ecole chalonge cosmologie 29 mars 2018

Mise à jour le 13 Avril 2018

NOUVEAUTÉS COSMIQUES

École Internationale Daniel Chalonge – Hector De Vega

SÉANCE OUVERTE DE CULTURE SCIENTIFIQUE

Le 29 Mars 2018 Maison de l’Argentine Paris 14^ème

Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement ; toutes les photos ont été envoyées à l’École et sont à votre disposition).

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

Certaines présentations originales sont disponibles sur le site de l’école, je le signalerai à chaque fois.

Colloque organisé régulièrement par Madame Norma Sanchez, Directrice de l'École Internationale d'Astrophysique "Daniel Chalonge", ce colloque est réservé à un public « averti ».

SOMMAIRE :

· Introduction par Mme Norma Sanchez.

· The LISA PF and LISA missions par Catia Grimani LISA Team.

· What does galaxy formation tell us about the Universe? Par Christopher Conselice.

· Gravitational redshifts in cluster of galaxies par Nick Kaiser..

· A new Quantum world at the Planck scale par Norma Sanchez.

· La remise de médaille.

Maison de l’Argentine à la Cité Universitaire de Paris, avec les premières floraisons.

INTRODUCTION AU COLLOQUE PAR NORMA SANCHEZ DIRECTRICE DE L’ÉCOLE.

Norma et sa célèbre clochette qui nous appelle à commencer cette session.

Elle nous présente en introduction une photo exclusive du congrès de 1986 qui avait accueilli le célèbre Stephen Hawking récemment décédé.

Norma a eu la gentillesse de me faire parvenir les photos originales que je vous présente en format moyenne résolution ci-après.

Colloque de 1986 à Meudon

On reconnaitra au premier plan, marqués avec leurs initiales :

SH : Stephen Hawking

JW : Jane Wilde sa première femme

NS : Norma Sanchez

Au dernier rang :

HV : Hector de Vega

Photo © N Sanchez/JPM

Le colloque de 2012 à l’Observatoire de Paris.

Cette année-là, 3 Prix Noble de physique étaient présents :

Autour de Norma Sanchez :

À sa droite George Smoot, à sa gauche, Brian Schmidt et John Mather.

Photo crédit : N Sanchez

Norma Sanchez nous présente le programme de la journée, les conférences se dérouleront en anglais cette fois-ci.

THE LISA PF AND LISA MISSIONS PAR CATIA GRIMANI LISA TEAM.

Catia Grimani est professeur à l' Università di Urbino, elle fait partie de l’équipe LISA Gravitational Wave Space Observatory Team en Italie.Italie

Sa présentation se trouve ici.

Voici le plan de son exposé :

The detection of gravitational waves

• Gravitational wave detection on Earth and in space

• Clues on gravitational wave existence before detection

• Orbit and characteristics of the ESA LISA Pathfinder mission

• The ESA LISA mission

• Environment impact on space interferometers for gravitational waves

• Ancillary physics with space interferometers

• Conclusions

Rappel sur la détection des premières ondes gravitationnelles dont nous avons longuement parlée dans ces colonnes notamment :

Il y a du Nobel dans l’air : Les ondes gravitationnelles sont mises en évidence

Trous noirs et ondes gravitationnelles : CR conf SAF d’Éric Gourgoulhon du 10 Fev 2016

Ondes Gravitationnelles : Encore une première ! Deux étoiles à neutrons se rencontrent !

Ondes Gravitationnelles : Encore une détection !

Si la première détection a eu lieu le 14 Sept 2015, le lancement de la mission LISA Pathfinder a été effectué le 3 Dec 2015 de Kourou.

C’est un projet remarquable destiné à tester des technologies extrêmement précises capables de détecter les ondes gravitationnelles dans l’Espace. Albert Einstein avait prédit l’existence de ces ondes, mais aucune n’a pu être observée à ce jour.

LISA Pathfinder représente une avancée considérable vers leur détection.

Il s'agit en réalité du démonstrateur technologique (d’où son nom Pathfinder, l’éclaireur) de la future grande mission ESA/NASA e-Laser Interferometer Space Antenna (e-LISA).

Spectre en fréquence concernant les ondes gravitationnelles.

La partie encadrée en bleu concerne spécifiquement la mission LISA.

Crédit : NASA/GSFC

Explication du principe d’interférométrie :

https://www.e-education.psu.edu/mcl-optpro/sites/www.e-education.psu.edu.mcl-optpro/files/Images/Basic%20Interferometer.gif

autre schéma expliquant le principe de LIGO

Troisième détection d’ondes gravitationnelles.

Crédit: LSC/OzGrav

Mais il ne faut pas oublier qu’il y a eu une détection indirecte par Hulse et Taylor en 1993.

Bien expliqué par Luc Blanchet lors d’une présentation à la SAF.

La mission LISA Pathfinder.

Ce démonstrateur doit tester l’environnement spatial, une partie des défis technologiques que rencontrera LISA et représentera ainsi le premier test en vol de la technologie nécessaire à la détection d'ondes gravitationnelles par interférométrie: propulseurs micro-Newton, lasers et optiques.

LISA Pathfinder ouvre la voie à la création d’un vaste observatoire spatial, dont la mission sera d’observer directement et de mesurer avec précision les ondes gravitationnelles.

L’étude de ces distorsions minimes de l’espace-temps exige des technologies de mesure particulièrement sensibles et d’une précision extrême dont la performance ne peut être testée que dans un environnement spatial.

Le démonstrateur LISA Pathfinder embarque l’Ensemble technologique LISA (LTP), un ensemble de tests d’environ 150 kg qui contient un interféromètre laser capable de mesurer les variations de distances entre deux masses étalons en or-platine de haute précision, pesant chacune 1,96 kg.

Une fois placées en orbite autour de L1, le premier point Lagrange du système Soleil-Terre, à 1,5 million de kilomètres de la Terre (celui vers le Soleil), les deux masses étalons seront libérées par un mécanisme de déverrouillage puis maintenues en position grâce à un faible champ électrostatique qui peut être contrôlé avec une grande précision.

Une fois le mode scientifique de la mission enclenché, le champ électrostatique entourant l’une des deux masses étalons est désactivé. Le satellite obéit dès lors à un système de contrôle d’attitude et de compensation de traînées, afin de suivre précisément la masse étalon.

L’interféromètre laser et les capteurs électrostatiques enregistreront le déplacement des masses étalons dans le satellite, afin d’éviter que leur position ne soit perturbée. L’interféromètre peut mesurer la position relative et l’orientation des deux masses étalons, séparées d’environ 40 centimètres, avec une précision inférieure à 0,01 nanomètre, soit moins d’un millionième de l’épaisseur d’un cheveu humain.

En rouge les résultats de fin de mission de la mission Pathfinder comparés avec les résultats de début de mission en bleu.

Ce qui était requis correspond à la partie grisée en haut au milieu de l’image, ce qui est requis pour la mission complète LISA correspond à la courbe noire, on voit que l’on est bien en dessous de celle-ci dans tous les cas.

Crédit : M. Armano et al

La première phase de la mission complète LISA est couronnée de succès. Elle s’est terminée volontairement le 18 Juillet 2017.

La mission LISA rebaptisée e-LISA (evolved LISA) devrait décoller en 2030.

Les trois sondes LISA sont placées en orbite de telle façon qu'elles forment toujours un triangle équilatéral dont le centre est situé 20° en arrière de la Terre et de côté 5 millions de km.

Crédit ESA.

POUR ALLER PLUS LOIN :

Beyond the Required LISA Free-Fall Performance: New LISA Pathfinder Results down to 20μHz

Lisa Pathfinder : fin d’une mission pionnière de Rêves d’Espace.

LISA Pathfinder: bake, rattle and roll de l’ESA

LISA Pathfinder to conclude trailblazing mission de l’ESA

A Final Farewell to LISA Pathfinder du JPL/NASA

eLISA - Hunting waves in space sur Einstein on-line

Site de LISA pathfinder à l’ESA

WHAT DOES GALAXY FORMATION TELL US ABOUT THE UNIVERSE? PAR CHRIS CONSELICE.

Doctorat de l’Université du Wisconsin-Madison.

Le professeur C. Conselice a d’abord été pendant 4 ans membre du Caltech, avant de venir à l’Université de Nottingham en Grande Bretagne au Centre for Astronomy and Particle Theory.

Son domaine de prédilection est l’étude de la formation des galaxies.

Il est aussi le responsable de l’étude GOODS Near Infra Red Survey à partir du télescope Hubble.

Il est maintenant fortement impliqué dans le nouveau programme d’étude de Hubble appelé CANDELS (Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey).

Sa présentation se trouve ici.

Illustration de la formation des galaxies suivant le modèle hiérarchique.

(modèle bottom-up fusion (merger) successive des plus petits vers les plus gros)

Pour voir plus de détails clic sur l’image.

De haut en bas :

En 1 : les petites fluctuations de température du bruit de fond CMD sont les graines de ce qui va devenir les grandes structures observées aujourd’hui.

En 2 : les halos de matière noire invisibles s’effondrent donnant naissance aux premières fluctuations de masses

En 3 : le gaz primordial se condense à l’intérieur des halos de matière noire. Certaines étoiles peuvent se former durant cet effondrement et s’assemblent en amas globulaires. La plupart du gaz se met sous forme d’un disque (en jaune)

En 4 : les étoiles se forment dans le disque et progressivement cela aboutit à une galaxie spirale.

En 5 : des collisions de plusieurs galaxies spirales aboutissent à une galaxie elliptique. Les amas globulaires sont épargnés pendant cette opération.

Illustration : Science.

Mais il y a assez peu de preuves observationnelles d’un tel système de formation.

Les galaxies spirales (les plus massives) représentent environ deux tiers des galaxies observées aujourd’hui, il est donc fondamental de comprendre leur formation.

COMMENT SE FORMENT LES GALAXIES MASSIVES?

Il y a plusieurs possibilités :

· Fusion mineure (minor mergers)

· Fusion majeure (major mergers)

· Accrétion gazeuse

· Effondrement monolithique (monolithic collapse) où les galaxies naissent d’un bloc.

Différentes galaxies de la vue HUDF (Hubble Ultra Deep Field) prise par la caméra ACS.

Elles sont rangées dans un ordre correspondant à leur différent degré d’asymétrie.

Ce sont toutes des galaxies ayant un redshift z compris entre 0,5 et 1,2 et de masse stellaire supérieure à 10¹⁰ M Soleil.

Le numéro de référence est attribué par C Conselice et le facteur A correspond à la valeur d’asymétrie.

Les galaxies de redshift <1 sont plutôt lisses et montrent peu de possibilités de fusionner. Celles de z >1,5 sont un peu plus « tordues ».

Pour ce genre de redshift, la plupart des galaxies massives peuvent être catégorisées comme appartenant à la séquence de Hubble.

Image : NASA/ESA/HST

Les galaxies de redshift compris entre 2,2 et 3 sont beaucoup plus petites et plus bleues

Forme des galaxies en fonction du redshift :

Exemples de progéniteurs de galaxies de la catégorie de notre voie lactée de z=3 à z=0,5.

Plus les galaxies sont basses par rapport aux ordonnées et plus elles sont bleues.

Illustration provenant des relevés CANDELS.

Les galaxies sont à la même échelle.

Crédit: Texas A&M University

Il y a 10 Ga notre Voie Lactée produisait des étoiles beaucoup plus rapidement que maintenant.

Les galaxies massives se forment aussi plus vite

Il semble que le scénario d’effondrement monolithique ne corresponde pas à la formation des galaxies massives.

Et le scénario de fusion (merger en anglais) ?

Est-ce que ces phénomènes de fusion forment des galaxies massives ?

Les observations actuelles donnent une réponse positive à cette question.

Signalons aussi que C Conselice a fait partie d’une équipe qui a permis de déterminer le nombre de galaxies dans l’Univers.

En fait il a montré qu’il y en avait plus de 10 fois plus que ce que l’on pensait.

Tout ceci grâce à un programme basé sur les Deep Fields de Hubble, en élaborant à partir des diverses images des images 3D permettant de voir avec plus de précision d’autres galaxies moins lumineuses et surtout en mettant au point un nouveau modèle mathématique.

Si bien que l’on imagine maintenant que le nombre total de galaxies dans l’Univers serait de l’ordre de 2000 milliards !

Photo : NASA/ESA/HST

À l’occasion de cette étude, on s’est aperçu que les galaxies n’étaient pas réparties régulièrement au cours du temps, il y avait 10 fois plus de galaxies par unité de volume il y a quelques milliards d’années par rapport à maintenant.

POUR ALLER PLUS LOIN :

The Role of Mergers in Galaxy Evolution

The Merger History of Massive Galaxies: Observations and Theory par C Conselice

Galaxy Formation: Where Do We Stand? Par C Conselice

The Evolution of Galaxy Structure Over Cosmic Time par C Conselice

Observable Universe contains ten times more galaxies than previously thought

A universe of 2 trillion galaxies

Structure formation in warm dark matter cosmologies thèse de S. Paduroiu (Genève)

The Morphological Evolution of Galaxies

The evolution of galaxy number density at z < 8 and its implications par C Conselice

The importance of minor-merger-driven star formation and black hole growth in disc galaxies

Sciences. L'Univers compte environ 2000 milliards de galaxies

GRAVITATIONAL REDSHIFTS IN CLUSTER OF GALAXIES PAR NICK KAISER.

Nick Kaiser passe son doctorat (PhD) de physique à l’université de Leeds, il poursuit à Cambridge où il obtient son PhD en astronomie sous la direction de Martin Rees.

Post doc à Berkeley puis Cambridge.

Membre de la Royal Society en 2008 ; où il reçoit la médaille d’or de la RAS (Royal Astronomical Society) en 2017.

Nick Kaiser est astronome à l’IfA (Institute of Astronomy) d’Hawaï.

Il a été le PI du projet Pan-STARRS, qui s’intéressait aux grandes structures de l’Univers.

Il est en ce moment professeur à l’École Normale Supérieure de Paris.

Sa présentation se trouve ici.

Exemple d’un amas de galaxies : Abell 2218 imagé par le télescope spatial Hubble.

Il est situé à 2,3 Gal de nous dans le Dragon.

Un phénomène de lentille gravitationnelle se produit grâce à cet amas, qui permet des détecter des galaxies beaucoup plus anciennes à l’arrière-plan.

Ce phénomène donne naissance aux fameux arcs d’Einstein que l’on voit clairement.

C’est une application du fait que la gravité « courbe » la lumière !

Les amas ont généralement une masse comprise entre 10¹⁴ et 10¹⁵ masses solaires.

On voit ici une représentation de divers amas (ligne supérieure) avec en ligne inférieure leur potentiel gravitationnel.

Jaune et rouge sont les valeurs les plus importantes de ce cham^p.

LE DÉCALAGE GRAVITATIONNEL VERS LE ROUGE DES AMAS DE GALAXIES.

Le redshift gravitationnel ou l’effet Einstein.

Autre prédiction d’Einstein : décalage vers le rouge (redshift) de la lumière dans un champ de gravitation.

Attention ce n’est PAS l’effet Doppler même si les effets sont similaires.

Un rayon lumineux dans un champ de gravitation perd une partie de son énergie pour pénétrer ce champ, sa longueur d’onde augmente donc, d’où le rouge.

Cet effet a été confirmé expérimentalement

Illustration : Le décalage gravitationnel vers le rouge d'une onde lumineuse quand elle remonte contre un champ gravitationnel créé par une énorme masse (étoile, amas d’étoiles, amas de galaxies etc..).

(Crédit Wikipedia)

Ce décalage a été mesuré par Robert Pound et Glen Rebka à l’Université de Harvard (Cambridge, Mass, USA) en 1960 dans une tour de 22m de haut.

Ils eurent l’idée de mesurer le décalage de raies de 14,4keV émises par une source de Fe57 entre le bas et le haut de cette tour.

L’effet gravitationnel est minime (de l’ordre de 10^-15), mais mesurable et plus direct que lors de l’expérience avec le Soleil.

Précision de l’accord : 10%. La fréquence d’émission des atomes est modifiée par la gravitation.

Einstein a encore gagné !

On peut aussi transposer cet effet à bord d’un vaisseau spatial.

Voici l’explication de Wikipedia :

Considérons deux observateurs sur un vaisseau spatial qui accélère. Sur ce vaisseau, il y a naturellement une conception de « haut » et de « bas » : le haut est la direction vers laquelle le vaisseau accélère, et le bas la direction opposée.

Tout objet abandonné à lui-même (immobile par rapport au vaisseau) va tomber naturellement vers le bas, car il se fait rattraper par le vaisseau qui accélère.

Supposons que sur ce vaisseau, il y ait deux observateurs placés l'un plus haut que l'autre.

Quand l'observateur du bas envoie un faisceau lumineux à celui du haut, la relativité restreinte dit que celui du haut va le recevoir à une fréquence inférieure à celle d'émission.

Accélération et distance provoquent un décalage vers le rouge (vers les basses fréquences).

Inversement, de la lumière émise du haut arrivera à une fréquence supérieure à celle d'émission à l'observateur du bas.

Elle sera décalée vers le bleu.

L'argument d'Einstein a été que ce genre de décalage de fréquence doit également être observé dans des champs gravitationnels.

Ce décalage de fréquence correspond à une dilatation du temps gravitationnelle : comme l'observateur du haut constate que la même lumière vibre plus lentement, c'est que son horloge tourne plus vite.

Ainsi, plus les observateurs sont en bas du champ gravitationnel, plus leur temps s'écoule lentement.

Il faut souligner qu'aucun des deux observateurs ne peut observer de changement dans l'écoulement du temps autour de lui, ou pour des objets qui sont près de lui, ou qui se déplacent lentement par rapport à lui : le temps nécessaire pour cuire un œuf à la coque est toujours de trois minutes.

Ce n'est que lorsque l'on compare des horloges éloignées entre elles que l'on peut détecter ce genre d'effets.

Mais ce n’est pas tout.

Les sources se déplacent, il y a aussi un effet Doppler transverse qui se produit :

L'effet Doppler transverse (EDT) est le décalage vers le rouge ou le décalage vers le bleu prédit par la relativité restreinte lorsqu'une source et un observateur sont au plus près l'un de l'autre. La lumière émise à cet instant sera décalée vers le rouge, alors que la lumière observée à cet instant sera décalée vers le bleu.

En supposant que les objets ne sont pas accélérés, la lumière émise lorsque les objets sont au plus près sera reçu un peu plus tard.

Ce n’est pas fini !

La gravité courbant l’espace-temps affecte la propagation de la lumière.

L’espace-temps a une structure en cône de lumière bien connue, mais comme la gravité affecte la lumière, ces cônes de lumière sont basculés vers la source de la gravité, comme on le voit sur ce schéma.

tipped cones

Illustration: University of Pittsburgh.

EN CONCLUSION.

· Le décalage vers le rouge des amas de galaxies ont bien été détectés.

· De nouvelles techniques très prometteuses pour l’étude à grande échelle sont en cours.

· Test de la Relativité Générale ou d’une 5^ème force.

· Les décalages vers le rouge ne sont plus purement « cinématique » mais possède une composante gravitationnelle.

POUR ALLER PLUS LOIN :

Measuring Gravitational Redshifts in Galaxy Clusters par N Kaiser

http://cosmology.lbl.gov/talks/Kaiser_16_RPM.pdf

Gravity theories, Transverse Doppler and Gravitational Redshifts in Galaxy Clusters

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler_relativiste

Transverse Doppler Effect

La Gravitation et le Temps : CR de la conf SAF (Cosmologie) d’O. Laurent du 17 Février 2018

Gravitation et Cosmologie de l’Univ de Lorraine.

A NEW QUANTUM WORLD AT THE PLANCK SCALE PAR NORMA SANCHEZ.

Sa présentation se trouve ici.

La Mécanique Quantique classique à la base de la théorie quantique peut être étendue à l’échelle de Planck.

Rappel : échelle de Planck : plus on descend dans l’échelle des longueurs et de temps ou plus on monte dans l’échelle des énergies et plus on se heurte à un mur invisible ; ce que l’on appelle le mur de Planck.

À ces échelles-là, la relativité est modifiée par des effets quantiques. On ne sait même pas comment serait l’espace-temps (une mousse comme certains le prétendent ?).

Ces effets proviennent des fluctuations quantiques du vide. Le vide étant tout sauf…vide, et obéissent au principe d’incertitude d’Heisenberg ? Ce vide donne naissance à des particules virtuelles de durée de vie très brève. Elles disparaissent et sont créées continuellement.

Pour information : longueur de Planck : 10^-35m : temps de Planck : 10^-43s

À partir des variables gravitationnelles (G) et quantiques (Q) classiques, on définit les nouvelles variables de gravité quantique (QG) définies comme suit :

O_QG = ½ (O_G + O_Q)

Ces nouvelles variables couvrent un champ plus important que les variables G ou Q seules.

Une extension analytique des variables de type QG complètent le cône de lumière classique (image de gauche) et le cône de lumière quantique (image de droite).

On remarque les 4 hyperboles, X2 − T 2 = ±1, et T2 − X2 = ±1 qui délimitent les différents domaines quantiques :

Domaines situés à droite et à gauche : la gravité classique et domaines situés en haut et en bas : la gravité quantique à l’échelle de Planck.

Cône de lumière classique, d’après Wikipedia :

Le cône de lumière centré sur un évènement.

En physique, le cône de lumière est une notion fondamentale de la relativité restreinte, permettant la distinction entre un évènement passé, un évènement futur et un évènement inaccessible (dans le passé ou dans le futur)1.

Soit un évènement e₀ singularisé, tous les autres évènements de l'espace-temps se divisent en trois catégories : le passé absolu et le futur absolu de e₀ d'une part — ces évènements se produisant à l'intérieur du cône —, et l'ailleurs d'autre part — qui est constitué des autres évènements.

Les évènements intérieurs du cône peuvent être liés causalement avec e₀; par contre les évènements situés dans l'ailleurs de e₀ sont dits causalement déconnectés de e₀ et ne peuvent l'influencer ou être influencés par lui