mise à jour le 10
Juillet 2006
CONFÉRENCE
"DÉFAUTS TOPOLOGIQUES ET UNIVERS PRIMORDIAL"
Par Mairi
SAKELLARIADOU
King's College
London,
Organisée par l'IAP
98 bis Av Arago,
Paris 14 ème
le
mardi 4 Juillet 2006 à 19H30
Photos : JPM.pour
l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées
directement)
BREF COMPTE RENDU
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|
Par
ce mardi beau et chaud (contrepétrie belge!) de coupe du monde de Football,
amphi quand même relativement plein (Mr Mouette il faut demander un budget pour
de l'air conditionné!) pour écouter Mairi Sakellariadou du King's Gollege de
Londres, une des plus vieilles universités (attention au faux ami en anglais
"college" veut dire université ou faculté!!, le collège au sens
français du terme c'est school et le lycée high school!!) fondée justement par
le roi George IV.
Pour information
James Clerk Maxwell venait du King's College.
Mairi Sakellariadou va nous parler ce soir dans le cadre du colloque sur la cosmologie
inflationnaire organisée par l'IAP, des
défauts topologiques et de leurs liens avec l'Univers primordial.
LE
MODÈLE DU BIG BANG.
Mairi commence son
exposé par une description du modèle actuel du Big Bang que nos lecteurs
connaissent bien et qui est résumé en ces quelques lignes.
Principe
cosmologique : à grande échelle (ce qui veut dire à l'échelle des distances
entre galaxies), l'Univers est le même dans toutes les directions.
Une illustration
est cette image de l'APM
Galaxy Survey qui donne une idée de l'immensité et de la répartition des
galaxies, cette photo représente une largeur de ciel de 30°.
Le modèle actuel
du Big Bang décrit surtout ce qui s'est passé après. Il décrit comment
l'Univers chaud et dense s'est dilaté et s'est refroidi.
Il ne dit rien de
ce qui à explosé et dans quoi.
L'Univers
primordial était très chaud, la température est liée à la longueur d'onde des
photons émis (loi de Boltzmann) :
·
les objets
chauds ont des courtes longueurs d'onde (grande énergie) et
·
les objets
froids ont des longues longueurs d'onde (plus faible énergie).
La lumière des
objets célestes est importante car c'est à peu près tout ce qu'on reçoit comme
information des étoiles et galaxies.
L'Univers en se
dilatant se refroidit et les galaxies s'éloignent de nous à une vitesse
proportionnelle à leur distance (loi de Hubble- Lemaître) ceci donne naissance
au phénomène de décalage vers le rouge (red shift).
L'Univers est
encore plein d'une radiation qui est le résidu de la chaleur dégagée par le BB,
c'est le fond
diffus de radiation cosmologique (ou CMB en anglais) qui vaut aujourd'hui
2,7K (-270°C), l'Univers est donc …..froid dans son ensemble.
Pour information 4
10-12 sec après le BB, sa température était de l'ordre de 3 1015
K!!!
L'Univers est à ce
moment là une soupe de particules élémentaires et d'anti-particules dans un
état condensé et chaud dans ….une tête d'épingle.
Tout
dans l'Univers vient de cette soupe primordiales, nous aussi.
300 ou 400.000 ans
après le BB, l'Univers se calme et il devient transparent, c'est l'image de
cette époque que nous avons aujourd'hui avec le CMB, pour voir plus loin dans
le passé; on ne peut que faire des calculs théoriques.
La physique des
particules élémentaires qui est TESTÉE ET VÉRIFIÉE
dans les accélérateurs de particules, peut nous emmener jusqu'à 10-10
sec après le BB.
Pour voir plus
près encore du BB il faudrait utiliser l'Univers même comme ultime accélérateur
de particules.
PROBLÈME
AVEC LE MODÈLE STANDARD.
La température du
fond diffus est étonnement homogène , 1 partie pour 100.000 dans toutes les
directions, or la lumière a été émise quelques centaines de milliers d'années
après le BB, c'est à dire à une période où l'information n'aurait pas pu
parcourir (limitée par la vitesse de la lumière) plus de 1° d'arc dans le ciel
de l'époque.
Dans l'Univers
primordial, des régions de cet Univers séparées par une distance plus grande
que celle que la lumière aurait pu parcourir, ne peuvent donc rien savoir l'une
de l'autre.
Donc quand on
observe des régions du ciel éloignées, elles sont en fait bien plus distantes
que les 300 ou 400.000 ans.
Il ne s'est donc
pas passé assez de temps pour des informations aient pu passer d'une région à
l'autre, alors comment expliquer l'homogénéité de la température entre ces
régions? D'où le problème!
Ceci
a donné naissance au célèbre modèle de l'inflation
qui s'est rajouté au Big Bang, il a été élaboré par A Linde et A Guth en 1981,
qui sont d'ailleurs les invités de ce colloque sur la cosmologie inflationnaire
à l'IAP il y a quelques jours. (the first 25 years
of the inflation cosmology)
(Photo d'écran de
Alan Guth pendant sa présentation sur l'historique de l'invention de
l'Inflation prise pendant le retransmission vidéo du colloque).
À son début
l'Univers était dominé par la matière exotique ce qui a provoqué une expansion
très rapide, analogue à une gravité répulsive.
L'échelle de
l'Univers change de 1040 en l'espace de 10-32 secondes,
l'Univers mesurait 1cm!
La
conséquence d'une telle expansion rapide : elle a aplati l'espace et l'a
homogénéisé comme on le voit avec cet exemple d'une fourmi marchant sur un
ballon.
Après cette
période inflationnaire, la quantité d'énergie a réchauffé l'Univers et a
produit après condensation la matière que l'on voit aujourd'hui.
Les très faibles
irrégularités locales ont servi de point de condensation pour la formation des
galaxies.
Pendant le premier
million d'années c'est l'ère des photons ensuite la matière prend le relais
avec la formation des grandes structures.
BRISURE
DE SYMÉTRIE ET FORMATION DE DÉFAUTS TOPOLOGIQUES.
En introduction,
pour faire comprendre la notion de brisure de symétrie, Mairi Sakellariadou
nous propose une comparaison avec une table dressée pour le dîner.
Il
y a autant d'assiettes que de couverts, mais la question se pose: doit on
prendre les couverts de droite ou les couverts de gauche (je dois avouer que
généralement c'est avec l'assiette à pain que le problème se pose pour moi), la
disposition est symétrique entre la gauche et la droite de chaque invité.
Lorsque quelqu'un décide de prendre un des couverts, il y a brisure spontanée
de symétrie.
Mais il est
possible (dîner de cosmologistes!!) que votre voisin de droite prenne le
couvert à sa gauche et votre voisin de gauche le couvert à sa droite, alors
vous n'avez plus de couverts pour vous, c'est un défaut
topologique.
De telles brisures
de symétrie existent dans la vie courante, par exemple, l'eau.
Liquide l'eau est
symétrique, elle a le même aspect dans toutes les directions. En baissant la
température, elle devient glace, c'est un changement de phase, les cristaux de
glace ne sont pas symétriques, ils ont une direction préférentielle; il y a
perte de symétrie.
De même si on
observe la surface d'une étendu d'eau qui a gelé en hiver, elle n'est pas
parfaitement uniforme, la congélation ne s'est pas faite d'une seul tenant, ces
défauts sont analogues à des défauts topologiques.
En cosmologie,
c'est similaire, les transitions de phase amènent des défauts topologiques qui
peuvent être de deux ordres :
·
du 1er
ordre : dramatiques
·
du 2ème
ordre : en douceur
Les transitions du
premier ordre se produisent par la formation de bulles de la nouvelle phase qui
apparaît au milieu de l'ancienne et qui grossissent jusqu'à remplir tout
l'espace.
Les transitions du
deuxième ordre ont pour caractéristique que l'ancienne face se transforme d'une
manière continue.
BRISURE
SPONTANÉE DE SYMÉTRIE DANS L'UNIVERS PRIMORDIAL.
Les symétries qui
sont brisées à très basse température ne le sont pas habituellement à haute
température.
Si la température
de l'Univers à son début était suffisamment haute, il aurait subit une
transition de phase lors de son expansion et de son refroidissement.
On pense qu'il
s'est produit un certain nombre de transitions de phase avec brisure de
symétrie dans l'Univers primordial, qui auraient pu conduire à la formation de
défauts topologiques.
La séparation des
forces de l'Univers lors de la baisse de température, correspond à une telle
brisure de symétrie.
Revenons
à notre exemple de la table avec les couverts, il y a deux choix possibles :
gauche et droit; il y a donc des frontières entre les régions de choix
différents, ce sont les murs de domaine ("domain walls" en anglais).
Que se passe t il
si il y a plus de choix possibles?
À cet effet notre
conférencière nous cite une analogie pour nous faire comprendre; une pendule et
les fuseaux horaires.
En principe on
pourrait prendre n'importe quelle heure comme heure locale dans chaque pays ou
ville, mais pour éviter des problèmes, on choisit une convention qui fait que
l'heure est la même dans tout le pays. De même à l'échelle mondiale, on créé
les fuseaux horaires par convention et par commodité.
Les fuseaux
horaires correspondent à une brisure spontanée d'une symétrie continue, il
apparaît alors des singularités aux Pôles (ou des vortex). Autour de chaque
pôle le fuseau horaire change de 24 heures le long d'un chemin fermé autour du
pôle.
Le fuseau horaire
n'est pas défini autour du pôle, la symétrie est restaurée.
LES CORDES
COSMIQUES.
Une corde cosmique
est un défaut topologique à une dimension dans la structure même de
l'espace-temps.
Elles se
produisent quand des régions différentes de l'espace sont soumises à des
transitions de phase entre différents domaines qui se rencontrent.
Les cordes
cosmiques auraient joué un rôle prédominant dans l'évolution cosmologique. Ces
défauts topologiques seraient issus d'un changement de phase trop rapide (donc
imparfait) de l'Univers, peu après le Big Bang.
Remarque : une
corde cosmique (cosmic string) n'a rien à voir avec les cordes de la théorie
des cordes (string theory), c'est dommage d'avoir choisi le même nom, mais
enfin il est trop tard.
Il n'y a pas
encore d'observations de cordes cosmiques, ce n'est qu'une hypothèse pour le
moment.
Seul le calcul
théorique semble prouver leur existence.
Des défauts
topologiques se forment aussi au cours de transitions de phase dans certains
systèmes de matière condensée comme les superconducteurs ou les superfluides.
Exemple : la superfluidité de l'Hélium
3.
Quand il est
superfluide à très basse température (très proche du zéro absolu), l'He3 ne se
comporte plus comme un liquide normal avec des molécules indépendantes, il se
comporte comme si les molécules étaient liées entre elles, il se produit
localement des vortex, des tourbillons, ce sont en fait des défauts. Ces zones
là ne reviennent pas immédiatement à leur état initial, ces défauts pourraient
être une mémoire de ce qui s'est passé avant.
De même des
cristaux liquides montrent des séries de défauts topologiques.
COMMENT
LES CORDES COSMIQUES ÉVOLUENT ELLES?
L'expansion de
l'Univers étire les cordes.
(dessin tiré de Cambridge Cosmology)
Quand deux longues
cordes se croisent, elles échangent leurs extrémités ou forment une boucle.
Les cordes
cosmiques si elles existent devraient être très fines, de l'ordre du diamètre
d'un proton et auraient une densité énorme.
Ce seraient des
sources d'énergie gravitationnelle.
Une corde cosmique
de 1km de long exercerait une force de gravité plus importante que celle de la
Terre.
Les cordes
cosmiques auraient formé un réseau de boucles dans l'Univers primordial et leur
action gravitationnelle seraient responsables de l'accrétion de matière qui a
donné naissance aux super structures.
Une des
conséquences de cette énorme action gravitationnelle est la formation de
lentilles gravitationnelles bien connues de nos lecteurs.
Les
cordes cosmiques sont étudiées en fait sur des calculateurs qui procèdent à des
simulations numériques, comme nous le montre cette animation que Mairi nous
passe avant sa conclusion.
L'animation a été
effectuée par Christophe Ringeval de l'Université de Genève, on voit les
grandes cordes se couper et donner naissance aux grandes structures de
l'Univers.
CONCLUSIONS.
Pour décrire les
premiers stades de notre Univers, on construit des modèles cosmologiques
inspirés par la physique des particules élémentaires.
Les modèles comme
les cordes cosmiques, donnent des signatures que l'on peut tester en les
comparant avec les observations de l'astrophysique.
Ceci nous permet
de décrire les premiers instants de l'Univers et tester des théories qui
demanderaient des énergies bien au delà de nos possibilités actuelles et même
futures des accélérateurs de particules.
Le modèle des
cordes cosmiques est en accord avec le modèle standard du Big Bang.
On ne
pourra jamais voir une corde cosmiques, on ne peut que constater leurs effets.
Merci pour ce
voyage dans l'extrême!
POUR
ALLER PLUS LOIN.
Un site de base de
l'Université de Cambridge sur les cordes
cosmiques (en anglais), à voir absolument.
Dont notamment
certaines simulations qui sont sur cette page
et sur celle-ci.
Les cordes cosmiques par
l'encyclopédie Wikipedia. (anglais).
Défauts topologiques et fluctuations du rayonnement fossile : de nouvelles
prédictions par l'IAP.
Formation
des grandes structures par des défauts topologiques par l'IAP.
Les cordes
cosmiques par Th Lombry de Luxorion.
La
première seconde de l'Univers par nos amis des Astrofiles.
Les
défauts topologiques par le groupe ultra basses températures de Grenoble.
La conférence de P
Peter sur les
tout premiers instants de l'Univers (cycle Einstein
2005).
Un
livre à lire : DES DÉFAUTS DANS L'UNIVERS;
En se formant sur
un lac, en hiver, la glace montre des petites imperfections en zigzag dues à la
congélation indépendante des différentes parties de sa surface. Les physiciens
appellent ce type de phénomènes des " défauts topologiques ".
De façon analogue,
l'expansion et le refroidissement de l'Univers primordial, où régnaient des conditions
exceptionnelles inaccessibles à nos technologies, n'ont sans doute pas pu se
dérouler uniformément et des défauts cosmiques ont dus être générés.
Bien sûr,
l'approche de ces défauts requiert la compréhension des diverses branches de la
physique, mais les connaissances les plus pointues en la matière sont ici
exposées en termes clairs et sans équations, et ainsi rendues accessibles, pour
la première fois, à un large public.
Sont mises en
valeur les données les plus récentes obtenues tant par des observations
astrophysiques que par des expériences mettant en jeu des matériaux peu
ordinaires, à la base des futures technologies, ou encore par des simulations
numériques, purement théoriques. Le grand nombre d'illustrations associées au
texte permet d'en comprendre les difficultés, jamais techniques mais souvent
conceptuelles
Ces fascinants objets théoriques, fruits de l'union de la physique des
particules élémentaires et de la théorie de l'expansion cosmologique,
conjonctions entre le monde de l 'infiniment petit et celui de l 'infiniment
grand, peuvent nous permettre de mieux comprendre le comportement de la nature
à des énergies extrêmes. Ils pourraient aussi être responsables de la formation
des grandes structures (galaxies, amas de galaxies...) présentes dans
l'Univers. Pourrons-nous jamais les observer ? L'avenir nous le dira..
Sommaire du livre
:
C'est tout pour
aujourd'hui!
Bon ciel à tous
Jean Pierre Martin
http://www.planetastronomy.com/