien compris nous n'avons aucune chance de le vérifier. Notion très
controversée.
Fin de l'exposé
brillant.
Plein de questions
sont posées à Nathalie Deruelle qui y répond volontiers.
Merci Nathalie
pour cette excellente soirée, à la prochaine fois.
POUR
ALLER PLUS LOIN.
Voie le dossier
cosmologie du site.
Inflationary
Cosmology, large structures etc.. présentation
Power Point (PPT) en anglais de 3,11MB
The
expanding Universe par l'Université de Californie, présentation PPT en
anglais de 3,8MB, génial, l'histoire du CMB et des densités de matière et
énergie et leur influence sur la forme de l'Univers. Un peu technique mais bien
fait.
The accelerating
Universe cosmologie et le projet
SNAP, de l'Université de Berkeley
présentation PPT en anglais de 4,47MB
C'est tout pour
aujourd'hui!
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin www.planetastronomy.com