Le mystère du prix nobel de physique 2011

  • 838 views
Uploaded on

Présentation réalisée par André Füzfa. …

Présentation réalisée par André Füzfa.

L'an dernier, le Prix Nobel de Physique a été attribuée à S. Perlmutter, A. Riess et B. Schmidt pour leur découverte de l'accélération de l'expansion cosmique en utilisant les supernovae lointaines. Si ce ne sont pas les raisons amplement justifiées de l'obtention de cette distinction qui font mystère, c'est bien la cause physique de cette propriété inattendue qui constitue une énigme. En effet, alors que l'on s'attendait à l'époque à mesurer la décélération de l'expansion cosmologique, ce qui aurait "seulement" constitué une preuve supplémentaire du "modèle standard du Big Bang", le diagramme de Hubble des supernovae lointaines indiquait, bien au contraire, une accélération non prévue par le modèle... Quelle force répulsive, méconnue sinon inconnue, est-elle à l'oeuvre au fond des ténébreux abysses intergalactiques ? Quelles pourraient être les nouvelles lois de la physique qui se cachent derrière cette antigravité ? Une prochaine révolution scientifique nous attend-elle ?

More in: Education
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
838
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
4

Actions

Shares
Downloads
14
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. Lʼénergie sombre,
 le mystère du 
prix Nobel de physique 2011# André Füzfa Chargé de coursNamur Center for Complex Systems (naXys) Université de Namur (Belgique)
  • 2. Hubble  deep  field  Lʼunivers à grande échelle#« Lʼessentiel est invisible pour les yeux »# Saint-Exupéry, # « Le petit prince »# 2  
  • 3. Lʼunivers immuable dʼEinstein##  Principe cosmologique parfait: ➜  Isotropie ➜  Universalité (« Copernic ») Homogénéité   ➜  Immuabilité#  Univers statique, fini, sans bord#  Equilibre gravité (matière) – antigravité (Λ) ➜  Introduction de la constante cosmologique Λ # Λ et le principe de Mach ➜  la matière (inertie) génère une constante cosmologique ➜  Equilibre: pas de constante cosmologique => pas de matière#  Equilibre instable 3  
  • 4. Le Principe Cosmologique A grande échelle (1024m), l’Univers est approximativement HOMOGENE et ISOTROPE1.6x106 IR galaxies (~2005) 2x106 galaxies (~1990)
  • 5. Lʼunivers dynamique de Friedmann et Lemaître# d=d0##  Le principe cosmologique restreint ➜  Homogénéité et isotropie t=t0# à une époque donnée d=a(t)d0##  Dynamique des modèles d’Univers t# Univers  d’Einstein  (Λ=ΛΕ)   Λ=0 Q(a)   Λ>ΛΕ Facteur  d’échelle  a   Existence:  Λ≥Q(a)   5  
  • 6. LʼUnivers en expansion##  La récession des galaxies (Hubble, 1929 ; Lemaître, 1927)#  Premiers problèmes : ➜  H0 et âge de l’Univers V=H0D   (H0=650km/s/Mpc=> t0=2x109 ans) H0  =  constante     ➜  Le Big Bang, la fin de la physique? de  Hubble  #  Modèle quasi-stationnaire de Hoyle   ➜  Retour au principe cosmologique parfait ➜  Création continue de matière a(t)   H(t)  =  constante   +  maJère   =   t   créaJon  de  parJcules!   6  
  • 7. Que faire de la constante cosmologique?##  Einstein et le rasoir d’Occam: ➜  Univers en expansion ➜  Problèmes des idées de Mach Λ  devient  inuJle  #  Univers quasi-stationnaire contre Big Bang chaud#  Les arguments de Lemaître en faveur de Λ ➜  Λ = liberté de jauge de l énergie et de l impulsion ➜  Λ>0 allonge l âge de l Univers et sauve le Big Bang chaud ➜  l Univers hésitant de Lemaître: phase stationnaire de l expansion pour la formation des galaxies grâce à Λ ➜  Λ = pont entre la physique quantique et la gravitation relativiste#  Λ devient une curiosité mathématique pour quelques décénnies… 7  
  • 8. Les trois piliers du Big Bang chaud##  Evidences en faveur d’une expansion cosmologique et d’une phase primordiale dense et chaude de l’Univers (>1960) Rayonnement  fossile:   formaJon  des  premiers  atomes   Fuite  des  galaxies:   Corps  noir  extrêmement  isotrope   Expansion  cosmologique   à  une  température  de  2.7°K   Mirages  gravitaJonnels   Grandes  structures  cosmiques   Mesure  précise     de  H0<100km/s/Mpc   Nucléosynthèse  primordiale:   Age>10  Gyr   cuisson  des     noyaux  atomiques  légers     dans  l’univers  primordial,   conforme  à  l’abondance  observée   dans  les  environnements  stellaires   8  
  • 9. Le rayonnement fossile (CMB) Modèle du Big Bang chaud Emission du CMB: ↓ T=3000°K L’Univers homogène et isotrope se refroidit au cours du temps Aujourd’hui: ↓ T=3°K Relique sous forme de rayonnement de corps noir! (Equilibre thermodynamique) Plasma Formation of Atoms L’Univers devient Primordial transparent Hydrogène Hélium ↓ Première émission de Photon lumière sur de grandes distancesNoyaux Libres protons Electrons + libres Deutérium Photon libre neutrons
  • 10. Détection du rayonnementFossile comme un bruit de fondPenzias & Wilson (1965)Prix Nobel 1978 Big Bang chaud# et données de COBE #COBE, 1991 Intensité Mather & SmootNobel 2006 Modèle sans Big Bang (cosmologie Fréquence quasi-stationnaire de Hoyle) Données de WMAPWMAP,  2004 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe),Planck 2012 WMAP Scientific Team, 2003.
  • 11. La nucléosynthèse primordiale« Distribution des éléments chimiques dans l’Univers: Pour un million d’atomes d’Hydrogène (1000 000), il y a → 85 000 atomes d’4He → 1400 tous les autres éléments (O, C, Ne, Fe, N, etc.) → 30 Deutérium (isotope de l’Hydrogène) → 10 3He« Pourquoi cette distribution?« Les étoiles ont-elles pu cuire autant d’Hélium? → Le modèle du Big Bang chaud implique une fabrication primordiale des éléments lorsque T~109K (t ~ sec)
  • 12. La nucléosynthèse primordiale Observé : 4He~0.1 D ~ 5x 10-5 3He~ 2x 10-5 Outils PREUVE→ Relativité Générale→ Physique Nucléaire PREDICTIONS « L’Univers est composé de 4 % de protons, neutrons OK CMB! « Il n’existe que trois familles de particules élémentaires OK Z0!
  • 13. Le modèle standard du Big Bang chaud##  1970-1995: modèle communément admis ➜  Mesure précise des paramètres cosmologiques#  Indications en faveur d’une énergie manquante: baryons + matière noire ≤ 30% du contenu total#  Motivations pour la mesure de la décélération de l’expansion ➜  1968: test entre cosmologie dynamique (Lemaître) et stationnaire (Hoyle) ➜  1990: courbure de l’Univers et nature de l’énergie manquante#  Développement d’expériences dédiées : ➜  COBE (Nobel, 2006), surveys de galaxies, télescopes spatiaux et terrestres#  Découvertes préparatoires: ➜  capteurs photographiques numériques CCD (prix Nobel 2009), traitement informatique, classification, calibration des supernovae, effet des poussières galactiques 13  
  • 14. Cosmologie avec les supernovae##  Différents types de supernovae: ➜  Type II: explosion d’étoiles supermassives solitaires ➜  Type I: combustion d’une naine blanche dans un système binaire#  Universalité dans les supernovae de type Ia CorrélaJon  entre  la  forme   de  la  courbe  de  lumière   et  la  luminosité  intrinsèque   Supernovae  de  type  Ia   comme  indicateurs  de   distance   Vastes  programmes  de   recherche  de  supernovae   Source:  High-­‐z  Supernova  &     Supernovae  Cosmology  Project     14  
  • 15. Moissonner les supernovae#Suivi  de  100  champs  de  ciel   profond   avec  1000  galaxies  par   champ  :       Dizaines  de  supernovae   trouvées  par  nuit      Etudes  spectroscopiques  et  de  la  courbe  de  lumière  par   instruments  dédiés  (HST,  télescopes  à  Hawai  et   au  Chili,  etc.)     15  
  • 16. 16  
  • 17. 17  
  • 18. Lʼaccélération de lʼexpansion cosmique#  UNION  2010  data     ─   AccéléraJon   ─ DécéléraJon   18  
  • 19. SNe sont plus faibles que prévu─  Décélération (100% Matière)─  Accélération (Matière et Energie Noire) ↓ Elles sont plus éloignées que prévu ↓ L’expansion cosmique a accéléré!
  • 20. Fluctuations du rayonnement fossile Pour une fluctuation δ: L<Horizon δ↑ sous l’influence de la gravité δ ↓ sous l’influence de la pression Oscillations acoustiques! L>Horizon Ondes de pression trop lentes! L<Horizon Instabilité gravitationnelle! GéometrieIntensité des fluctuations (µK²) ─  Ancien modèle standard (100% Matière) Matière ─  Baryons, Matière Noire et Energie Noire totale #   Géometrie: Baryons Univers Plat # Composition actuelle en énergie: →  Matière : ~24% →  Baryons: ~4% →  Matière Noire : ~ 20 % → Energie (Noire) manquante: ~76%! Taille angulaire des fluctuations (°)
  • 21. L’énergie noire et les grandes structures«  Oscillation acoustique des baryons : 2-point correlation function ─  SDSS Luminous Red Galaxies ─  ΛCDM, Ωm=0.24 ; ΩΛ=0.76 ─  OCDM, Ωm=0.24 Distance r (h-1 Mpc)«  Influence sur les vitesses particulières des galaxies (galaxy redshift distortion)«  Distribution à grande échelle des galaxies (spectre de puissance) 2dFGRS : 0.65<ΩΛ<0.85 at 95% C.L. SDSS: Ωm=0.24±0.02 at 95% C.L.
  • 22. Modèle de concordance: lʼunivers invisible# Composition actuelleUnivers de# en énergie de l’UniversLemaître-# (>95% C.L.)Eddington# hmp://supernova.lbl.gov   Atomes  ~4% ProporJon  d’énergie  noire  Λ# Ma@ère   noire  ~20%     Energie  noire  Λ (DE)~76%     Radia@ons   ~0.01%   ΛCDM ProporJon  de  maJère   « Age  de  l’Univers:   ~  14  milliards  d’années  de Sitter# Einstein-de Sitter# « Univers  plat  ΩΛ=1# Ωm=1# 22  
  • 23. Qu’est-ce que l’énergie sombre? L’accélération cosmique Gaz ordinaire: requiert des La pression est dirigée vers pressions négatives! l’extérieur (p>0) Variation de l’énergie interne: ΔU=-p ΔV<0 pendant l’expansion (ΔV>0) Exemple de Effet Casimir: Pressions négatives! Fluctuations du vide quantiqueExpansion cosmique produit Energie du vide?davantage d’énergie du vide ↓ Evide# Constante Evide↑# Evide↑↑↑#cosmologique d’Einstein Accélération Cosmique! Λ 23
  • 24. L’insoutenable légèreté du vide«  Théorie quantique des champs et gravitation: le vide devrait avoir une énorme énergie x1050 dans 1cm³ Echelle d’énergie de la gravitation quantique«  Observations (modèle de concordance): x1 dans 1cm³ « Désaccord » d’un facteur 10123 Problème deð  Pourquoi la constante cosmologique est-elle si petite? l’ajustement fin!ð  Pourquoi l’énergie du vide (quantique) est-elle aussi grande que l’énergie critique (cosmologie) aujourd’hui? (l’énergie noire est-elle vraiment constante?) Problème de la Coincidence!
  • 25. Au delà de Λ #  Arguments des défenseurs de Λ: ➜  L’héritage ultime d’Einstein : une nouvelle constante de la physique ➜  le modèle le plus efficace ➜  Le modèle le plus simple (un seul paramètre) ➜  L’énergie du vide existe ➜  Argument anthropique ou landscape: de tous les vides possibles, nous observons celui qui est compatible avec notre existence#  Arguments des détracteurs de Λ: ➜  Abandon d’Einstein et Λ seule constante fondamentale additive?! ➜  Difficultés observationnelles ➜  Quid si physique complexe du secteur sombre ? ➜  Poids de l’énergie du vide => gravitation quantique ➜  Principe anthropique: « People that have no ideas can still have principles » (E. Kolb) 25  
  • 26. Au-delà d’Einstein avec l’énergie noire… Constante Cosmologique Gravité d’Einstein: Energie sombre gelée  Ajustement fin/ coincidence Quintessence Energie sombre variable (avec uniquement des interactions gravitationnelles)  Autres empreintes physiques que l’expansion cosmique Nouvelle physique? Energie noire couplée (Not so dark) Modification de la gravitation? Dimensions supplémentaires?  Principe d’EquivalenceNouveau paradigme cosmologique? Pesanteur anormale? Ouverture sur une nouvelle théorie de la gravitation!
  • 27. « Encore un modèle dʼénergie sombre?! »##  De nombreuses interprétations de l’accélération cosmique ont été proposées… CERTES, MAIS#  Filiation avec de vieilles et profondes idées en physique ➜  Λ: idées de Mach en relativité générale ➜  Quintessence : champ scalaire inspiré par la physique des particules ➜  Coupled DE : variation des constantes de la physique ➜  Backreactions: modèles d’Univers inhomogènes de Lemaître- Tolman ➜  Brane cosmology: extra-dimensions à la Kaluza-Klein ➜  F(R)-gravity : théorie du champ unitaire d’Einstein ➜  AWE: approche de Brans-Dicke du principe de Mach#  Opportunité unique d’éprouver enfin ces idées… 27  
  • 28. Le mystère de lʼénergie sombre# Problèmes     ObservaJonnels?   ESA  Euclid   Space  mission   Nouvelle    Cosmologie?   2019   Λ Nouvelle     Physique?   28  
  • 29. Notes de cours fil noir 2011 et 2012:http://perso.fundp.ac.be/~afuzfa/Fleurance/
  • 30. Lʼunivers invisible# Matière noire et énergie sombre,deux aspects différents de la même physique? 32  
  • 31. Une vieille affaire : la matière noire Données expérimentales Velocity (km/s) Contribution de la matière noire! Courbe attendue avec les étoiles du Radius (kpc) disque«  Les étoiles tournent trop vite autour des galaxies«  Les galaxies tournent trop vite dans les amas (F. Zwicky 1930) →  Cohésion: il doit exister une grande quantité de matière invisible!«  Lentilles gravitationnelles: →  Il doit exister une grande quantité de matière invisible entre les galaxies«  Rayonnement fossile: →  Matière noire= 5x Matière ordinaire
  • 32. La matière noire aux échelles cosmologiques Les mirages gravitationnels nous renseignent sur# la distribution de la matière noire intergalactique.#
  • 33. Matière noire et formation des structures Les simulations numériques nous aident à comprendre# comment les galaxies se sont formées à partir de# lʼeffondrement de très grands nuages de gaz.# La matière noire y joue un rôle essentiel en # accélérant la formation des galaxies.#
  • 34. Observations en faveur de la matière noire Amas de galaxies#Lentilles gravitationnelles# La matière ordinaire (lumineuse) ne suffit pas!# Rayonnement Formation des# Fossile Galaxies#
  • 35. La matière noire à l’oeuvre Total=#NGC 1090# Picture: D. W. Hogg, M. R. Blanton (SDSS)# Dark Matter#Data from Gentile et al., MNRAS 351 (2004)# +# Stars# +# gas#«  Etoiles et amas globulaires tournent trop vite autour des galaxies«  Les galaxies tournent aussi trop vite à l’intérieur des amas (F. Zwicky 1930)
  • 36. Matière noire ou gravitation modifiée? Wiggles?! MOND! Newton! MOND:! a~1/r! a0 ~10-10 m/s2 si Broeils 1992 A&A 256 19# MOND:! Famaey eta>>a0! PRD 75 063002# al. 2007 a~1/r! si a<<a0! Newton:! a~1/r2! !
  • 37. Why going beyond ΛCDM? «  What is Dark Matter (DM) AND what is Dark Energy (DE)? →  DE: cosmological constant Λ èvacuum energy è fine-tuning ρexpΛ~(1028eV)4# →  DM: yet-undiscovered faintly interacting heavy particle# →  CDM and DE not physically related # →  Triple coincidence on Ωbaryons, ΩCDM and ΩΛ #«  Negative Pressures of DE Violation of the Strong Energy Condition (SEC) →  Gravitational collapse of DE!# →  Effect of structure formation!# Beyond the Λ ...? «  Coincidence Problem ρobsΛ~ (10-3eV)4 →  Why is vacuum energy of the order of a present cosmological property?# →  A cosmological mechanism behind DE? Low-energy physics? #
  • 38. Why Dark Matter-Dark Energy interactions? «  Are the nature of DM and DE really physically disconnected?«  A cosmological mechanism for DE? →  Dynamical DE ð new degrees of freedom# Separately conserved: QUINTESSENCE (only gravitational interaction) Conserved together: COUPLED DE«  New interactions: toward a unified physics of the dark sector? →  DM-DE of same physical nature# →  Coincidence: DE is related to the dominance of DM# →  Allows new tests of the nature of DE#«  Violation of the Equivalence Principles (EPs): →  Matter – DE energy exchange is viewed as an energy loss through an invisible channel# →  If so, local physical laws does not seem to be those of special relativity…#
  • 39. What lies behind the Λ? Gravitation gµν Space-time independentFrozen Vacuum Energy:cosmological interactions (Minimal Coupling) Invisible Sector Λ Dark Matter Visible Sector Baryons ΛCDM Photons constant Λ A Dynamical Cosmological Constant? ðNew degrees of freedom! →  Quintessence: Matter and DE conserved separately, only gravitational interaction →  Modified Gravity: Matter interacting with DE (non-minimal coupling)#
  • 40. What lies behind the Λ? Quintessence?!«  Quintessence, k-essence: Gravitation gµν Varying Dark Energy ϕ Minimal Coupling Invisible Sector (Effective) Potential V(ϕ)# V (ϕ ) Λ Dark Matter Visible Sector Baryons Photons Cosmic acceleration if violation of Strong Energy Condition DE dof (p<-ρ/3) ϕ ϕ# ç C. Wetterich, Nucl. Phys. B 302, 668 (1988) ç B. Ratra & P.J.E. Peebles, Phys. Rev. D37 (1988) 3406 Ex.: Slow-roll ç C. Armendariz-Picon et al., Phys. Rev. D 63, 103510 (2001) ç E.J. Copeland, et al., Int.J.Mod.Phys. D15 (2006) 1753-1936
  • 41. What lies behind the Λ? Interacting DE?! Dark Energy ϕ Gravitation → Bare Space-time g*µνcoupling non-minimally: → Running coupling Gm(ϕ) Λ space-time dependent universal interactions Gm(ϕ)# Gm(ϕ)# Invisible Sector Visible Sector Violation of the Strong Equivalence Principle SEP violation (tensor-scalar gravitation): →  Varying GN # =Effective metric felt by matter, (are SNe Ia still Standard Candles?)# suited by the scalar field →  Adequacy with constraints on SEP?# →  Why is SEP violated?# Cosmic acceleration through deviation from GRç P. Jordan, Nature 164, 637 (1949)ç M. Fierz, Helv. Phys. Acta 29, 128 (1956)ç C. Brans and R. H. Dicke, Phys. Rev. 124, 925 (1961)
  • 42. What lies behind the Λ? Gravitation → Bare Space-time g*µν Space-time dependent# → Running couplings Gm, Gawe Α nonuniversal interactions# Gawe(ϕ)# Gm(ϕ)# Abnormally Weighting Normally Weighting Invisible Sector Visible Sector Does Dark Matter fall in the usual way? No WEP ð no SEP Weak Equivalence Principle Transient deviation from GR violation ð cosmic acceleration Abnormally Weighting Energy (AWE) hypothesis
  • 43. The Dark Cosmology Iceberg Cosmological Constant Coincidence? ð cosmological mechanism (ϕ)! Quintessence Only gravitational interactions? ð Non-Minimal couplings! Scalar tensor gravity Universality of NM couplings? ð No uniersality of free-fall! AWE Hypothesis DM-DE unification…?
  • 44. Sonder l’Univers lointain avec des chandelles standard Chandelle Standard : Etoile Céphéide Galaxie Vitesse? → Effet DopplerDistance? →Luminosité à l’émission L Obs=L/d² Prisme Courbe de lumière des Céphéides : Luminosité Temps (jours)
  • 45. La mesure de l’expansion cosmique par Hubble Diagramme Original par Hubble (1929; méthode des Céphéides) E. Hubble, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 15 PREUVE « Loi de Hubble: V=H0D « Lemaître (1927) H0= 650 km/ s/MpcVitesse « Age prédit de l’Univers < 2x109 années « Age de la Terre : 4x109 années!