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Mise à jour le 15 Août 2009
SÉMINAIRE SUR L’UNIVERS INVISIBLE
Organisé par l’Observatoire de Paris (LUTH)
Conférence de Jean-Michel ALIMI, Astrophysicien,
Directeur de Recherche au CNRS, Dr du Laboratoire Univers et Théories de l’Observatoire de Paris, LUTh, Meudon, sur
«L’ ÉNERGIE NOIRE, LE MYSTÈRE DU XXème SIÈCLE,
VERS UN NOUVEAU PARADIGME ?»
Le 8 Juillet 2009 à L'UNESCO.
 
Remarque : Cette conférence fait partie d’un ensemble de conférences données à l’occasion de ce séminaire, dont on peut consulter le compte rendu sur ce site.
Photos : JPM. pour l'ambiance. Voir les crédits des autres photos éventuelles.
Je ne propose que des comptes rendus succincts de ces conférences, le site Univers 2009, dédié aux manifestations de l'Univers Invisible devrait mettre en ligne bientôt le texte de toutes les conférences.
NOTA : j'ai fait de nombreuses photos en haute résolution que je ne peux pas mettre sur le site question volume, ceux qui seraient intéressés par certaines photos en plus haute définition que celles qui suivent n'ont qu'à me contacter, je les envoie par e-mail.
 
La présentation de JM Alimi est disponible en pdf sur le Net, merci à lui !
 
 
 
JM Alimi est l’organisateur de ce séminaire, il va nous parler des résultats des travaux de son équipe concernant l’énergie noire.
 
L’énergie noire est un des principaux défis de la physique et de l’astrophysique modernes.
 
Que sait-on ?
·        De nombreuses observations suggèrent fortement que l’expansion de l’Univers s’accélère, c’est un fait.
·        Quelle est la cause de cette accélération et que nous enseigne-t-elle ?
·        Quelles nouvelles questions vont émerger ?
 
 
 
 
 
 
 
LES PRINCIPES FONDAMENTAUX DE NOTRE PARADIGME COSMOLOGIQUE.
 
Le principe de covariance généralisée (ou principe de relativité, les lois physiques sont les mêmes dans tous les référentiels).
 
En mécanique classique, c’est le principe de Galilée qui prévaut, il établit le lien entre deux référentiels en mouvement uniforme l’un par rapport à l’autre.
 
En relativité restreinte (RR), les transformations de Lorentz laissent invariant le temps propre de Minkowski.
 
En relativité générales (RG), les équations préservent leur forme sous une transformation générale des coordonnées.
 
 
Le principe d’équivalence.
 
Il établit l'égalité entre masse inertielle (résistance au mouvement, celle de F= M Γ) et la masse "grave" (interaction gravitationnelle, celle de F = k MM'/d2).
 
Cette égalité a été vérifiée à 10-12 près !!
 
On définit aussi :
 
·        Le principe d’équivalence faible (ou principe d’Einstein), de la RR, propriété géométrique de l’espace temps
·        Le principe d’équivalence fort, généralise le principe d'Einstein ; localement, les effets d'un champ gravitationnel sur toute expérience, même portant sur la gravitation sont identiques aux effets d'une accélération du référentiel de l'observateur
 
Ces deux principes fondent la Relativité Générale.
 
Lien entre la géométrie de l’espace (partie gauche) et l’énergie (partie droite).
 
La constante lambda décrit localement l’espace, seule la courbure de l’espace-temps est effective.
 
 
Le principe cosmologique (ou de Copernic):
·        Nous n’occupons pas de place privilégiée dans l’Univers.
·        L’Univers est homogène et isotrope aux grandes échelles (> 100 Mpc).
 
Le principe de covariance généralisé, le principe d’équivalence, le principe cosmologique et le modèle standard de la physique nous amènent à définir ce que l’on appelle le modèle de concordance, appelé ainsi car il est concordant avec toutes les observations.
 
Ce modèle se veut être une représentation de la réalité :
 
·        Il établit l’histoire de l’Univers, et montre une complexité croissante au cours de cette évolution,
·        Il rend compte des propriétés de notre Univers, de la taille de l’Univers observable à celle d’un espace d’un dixième de galaxie,
·        Il rend compte du contenu de l’Univers.
 
 
 
L’ ÉNERGIE NOIRE, ÉVIDENCES OBSERVATIONNELLES.
 
Les super novae Ia :
 
Récemment (il y a 10 ans), on s’est aperçu que les SN Ia lointaines, en principe des chandelles standard (leur luminosité énorme est constante en principe car obéissant au même seuil pour le déclenchement de l’explosion de l'étoile) n’avaient pas la luminosité attendue, compatible avec leurs distances évaluées par le redshift. Elles étaient plus faibles. à cela deux explications possibles :
 
·        L’expansion de l’Univers s’est accélérée, les SN Ia sont plus loin que prévu ou
·        Les SN Ia ne sont pas des chandelles standard.
La deuxième hypothèse est maintenant totalement abandonnée.
 
 
Analyse du fond de rayonnement cosmologique (CMB) :
 
 
Les très faibles anisotropies du CMB sont un puissant outil pour déterminer les paramètres cosmologiques.
 
De ces analyses on en déduit que :
 
·        L’espace est plat (densité totale de l’Univers ou Oméga total est très voisin de 1
·        Le contenu actuel de l’Univers est déterminé :
o       Matière : 30% dont 25% de matière noire et 5% de matière baryonique
o       Énergie noire manquante : 70%
 
 
 
 
 
 
 
 
Il existe aussi de nombreuses autres évidences observationnelles, telles que :
·        Les BAO (Oscillations acoustiques baryoniques)
·        Les études LSS (Large Scale Structure)
·        Les microlentilles gravitationnelles (WL : weak lensing)
 
 
 
 
Toutes ces observations nous amènent au concept suivant, exposé sur cette vue.
 
 
 

Crédit : The Supernovae Cosmology Project: http://supernova.lbl.gov/  (d'après Knop et al,
 
 
En vertical : Oméga lambda, paramètre lié à l’énergie noire, en horizontal Oméga matière, lié à la matière.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NATURE DE L’ÉNERGIE NOIRE.
 
 
 
 
a(t) représente conventionnellement le facteur d’échelle, c'est-à-dire l’éloignement de deux points au cours du temps (décrit l'expansion de l'Univers, la façon dont les distances physiques changent au cours du temps).
 
Il y a trois façons d’aborder le problème comme indiqué sur la figure ci-contre :
·        L’accélération doit être positive, il existe une nouvelle composante énergétique, la constante cosmologique
·        Le principe cosmologique est peut être trop restrictif aux grandes échelles
·        Le principe d’équivalence faible est contestable, notre façon de décrire l’espace-temps est à corriger.
Ce sont les 3 interprétations qui donnent 3 axes de recherche actuels.
 
 
 
 
LA CONSTANTE COSMOLOGIQUE.
 
Elle est inspirée par le principe de Mach (les lois de la physique sont indépendantes de tout mouvement général de l'observateur) et a été introduite par Einstein en 1917 dans sa fameuse formule afin de rendre son modèle d’Univers stationnaire.
 
Cette énergie noire n’a pas d’interaction avec la matière, seule l’expansion est modifiée.
Ce serait un fluide de pression négative.
 
Mais quelle est la nature de lambda (L) ?
 
Pourquoi est-elle si petite ?
 
Est-elle constante ?
 
On vit à une époque très particulière, proche de l’équivalence, où la constante cosmologique commence à dominer le contenu en énergie de l’Univers ; c’est bizarre, c’est le problème de la coïncidence cosmique.
 
L’Univers serait dominé par une contribution scalaire avec densité d’énergie et pression ; est-ce la fameuse Quintessence ?
C’est en fait une constante cosmologique variable dans le temps.
 
(SUSY = Super SYmetry    et SUGRA = SUper GRAvity pour information)
 
 
AU DELA DU PRINCIPE COSMOLOGIQUE.
 
L’hypothèse du principe cosmologique selon laquelle l’univers est homogène et isotrope (identique en tout point et en un point donné le même dans toutes les directions) est peut-être trop restrictive.
 
On pourrait alors imaginer par exemple :
·        Un Univers inhomogène aux grandes échelles, nous serions alors localisés dans un vide gigantesque
·        Le principe cosmologique fort : les univers de Friedmann.
 
On ne conserverait l’homogénéité qu’aux grandes échelles, alors qu’aucune hypothèse ne serait faite sur la structure locale.
 
La dynamique locale obéit donc aux équations générales d’Einstein et non aux équations d’Einstein une fois simplifiées par l’application du principe cosmologique
 
Mais comme le dit JM Alimi, observer c’est moyenner, alors faut-il faire évoluer la moyenne ou moyenner l’évolution ?
 
On peut alors décrire l’Univers en terme d’inhomogénéités et en introduisant la présence d’un substrat purement géométrique, « le Morphon », pour plus de détails techniques voir cette présentation faite au Luth (reprise dans les références plus bas) à cette occasion (attention, ceux qui n’aiment pas les formules, s’abstenir !). L’énergie noire serait alors un pur effet géométrique de ce champ Morphon.
 
Se pose alors une question: l’univers est-il suffisamment structuré pour accélérer de lui-même ?
 
L’Univers homogène effectivement observé n’est qu’un « domaine » du « tout » Univers, sa dynamique devient propre à ce domaine.
 
Mais quid de la dynamique, de l’origine, du destin…d’autres « domaines » et de la somme de ces « domaines » du « tout » Univers ou de l’Univers « tout entier »
 
 
AU DELA DU PRINCIPE D’ÉQUIVALENCE.
 
Le principe d’équivalence faible semble impossible à contester car vérifié à 10-12 près.
 
Mais le principe d’équivalence fort peut être contesté.
 
Il existe de nombreuses théories de la gravitation sans principe d’équivalence fort ; notamment celle de Brans et Dicke de 1961.
 
 
Le cadre théorique est posée mais tel quel il échoue à expliquer de façon satisfaisante l’accélération récente de notre Univers.
 
Le contenu de l’Univers peut être divisé en 3 parties :
·        Une partie gravitationnelle
·        La matière ordinaire (baryons, photons) qui satisfait au principe d’équivalence
·        Une partie supplémentaire, mystérieuse, l’AWE (Abnormally Weighting Energie, ou énergie anormalement pesante) qui viole le principe d’équivalence faible. L'hypothèse AWE permet d'envisager une description unifiée de l'énergie noire et de la matière noire.
 
 
 
De nouvelles questions surgissent :
 
·        L’accélération récente de l’univers est-elle possible ?
·        Quelle est cette matière normalement pesante ?
·        Mais surtout, quelle est cette matière anormalement pesante ?
 
L’Énergie Noire serait un effet induit de la gravité « anormale » de la Matière Noire.
 
Et Jean-Michel Alimi d’ajouter malicieusement: peut-on tester le principe d’équivalence aux échelles cosmologiques ?
C'est-à-dire par exemple, réussir à faire tomber d’une tour de Pise cosmologique, une boule de matière ordinaire et une boule de matière noire.
 
Cela est-il possible ? OUI !
 
 
 
De nombreux modèles théoriques de l’énergie noire sont envisageables.
 
Ils mettent tous en question les principes fondamentaux de notre paradigme cosmologique.
·        Ils rendent cependant comptent avec précision des signatures observationnelles de l’existence de l’énergie noire.
·        Ces signatures concernent “principalement” l’évolution dynamique globale de notre Univers.
·        Nécessité de concevoir des signatures discriminantes entre ces modèles
·        Elles concerneront les moyens de rendre compte de la structuration de l’Univers
·        Empreintes de l’énergie noire sur la formation des structures cosmiques.
 
 
 
 
 
DEUSS = Dark Energy Universe Simulation Series.
 
 
 
 
 
CONCLUSION.
 
Il y aurait donc trois modèles de référence pour l’énergie noire :
·        Le modèle matière noire froide avec constante cosmologique
·        La quintessence
·        La supergravité
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
La Relativité Galiléenne
 
H Minkowski, Espace et temps, annales scientifiques de l’ENS (1909).
 
La notion de temps par J Kovalesky.
 
Le mystère de l’énergie noire par l’Observatoire de Paris.
 
Les grands sondages de l’Univers, CR de la conférence d’Olivier Lefèvre à l’IAP.
 
L’Univers sombre traqué par les micros lentilles gravitationnelles, CR de la conférence de Y Mellier à la SAF.
 
Du Big Bang aux planètes, cours de cosmologie (à la portée du plus grand nombre) de l’Observatoire de Paris, à consulter absolument.
 
Particle Physics Models of Quintessence par Jérôme Martin de l’IAP.
 
La géométrie de l’Univers, la métrique de Roberston-Walker par la SAF.
 
Energie noire, qui es-tu ? par Pierre Astier LPNHE/IN2P3.
 
Averaged inhomogeneous cosmologies and accelerated expansion: the morphon field par J Larena séminaire Greco 2007.
 
L’énergie sombre, un effet de la structuration de l’Univers par J Larena LUTH 2007
 
The Cosmology Pages of Thomas Buchert, professeur Centre de Recherche Astrophysique de Lyon
 
La gravitation sous surveillance, par Arte TV.
 
Toward a Unified Description of Dark Energy and Dark Matter from the AWE Hypothesis par A. Füzfa et J-M. Alimi
 
Romain TEYSSIER  : La matière noire et la formation des structures ; CR conf. du 6 Juillet 2009 (projet Horizon)
 
L’Univers de la cosmologie moderne par JM Alimi, CR d’une conférence du séminaire Einstein.
 
 
Bon ciel à tous!
 
 
Jean Pierre Martin  membre de la Commission de Cosmologie de la SAF.
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