Mise à jour 22 Février 2022.

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF

De Francis BERNARDEAU

Astrophysicien CEA Ancien Directeur IAP

Membre de la collaboration Euclid.

À LA RECHERCHE DE L'ÉNERGIE NOIRE AVEC LE PROJET EUCLID

Organisée par la SAF

En présence du public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF

Le Mercredi 9 Février 2022 à 19H00

Photos : JPM 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 si nécessaire

La présentation est disponible sur ma liaison ftp , rentrer le mot de passe, puis CONFÉRENCES SAF ensuite SAISON 2021/2022 ; elle s’appelle : SAF Euclid Fev2022.pdf

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

La vidéo de la réunion est accessible :   https://youtu.be/sURol3Q3Yu8

Tous les autres enregistrements sont accessibles sur la chaine YouTube SAF.

Le Covid et la peur du Covid ont fait beaucoup de victimes dans nos réservations ; néanmoins, en plus du public présent au CNAM, il y avait 78 spectateurs à nous suivre sur le canal YouTube. La transmission a été de qualité d’après ce que j’ai compris.

Cette conférence devait être donnée originellement par Yannick Mellier, responsable en chef de la mission Euclid.

Celui-ci étant indisponible au dernier moment, Francis Bernardeau, membre éminent de la collaboration Euclid a eu la gentillesse de le remplacer pour ainsi dire à la dernière minute.

Merci à lui.

Francis est chercheur au CEA (Saclay), astrophysicien et ancien Directeur de l’IAP.

Il est de l’Institut de Physique Théorique (IPhT).

Il est aussi chargé de cours à l’École Polytechnique.

INTRODUCTION.

Francis Bernardeau commence son exposé par un rappel sur la cosmologie, depuis les relevés de Hubble menant à l’expansion de l’Univers, en passant par les différents modèles d’expansion.

Jusqu’à la théorie du Big Bang.

Ceci menant au destin de l’Univers.

Quel est notre avenir ? Les scientifiques souhaitaient savoir si, comme on le pensait alors, la gravité l’emporterait sur tout et si nous finirions par une sorte de Big Crunch.

Las, les mesures effectuées par deux équipes différentes sur les distances des chandelles standard les plus lointaines (les fameuses super novae Ia) ont montré indubitablement que non seulement l’Univers était en expansion, mais que cette expansion s’accélérait !

Due à quoi ? Peut-être à une fameuse forme d’énergie inconnue, que l’on appellerait énergie noire.

L’ENERGIE NOIRE.

Qu’est-ce que l’énergie noire ?

Plusieurs possibilités :

UNE CONSTANTE COSMOLOGIQUE.

Historiquement parlant, la constante cosmologique est un terme qui apparaît dans les équations de la relativité générale d’Einstein. Son absence impliquait que l'Univers était en expansion : impensable pour Einstein à cette époque, il ajoute cette constante pour retrouver un modèle d'Univers statique ; modèle en vogue au début du XXème siècle.

30 ans plus tard, Einstein se rallia à la thèse de l'Univers en expansion et reconnu son erreur, il supprime cette constante.

Depuis les années 1990, on a découvert que la lumière des objets les plus lointains (supernova) suit un trajet différent de celui expliqué classiquement par la présence de la matière, il y aurait une énergie inconnue (noire) qui dominerait l'Univers et rendrait cette expansion accélérée. Il faut certainement remettre cette constante dans les équations.

Cette constante est baptisée classiquement L lambda

Elle a comme dimension l'inverse du carré d'une longueur. Et cette longueur est de l'ordre de la taille d'une galaxie, afin que les lois de Newton soient préservées. Ce qui veut dire que sur des petites distances (notre système solaire au moins) on l'oublie.

Ce serait une constante fondamentale, la deuxième constante de la théorie de la gravitation, elle pourrait en effet être responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers.

Cette possibilité est confortée grâce à :

·         La théorie de l’inflation et la découverte du boson de Higgs

·         Les observations semblent être en accord

·         La Relativité Générale serait donc définie par deux constantes fondamentales G et L qui n’ont pas la même dimension et sont d’un ordre de grandeur très différent.

LA QUINTESSENCE.

Elle aurait été baptisée quintessence (le cinquième élément des Grecs.), par opposition aux 4 états de la matière : solide, liquide, gazeux et plasma, la quintessence pourrait être ce 5^ème état.

La quintessence serait un champ scalaire dont l’énergie potentielle causerait cette accélération.

Contrairement à la constante cosmologique, elle peut varier dans le temps et faire ainsi varier le taux d’expansion de l’Univers.

Mais :

·         Il n’y a pas de modèles réellement acceptables

·         Elle peut être proche d’une constante cosmologique.

UNE MODIFICATION DE LA GRAVITÉ.

Ce seraient des modèles qui modifieraient la structure de la Relativité Générale, cela reviendrait à définir une 5^ème force en plus de la gravité.

Pas assez clair (gravité écrantée ??) pour que je puisse continuer une explication.

UNE CONSÉQUENCE DE L’ÉMERGENCE DES PETITES STRUCTURES.

On ne prendrait pas en compte l'émergence des structures de petites échelles dans les équations de Friedmann.

C'est ce qu'on appelle le problème de la rétroaction. Des estimations de cet effet montrent qu'il doit être négligeable mais on n'a jamais réussi à en faire un calcul exact.

ÉNERGIE NOIRE : COMMENT LA VOIR ?

L’énergie noire sa manifeste à priori dans l’Univers « récent ».

L'expansion de l'univers H(z) est sensible à la présence d'une constante cosmologique, ainsi que le comportement de la distance angulaire dA(z).

Comme déjà dit :

·         Les SN Ia sont les chandelles standard pour suivre l’expansion de l’Univers.

·         Les BAO (oscillations baryoniques acoustiques) sont aussi utilisées comme règles standard.

L’effet de lentilles gravitationnelles :

C’est le meilleur traceur de l’énergie sombre dans l’Univers.

Il y a distorsion gravitationnelle apportée par les grandes structures situées sur le rayon lumineux ; il se produit un allongement infime des galaxies qui devra être détecté par Euclid.

Euclid devra donc être capable de mesurer ces distorsions et ceci à :

·        10 époques différentes et

·        au cours des 10 derniers milliards d’années.

Euclid va donc déterminer la distribution de matière noire en fonction de la distance, c’est à dire qu’il va déterminer le spectre de puissance de la matière noire et des galaxies au cours du temps.

Il faut pouvoir mesurer un grand nombre de redshifts, ce sera le cas avec les redshifts photométriques en IR.

LA MISSION EUCLID.

C’est un télescope de 1,2m de diamètre, le maître d’œuvre est Airbus Defense & Space à Toulouse, en liaison avec Thales.

Il va fournir la lumière à deux instruments :

·         Un imageur dans le visible (VIS) et

·         Un spectro imageur dans l’infra rouge (NISP)

Ces deux instruments sont développés par un consortium européen comprenant plus de 200 laboratoires et 1500 chercheurs et ingénieurs en Europe et est sous la responsabilité scientifique française de Yannick Mellier, chercheur à l'IAP que nous aurions dû recevoir ce soir.

Il va falloir avec ce télescope spatial :

·         Faire de l’imagerie dans le visible et dans l’IR et effectuer des spectres.

·         Et ceci sur tout le ciel extragalactique

·         Mesurer les formes et les distances de 2 milliards de galaxies grâce à l’effet de lentilles gravitationnelles

·         Mesurer la distribution de 30 millions de galaxies en fonction du temps par spectroscopie et mesure de redshift.

Voir les dernières photos dans la présentation pdf.

Euclid dans la clean room de Thales.

Crédit photo : Thales Alenia Space, Esa/ATG Medialab, Euclid Consortium (image); NASA/ESA, Hubble, CANDELS, Koekemoer et al. 2011, Grogin et al. 2011 (data)

Euclid sera lancé en 2023 par une fusée Soyuz-Fregat depuis Kourou et placé au point de Lagrange L2.

Il effectuera le catalogue complet du ciel (15.000 degrés carré !) en 6 ans, durée nominale de sa mission.

Le grand challenge est l’analyse de l’énorme quantité de données. 20 Petabytes de données attendues.

Ce que l’on devrait voir avec Euclid.

Par comparaison avec une vue du SDSS.

(C’est une simulation bien sûr).

Voici la carte des relevés Euclid :

Bonne chance à Euclid, nous en reparlerons.

Ce que voient nos amis sut YouTube (photo prise par JC Bercu) lors de la séance des questions.

QUELQUES COMPLÉMENTS :

LA CONSTANTE COSMOLOGIQUE.

L'introduction de cette constante dans les équations d'Einstein n'a pas été un long fleuve tranquille, voici quelques étapes de son histoire tumultueuse :

En 1917, Einstein pense que l'Univers est statique, mais sa théorie de la relativité générale (RG) ne permet pas ce résultat.

Il décide alors d'ajouter ce paramètre, qui permet à l'Univers d'être statique

 En 1929, Edwin Hubble découvre que les galaxies s'éloignent les unes des autres ; l'Univers est donc en expansion. Comme le prévoyaient De Sitter, Friedmann et Lemaître. La constante cosmologique est alors abandonnée.

En 1935, on s'aperçoit que l'âge de l'Univers est inférieur à celui de la Terre, d'où problème. On réintroduit la constante qui a pour but d'augmenter l'âge de l'Univers. (en effet l'Univers, plus il se dilate rapidement et plus sa vie est brève).

En 1945, en recalculant les âges de la Terre et de l'Univers en se basant sur l'échelle des distances galactiques, Walter Baade, s'aperçoit que l'on peut se passer de cette constante.

Vers les années 1950, le plus grand ennemi de l'Univers en expansion (c'est lui qui va d'ailleurs traiter de façon dérisoire, la théorie qu'il va appeler en se moquant le "Big Bang" avec le succès que l'on sait, le nom vient d'être crée) Fred Hoyle, croit lui en un Univers statique, malgré cela, on pense à réintroduire la constante.

En 1965 on découvre le bruit de fond cosmologique (CMB) prévu par G Gamow des dizaines d'années plus tôt; on supprime lambda.

À partir des années 1990, l'échelle des distances se perfectionnent avec les Super Novæ Ia, on a besoin de la constante cosmologique de nouveau.

Mais la question qui se pose de nos jours est : est-ce bien une constante ?

Cela pourrait être l'énergie du vide et le vide ce n'est pas le néant !

Ce n'est pas rien, c'est seulement l'absence de particules. Mais cet état peut posséder une énergie.

L'énergie du vide est définie comme la densité moyenne d'énergie et de pression engendrée par les fluctuations du vide quantique, le vide se comportant comme un "fluide" de densité constante et de pression négative.

COMMENT CARACTÉRISER L’ÉNERGIE SOMBRE ?

On suppose que l’énergie sombre se comporte, ainsi que les autres composants de l’Univers, comme un fluide parfait.

Elle doit donc obéir à une équation d’état.

L’équation d’état, c’est la relation entre la pression et la densité de ce fluide ; on le note :

W = P/r

Quelques valeurs :

·        Pour les photons :                                                           W = 1/3

·        Pour la matière noire et la matière ordinaire :                  W = 0

·        Pour une constante cosmologique (énergie sombre) :           W = -1

Mais le W peut dépendre du temps :    W = Wp   +   Wa(t)

POUR ALLER PLUS LOIN :

Site du consortium Euclid.

Le site Euclid à l’ESA.

Constante cosmologique, ou quintessence ? par F Combes.

https://www.college-de-france.fr/media/francoise-combes/UPL1734959518176392212_Cours5_DEth_16.pdf

Expansion de l’Univers et Quintessence

Des indices dans la lumière du Big Bang révèleraient-ils enfin la nature de l’énergie noire ?

La mission Euclid (mat noire, énergie sombre) : CR conf IAP de Y Mellier du 7 Avril 2015

Euclid, et énergie sombre : CR de la conf SAF (Cosmologie) de Y Mellier du 19 Janv 2013

L'énergie noire et la constante cosmologique : CR de la conf SAF d'A. Bouquet du 16 Juin 2010

Les anisotropies du CMB : CR de la conférence de R Durrer à l'IAP du 11 Juillet 2006

De Planck à Euclid, les grandes structures de l'univers (IAP) par F Bernardeau.

La cosmologie primordiale  - Francis Bernardeau

Bon ciel à tous

Prochaine conférence SAF devant public :
Le mercredi 9 Mars 2022 à 19H00  au CNAM amphi Grégoire (220 places).

« Astronomie gravitationnelle : dernières nouvelles des vibrations de l’espace-temps»

Par Alexandre LE TIEC
LUTH Obs de Paris spécialiste théorie de la gravitation.  Résa > 13 janv

.  Réservation comme d’habitude ou à la SAF directement.

Transmission en direct sur le canal YouTube de la SAF Sinon à suivre en direct : https://youtu.be/dEYzUxHXLIg

Jean Pierre Martin 

www.planetastronomy.com

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