Mise à jour 25 Septembre 2017

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 «À LA RECHERCHE DE L’UNIVERS INVISIBLE»

Par David ELBAZ

CEA-Saclay/DSM/DAPNIA/Service d’Astrophysique

À TelecomParisTech 46 rue Barrault Paris 13.

Le Vendredi 22 Septembre 2017 à 19H00  Amphi Thévenin

Photos : JPM et DB pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

Univers-invisible-Elbaz-SAF.pdf, qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2017-2018. . 

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet

On la trouve à cette adresse   https://www.youtube.com/playlist?list=PL1ZHG2CIuv2fRyqNgatSCrCxLWfnj_yo9

Cette nouvelle saison voit une nouvelle salle (300 places maintenant) nous accueillir à TelecomParisTech et un nouveau jour, le Vendredi.

Afin de fêter dignement ces nouvelles dispositions, David Elbaz a bien voulu l’inaugurer avec nous en présentant une séance spéciale qui sera suivi de dédicaces de son livre le plus récent : "À la recherche de l'univers invisible: matière noire, énergie noire, trous noirs" aux éditions Odile Jacob.

À lire absolument !

Il a présenté une conférence un peu analogue à l’IAP il y a quelques temps, je vais reprendre en partie mon compte rendu de l’époque.

Comme on peut lire sur son site :

David Elbaz, astrophysicien, est directeur de recherche Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA Saclay), où il dirige le laboratoire Cosmologie et Évolution des Galaxies. Il est conseiller scientifique auprès de l'agence spatiale européenne pour la sélection de ses futures missions spatiales (ESA, AWG) et membre du Comité d'évaluation sur la recherche et l'exploration spatiales pour le centre national d'étude spatiales (CNES).

Spécialisé dans l'étude de la formation des galaxies, David Elbaz est auteur/co-auteur de 235 publications dont plus de 60 avec plus de 100 citations. Ses travaux sur la formation des galaxies ont été primés par le Prix Chrétien de la Société Américaine d'Astronomie (2000). Il enseigne un cours sur la formation des galaxies au master M2 Astronomie & d'Astrophysique de Paris.

Parallèlement à ses activités de recherche en astrophysique, il travaille à la diffusion des connaissances scientifiques.

L’histoire des sciences n’est que l’évolution de questions de point de vue, en particulier pour l’astronomie :

Notamment en ce qui concerne notre monde observable :

On est en effet passé du géocentrisme de Ptolémée à l’héliocentrisme de Copernic, où la Terre n’était plus le centre du monde.

Ensuite on est passé d’un monde concentrée sur la Terre et les planètes aux autres étoiles grâce à la méthode de la parallaxe permettant de mesurer la distance des étoiles lointaines (Bessel en 1838).

Coïncidence et changement de paradigme, comme l’indique David.

·         1ère étrange coïncidence: les planètes tournent de façon synchrone nouveau point de vue: c’est nous qui nous déplaçons
Implication: Soleil = centre de masse à découverte de la gravitation universelle

·         2ème étrange coïncidence: analogie parfaite entre la gravité et l’accélération nouveau point de vue: la gravité dépend du mouvement
Implication: gravité = propriété de l’espace-temps à découverte de la relativité générale

·         Une 3ème étrange coïncidence…les étoiles et les galaxies se déplacent trop vite nouveau point de vue: la gravité change ?
Implication: découverte d’une nouvelle théorie de la gravité ?

Cette troisième coïncidence est liée à la personnalité « complexe » d’un astrophysicien hors pair Fritz Zwicky.

Dans les années 1930, une discussion s’engage au Caltech (Pasadena Californie) entre le prix Nobel Robert Millikan et son étudiant arrivé de Suisse Fritz Zwicky, celui-ci n’ayant jamais sa langue dans sa poche et possédant une haute opinion de lui-même (justifiée d’ailleurs !). Il n’hésite pas à lui dire : j’ai lu toutes les conférences et articles e votre part et je n’y trouve aucune idée originale.

Millikan répond, très bien et vous-même ? Nommez le sujet et je vous apporte une idée nouvelle la concernant.

Alors, dit-il, consacrez vous à l’astrophysique !

Et c’est ainsi qu’un des cerveaux les plus brillants du XXème siècle se tourna vers cette discipline, en commençant par les mystérieux rayons cosmiques.

Et au cours de cette recherche Zwicky allait mettre le doigt sur la mystérieuse matière qui allait être baptisée de noire.

En cherchant les sources d’énergie de ces fameux rayons cosmiques, il se met en quête des sources les plus puissantes, et il pense tout de suite aux novæ, ces fins explosives d’étoiles massives. Il en découvre d’ailleurs de très lumineuses, qu’il baptise du nom qui est resté : supernovae. Sa luminosité est beaucoup plus importante que toutes les étoiles de la galaxie hôte.

Mais ce phénomène étant très rare, il lui fallait augmenter son champ de vision afin d’englober énormément de galaxies pour augmenter la probabilité d’apparition d’une SN.

C’est ainsi qu’il se retrouve au Mont Wilson à observer l’amas de Coma, situé à 320al de nous et contenant plus de 1000 galaxies.

Il constata que quelque chose n’allait pas, les galaxies extérieures au lieu d’avoir tendance à s’échapper (leurs vitesses étant de 1000km/s), restaient maintenues à l’intérieur comme si une masse invisible exerçait sa gravité.

En se basant sur le théorème du Viriel, il put estimer la masse nécessaire pour empêcher les galaxies externes de s’échapper et maintenir une certaine cohésion. C’était très important et invisible (6 fois plus que de visible après correction).

Cela prendra le nom plus tard de matière noire.

La communauté scientifique ne prêta aucune attention à cette découverte, probablement dû au caractère un peu « spécial » de Zwicky.

Il faudra attendre Vera Rubin (décédée à Noël 2016)

C’est dans les années 1970 qu’elle s’intéresse aux dires de Zwicky et découvre la présence de cette étrange matière autour des galaxies. Elle va publier le résultat de ses recherches, et attendra toute sa vie un Prix Nobel qui ne viendra pas !

La matière serait composée à 85% de matière invisible et de 15% de matière lumineuse.

Bien entendu, on ne connaît pas la composition de cette mystérieuse matière noire.

Et c’est dans les années 1990 que des astronomes (Perlmutter, Riess et Schmidt) s’intéressant au destin de l’Univers, découvrent en étudiant les super novæ lointaines, qu’elles ne sont pas à la bonne place. Elles sont plus loin que prévu !

L’espace semble s’être dilaté plus vite que prévu ; en fait ils viennent de découvrir que l’expansion de l’Univers est ….accélérée !

Nous serions maintenant au cœur d’une nouvelle inflation.

Graphe représentant le taux d’expansion de l’Univers (vertical) en fonction du temps cosmique (échelle log). L’accélération se serait produite vers les 6,5 milliards d’années (Gans).

Qui ou quoi est la cause de cette accélération ? Quand les physiciens ne savent, ils utilisent l’adjectif « noir ».

Ce serait une mystérieuse énergie noire !

David Elbaz présente ensuite un tableau très intéressant concernant les prévisions scientifiques et les mises au jour de ces prévisions.

Voilà une belle analogie de représentation de la composition de l’Univers.

Aujourd’hui, on est capable de déterminer ces compositions à :

·         5% de matière visible

·         27% de matière noire

·         68% d’énergie noire.

La taille de l’Univers

Sur cette représentation, on voit de façon très intéressante l’évolution de la taille de l’Univers visible.

·         À l’époque du CMB (nous étions âgés de 380.000 ans après le BB) l’Univers s’étendait alors jusqu’à 42 millions d’al (ça se calcule d’après les lois physiques)

·         À notre époque, ce volume a augmenté dû à l’expansion, si nous sommes âgés de 13,8 milliards d’al (Gal), la taille de l’Univers a cru jusqu’à 45 Milliards d’al (Gal) approx. c’est l’Horizon cosmologique.

L’Univers est homogène à 0,001% près !

La fabuleuse histoire de l’Univers est résumée par David Elbaz avec cette slide.

La matière noire est indispensable, sans matière noire, on ne peut pas former les galaxies ; mais trop de matière noire donnerait une plus grande efficacité à la formation des galaxies, il y en aurait trop, et ce n’est pas ce que l’on constate.

Il semble bien qu’il y ait une compétition entre matière noire et trous noirs comme représenté sur le graphique.

Tout cela nous mène à John Wheeler et Jacob Bekenstein discutant de désordre et entropie autour d’une tasse de café.

L’entropie, introduite par Boltzmann caractérise le degré de désordre de la matière. Le deuxième principe de la thermodynamique stipule qu’un système physique évolue toujours vers une augmentation de l’entropie.

Comment relie-t-on cela aux trous noirs ?

Un trou noir possède un horizon, zone de non retour entourant la singularité. La surface définie par cet horizon, croit quand la masse du TN augmente.

Bekenstein a l’idée d’appliquer la Mécanique Quantique à la surface du trou noir.

Il divise la surface du TN en petits paquets (comme les quantas) de longueur de Planck, qu’il appelle cellules de Planck.

L’entropie du TN était lié en fait au nombre de cellules de Planck de la surface.

Il publie ses idées en 1973

L’Univers serait ainsi peut être …un hologramme comme le pense Leonard Susskind !

Mais une entropie implique que le TN devait avoir …une température et donc devait rayonner.

Ce qui mène ainsi par un autre rayonnement au fameux rayonnement de Hawking.

Encore plus fort : la gravité serait un phénomène émergent !

L’idée est celle-ci : et si la gravité n’apparaissait qu’aux échelles macroscopiques et non pas au niveau des particules élémentaires, elle serait une propriété émergente, une force entropique et non plus une des quatre forces fondamentales ? C’est Ted Jacobson qui émit cette idée en 1995 ; idée reprise un peu plus tard par le physicien indien Thanu Padmanabhan.

Il pense que l’accélération de l’expansion de l’Univers provient de notre méconnaissance de la gravité, qui devrait en fait être traitée comme une force émergente.

Ceci impliquant aussi à ses yeux un univers holographique.

Bizarre bizarre…..affaire à suivre absolument.

À méditer :

Le monde est un endroit fou et la façon dont il est organisé est assez folle, mais nous devons être assez fous si nous voulons vraiment le comprendre...

John Wheeler

POUR ALLER PLUS LOIN :

Habitons-nous un trou noir ? : CR conf SAF (cosmologie) avec D Elbaz du 24 Sept 2016

La formation des galaxies : CR de la conférence SAF de David Elbaz du 13 nov 2013

Théorème du viriel et masse de la Voie Lactée  cours de D Elbaz.

La densité moyenne de matière par le LAPTH (Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique).

Les trous noirs primordiaux, site inconnu.

Trous Noirs Primordiaux et Matière Noire par « ça se passe là haut »

Les micro trous noirs primordiaux, article de Pour la Science.

Allégorie de la caverne de Platon chez Wikipédia.

Entropie (thermodynamique)

Astrophysical and cosmological consequences of primordial black holes par Bernard Carr Queen Mary University London

Thermodynamique du trou noir par N Rumiano

Le physicien Thanu Padmanabhan remporte son pari sur l’énergie noire

Theoretical physics: The origins of space and time, article de Nature

Prochaine conférence mensuelle de la SAF : Vendredi 13 Octobre  19H00  

CONFÉRENCE DE FRÉDERIC DAIGNE  Astrophysicien IAP SUR

« CONTREPARTIES LUMINEUSES AUX ONDES GRAVITATIONNELLES»

Entrée libre mais réservation obligatoire. (Vigipirate) À partir du 23 Septembre 2017  

Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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