COSMOLOGIE, le modèle Standard :...............................................................................................
Plan du document :
Présentation 7
Présentation.................................................................................................................................. 8
Introduction : Naissance de la Cosmologie contemporaine.............................................................. 9
Quelle métrique pour décrire l'univers ? : Hypothèse sur le contenu de l'univers............................. 11
Principe Cosmologique....................................................................................................................................................... 11
Conséquences de l'homogénéité et de l'isotropie........................................................................... 12
Type de métrique générale associée............................................................................................. 12
Type de Métrique associé au sous espace 3D symétrique............................................................. 13
Tenseur de Ricci associé au sous espace 3D.................................................................................................................. 13
Solution: La métrique de Robertson Walker (RW) ( postérieure à Eq. Friedmann )................... 14
Description de la métrique de Robertson Walker (RW) ( postérieure à Eq. Friedmann )............ 15
La métrique de Robertson Walker définit un référentiel Cosmique spatio temporel "absolu"........... 15
Types d'univers associés à la métrique RW.................................................................................. 16
Cas plat, k = 0 : la métrique sur S est................................................................................................................................ 16
Cas fermé k = + 1 : On définit r = sinc pour écrire la métrique sur S comme suit.................................................. 16
Expansion de L'univers ( la vitesse de récession est proportionnelle à la distance)................................................. 17
A- Les propriétés extraordinaires des coordonnées de la Métrique de Robertson Walker (RW) :.. 18
a) Observateurs Comobiles : La Coordonnée "t" de temps cosmologique est la même........................................... 18
b) Distances: Coordonnée "r"........................................................................................................................................... 18
Calcul des paramètres géométriques : Tenseur d'Einstein ( membre de gauche)....................................................... 19
Calcul des symboles de Christoffel ( Gikj = 1/2.Gkl.(¶Gil/ ¶xj+¶Gjl/¶xi- ¶Gij/¶xl) pour la métrique RW....................... 19
Calcul du tenseur de RICCI ( Rij =¶Gkij/¶xk - Gkil . Gljk ) pour la métrique RW ,............................................................ 19
Calcul scalaire de RICCI ( R = GijRij ) pour la métrique RW........................................................................................... 19
Le Tenseur Energie Impulsion d'un fluide parfait ( membre de droite)............................................ 20
Equation d'état............................................................................................................................ 21
Relation entre la densité de matière et la pression......................................................................................................... 21
Fluides galactiques....................................................................................................................... 22
Fluide de type "matière"............................................................................................................... 22
Fluide de type "rayonnement"....................................................................................................... 23
Fluide de type " énergie du vide".................................................................................................. 24
Résolution de Equation d' Einstein ............................................................................................... 25
Equation de Friedmann ( 1922)....................................................................................................... 26
Les Univers possibles.................................................................................................................. 27
Terminologie:............................................................................................................................... 27
Constante de Hubble.......................................................................................................................................................... 27
Facteur d'échelle "a", paramètre de décalage spectral "z"............................................................................................ 27
Paramètre de décélération........................................................................................................... 27
Paramètre de densité W............................................................................................................... 28
Etude qualitative de l'équation de Friedmann................................................................................ 29
Rappels généraux................................................................................................................................................................. 29
Singularité initiale : le big bang.......................................................................................................................................... 29
Evolution de l'univers................................................................................................................... 30
Si k £ 0 , (Univers plats et ouverts ) : Expansion éternelle............................................................................................ 30
Vitesse d'expansion............................................................................................................................................................. 30
Si k = 1, Univers fermés : Expansion jusqu'à un maximum puis contraction............................................................... 31
Solutions exactes de l'équation de Friedmann............................................................................... 32
Univers de FRW dominés par la matière.......................................................................................................................... 32
Univers ouverts................................................................................................................................................................... 32
Univers plats........................................................................................................................................................................ 32
Univers fermés..................................................................................................................................................................... 32
Univers dominés par le rayonnement:.............................................................................................................................. 33
Univers ouverts................................................................................................................................................................... 33
Univers plats........................................................................................................................................................................ 33
Univers fermés..................................................................................................................................................................... 33
Univers dominés par le vide............................................................................................................................................... 34
Synthèse des Solutions exactes.................................................................................................... 35
Dans quel Univers vivons nous :................................................................................................... 36
Cas de l'expansion critique ( 1995, justification criticité: inflation), k=0, Wm=1 : Les paramètres sont : 36
Cas d'univers dominé par la matière et une constante Cosmologique non nulle.............................. 37
Synthèse de l'évolution de l'Univers ref [6]................................................................................................................... 38
Cas particulier W0m ( ~0,3) + WL (~0,7) ~ 1 ( hypothèse en fonction des observations récentes)....................... 40
Aujourd'hui quelle que soit sa topologie, aujourd'hui l'Univers accélère ( après avoir longtemps décéléré)....... 40
Quelle topologie pour l'Univers ?...................................................................................................................................... 40
Remarque sur la variation de Wtot au cours du temps.................................................................................................... 40
Rôle de l'inflation primordiale............................................................................................................................................. 41
Bien que les différents W varient énormément, avec l'expansion, l'Univers ne change pas de topologie !.......... 41
Constante Cosmologique positive correspond à une "répulsion".............................................................................. 41
Influence de la densité sur le destin de l'Univers............................................................................ 42
Les paramètres Cosmologiques................................................................................................... 43
Discussion sur les méthodes d'évaluation des paramètres cosmologiques....................................... 43
Distance de luminosité........................................................................................................................................................ 43
Effet de courbure................................................................................................................................................................. 43
Rappel des méthodes classiques et des résultats : Situation en 1995 ( univers avec L=0)............... 44
Estimation directe de r....................................................................................................................................................... 44
L'âge de l'Univers ( 1995).................................................................................................................................................... 45
Nucléosynthèse primordiale.............................................................................................................................................. 45
La valeur de la constante de Hubble mesurée................................................................................................................. 46
L'observation directe révèle un Univers beaucoup trop léger......................................................... 46
A la recherche de la matière invisible............................................................................................................................... 46
Il y a donc de la matière indétectable par son rayonnement ........................................................................................ 46
La masse manquante détectée ?........................................................................................................................................ 47
Tout semble pour le mieux dans le meilleur des mondes , et pourtant …................................................................... 47
Approche actuelle....................................................................................................................... 48
D'où la mise en place de nouvelles stratégies................................................................................ 48
Le paramètre de décélération q.......................................................................................................................................... 49
Méthode de mesure............................................................................................................................................................. 50
Décalage vers le rouge........................................................................................................................................................ 51
Rapport des facteurs d'échelle........................................................................................................................................... 51
Distance de luminosité................................................................................................................. 52
Méthode de calcul de H0 et q a partir de la distance de luminosité et du Décalage vers le rouge z.................... 53
Calcul Rigoureux de DL............................................................................................................... 55
Age de l'univers ( calcul en fonction du rapport Wm , WL en négligeant l'énergie du rayonnement (fig 4.3) 55
Distance d'horizon en fonction du décalage spectral...................................................................... 57
Où on a introduit pour être complet, une contribution du rayonnement et d'une matière hypothétique X qu'on néglige en général........................................................................................................................................ 57
Supernova Cosmology project :.................................................................................................. 58
Projet Boomerang ( mesure fine de l'anisotropie du RFC)............................................................. 60
Conclusion.................................................................................................................................. 63
Glossaire..................................................................................................................................... 64
Références.................................................................................................................................. 68
Hypothèses sur la structure de l'Univers,
Détermination
de la métrique appliquable,"Robertson Walker":
Utilisation de
l'équation d'Einstein,
Modélisation des fluides galactiques, équation
d'état
,
Résolution de
l'équation d'Einstein : l'équation de Friedman
,
L'équation de Friedmann-Lemaitre
Les
Univers possibles :Discussion qualitative de l'équation de Friedman,
Solutions
exactes de l'équation de Friedman
Dans quel univers
vivons nous ?:
Expansion critique avec L =0,
Les paramètres
cosmologiques qui
déterminent le destin de l'univers et
Mesures de distances dans un Univers FLRW,
Glossaire avec accès aux rubriques en hypertexte,
La présentation est très allégée vis à
vis du document de référence qui sera en ligne.
Elle met l'accent sur :
- La genèse de la Cosmologie contemporaine, qui montre que très tôt, même sur des hypothèses
contestables mais dont le caractère heuristique mérite attention, tous les
éléments étaient déjà réunis pour son développement.
- La métrique de Robertson Walker , son établissement intuitif et ses propriétés extraordinaires (
Référentiel Cosmique "absolu")
- Les contraintes apportées par l'équation
d'Einstein (
détermination des paramètres de la métrique de RW, déterminant les Univers
possibles), la solution de Friedman d'abord ( pour commencer par le plus simple) dont on
fera une discussion qualitative simple.
La solution de Lemaître avec constante cosmologique qui étend la gamme des
Univers possibles. Discussion qualitative de cette solution.
Nous essaierons de déterminer dans lequel de ces univers possibles nous vivons, cas critique sans constante cosmologique ou avec, et
qu'est ce que cela change.
Nous regarderons plus en détail le
deuxième cas et quel
genre de mesures peut nous renseigner sur ce sujet.
Monsieur Picard présentera et commentera
l'état des connaissances actuellement. Puis nous conclurons
Après avoir établi l'équation de la Relativité
générale, Einstein tente de l'appliquer à la Cosmologie, dans le contexte de
l'époque ( en 1916 l'univers connu est constitué des étoiles fixes, des nébuleuses), avec
comme hypothèses :
- Univers homogène et isotrope (hypothèse
à priori quasi obligée), rempli d'un fluide parfait de densité r, de pression p.
- Il est clos ( satisfaction du principe de Mach* )
- Il est statique ( arbitraire, pour se conformer à ce qui est observé ),
Pas de solution statique , en
1917, il va ajouter une constante à son
équation : la fameuse constante
Cosmologique L**.
Sa publication "Kosmologische Betrachtungen"
en février 1917 marque le début de Cosmologie contemporaine, il y
tente de justifier (à posteriori) cette constante épistémologiquement par le principe
de Mach qu'il sépare en deux parties : Le principe de relativité générale et la
définition totale de la géométrie l'Univers par son contenu.
En 1917 de Sitter montre qu'un univers vide avec
constante cosmologique est en expansion, battant en brèche ce dernier principe ( on a fait pire depuis). Le côté
"ad hoc" de cette constante donne lieu à de nombreuses polémiques.
En 1922 Friedmann (
alors que la vision de l'Univers n'avait pas changé)
propose à Einstein sa solution sans cette constante L qu'il juge arbitraire, c'est un Univers
dynamique. Einstein mettra plus de 10 ans à l'admettre, puis Lemaître
(1925-1927)
pour allonger l'âge de l'Univers réintroduit
L, permettant d'enrichir les
solutions.
Indépendamment de la validité des
hypothèses, tous les ingrédients de la Cosmologie Contemporaine étaient déjà là….
* Einstein est très influencé par le principe
de Mach (1883) qui stipule que l'inertie de la matière naît de l'interaction entre les corps
"massifs" cf ref
[10]. Notons qu'Einstein a renié par la suite ce principe de Mach ( comme
il a renié L )
On se rappelle que le fondement du principe de
Relativité Générale repose sur la réfutation du caractère
absolu d'un mouvement de rotation, autour d'un axe les
reliant, entre deux corps isolés. ( par réfutation de
l'espace absolu fictif de Newton). S'il y a une dissymétrie, il doit y avoir
une cause physique: (les masses
distantes)
Mais si l'Univers et sa géométrie
est déterminé par l'ensemble des masses qui le composent alors un mouvement
inertiel "absolu" reprend son sens
dans ce contexte ( puisque l'espace temps
dépend de ces masses). Le pendule de Foucault, système
inertiel, nonobstant la gravitation terrestre
largement dominante localement, bat dans un plan
fixe par rapport à ce référentiel déterminé par toutes les masses de
l'Univers!) . Nous
verrons qu'avec la métrique de Robertson Walker, un
référentiel cosmique spatio temporel privilégié
existe. Est ce un retour de l'espace absolu de Newton. Non selon Einstein
puisque cet espace là est physique ( déterminé par la
matière)
La fermeture de l'Univers ( dans le contexte statique) est lié
au problème à l'infini, où à la limite de Minkoski,
l'inertie s'annulerait . La métrique de Schwarschild
lui posait déjà ce problème.
La Cosmologie moderne procède d'une matérialisation
( physicalisation) de la chrono-géométrie et non pas de l'inverse
Pas de cadre imposé comme en mécanique Newtonienne, on
définit ce cadre dans le contexte formel imposé par la RG, choix à faire parmi
une infinité d'univers possibles.
La démarche d'Einstein est très philosophique ( ses détracteurs diront dogmatique ).
**Aujourd'hui, on considère l'introduction d'une constante Cosmologique
parfaitement fondée, comme
une généralisation constructive
de l'équation d'Einstein ( le cas L=0 n'étant qu'un cas particulier qui conduit à une limite de Minkowski
en cas de d'Univers vide). A l'époque les scientifiques étaient des
découvreurs, amenés à faire certaines opérations dont ils ne saisissaient pas
toujours la portée à plus long terme.
L'univers est homogène ( identique à lui même partout) et isotrope ( identique à
lui même dans toutes les directions). Ce qui fait que chacun croit être le
centre de l'univers. Malgré les inhomogénéités locales, à grande échelle,
l'Univers parait satisfaire à ce principe qui est corroboré par le comptage des galaxies, les rayonnement
X diffus, le rayonnement de fond g et le RFC à 3 °, la décroissance ( moins rapide que prévue par le modèle théorique de la
matière noire froide : CDM) de la fonction de corrélation de distribution des
galaxies sur la voûte céleste . Par
ailleurs le fait qu'il n'y ait pas de point privilégié dans l'Univers
, ni centre , ni bords est une hypothèse plutôt élégante sur le plan
intellectuel.
L'observation des galaxies lointaines nous indique que l'univers
n'est pas statique, non homogène en temps (passé ¹du futur).
En Relativité Générale, cela conduit une
foliation ( découpe en tranches d'espace homogène et
isotrope) de l'univers par le temps , ce qui permet de séparer les variables.
L'Espace temps
est alors de type R . S ou R représente la direction
du temps et S est une
variété topologique homogène et isotrope de dimension 3, représentant l'espace.
Ces deux contraintes confèrent à
l'espace une symétrie maximum, en conséquence la métrique est de la forme
ds² = -dt² +a (t) gij
(u) dui duj (1)
t coordonnée
de temps, u coordonnée d'espace de S, gij est la
métrique associée de symétrie maximum sur å.
La fonction a(t)
est le facteur d'échelle qui indique la taille à l'instant t. Les coordonnées
u sont appelées coordonnées "comobiles"
Un observateur dont les coordonnées
"u" ne changent pas est appelé comobile
( sur géodésique ).
Seuls les observateurs comobiles vont constater l'isotropie et homogénéité de
l'espace.
Ils vont de surcroît observer
l'univers au même âge (
temps universel mesuré par la température du RFC par exemple) comme
conséquence de la structure de l'Univers
Sur Terre, ce n'est pas le cas, on
observe une anisotropie dipolaire du RFC ( 10-3)
dans le sens du mouvement global de la Terre (qu'on sait corriger). L'expansion tend à annuler les mouvements
propres
Si on s'intéresse aux métriques 3D à
symétrie maximum gij , elle
obéissent à la loi
(3)Rijkl = k ( gik gjl - gilgjk) (2)
ou k est une constante et l'indice (3)
sur le tenseur de Riemann nous rappelle que c'est une métrique 3D, gij n'est donc pas la métrique de l'espace temps.
Le tenseur de Ricci dont la forme
générale est Rmn =¶Gman/¶xa + GmabGnba
peut s'exprimer
plus simplement compte tenu du haut degré de symétrie de l'espace.
Ses composantes d'espace s'écrivent dans
ce cas
(3)Rjl = 2k. gjl (3)
Si l'espace est à symétrie maximale il
possède nécessairement une symétrie sphérique : Elle est de forme
ds²= gij dui duj
= e 2b(r) dr² + r² (dq+sinq. dF²) (4)
Les
composantes du tenseur de Ricci associé sont :
(3)R11 = (2/r)¶1b
(3)R22 = e -2b(r.¶1b-1) + 1
(3)R33 = [e -2b(r.¶1b-1) + 1] sin²q (5)
On les pose proportionnels à la métrique
en utilisant (3), et on résout pour b (r):
b = -(1/2). ln
(1-kr²) (6)
ds²= -dt² +a²(t).[(dr²/1-kr²)+r²(dq²+sin²q.dF²)] = -dt² +a²(t). ds² (7)
ds²= gmndxmdxn avec gmn
= gmn = 0
si m¹n et
g00= -1 ,
g11= a²(t)/1-kr², g22 = a²(t)r², g33= a²(t)r².sin²q, gµµ= (gµµ)-1
dx0=dt, dx1=dr, dx²=dq, dx3=dF.
t,r, q, F.
Coordonnées par rapport à l'observateur local
Notons que les substitutions :
k ®
k / |
k |,
r ®
r. ( |
k | 1
/ 2 ) et a ®a / ( êk ê 1
/ 2 ) (8)
laissent (7) invariant, donc le seul paramètre
pertinent est k/| k|, et il y a 3 cas intéressants:
k = - 1, k = 0, et k = + 1.
Le cas k = - 1 qui correspond à une courbure constante
négative sur å, est appelé ouvert.
Le cas k = 0 qui correspond à une courbure nulle sur å, est appelé plat.
Le cas k =
+ 1 qui correspond à une courbure
positive sur å, est appelé fermé.
ds²= -dt² +a²(t).[(dr²/1-kr²)+r²(dq²+sin²q.dF²)] = -dt² +a²(t). ds² (7)
t, r, q
et f Coordonnées
par rapport à l'observateur local , où "r" est une
grandeur "sans dimension", à multiplier par a(t): 0 £ r £ 1.
Les autres coordonnées sphériques angulaires q et f sont classiques
Déterminée sans l'équation d'Einstein.
Cette métrique dynamique, invariante
par translation et rotation, mais pas par une transformation de Lorentz, définit une
variété de type R.S avec R réel
(temps), S espace
symétrie Max fonction de:
a(t)
facteur d'échelle qui décrit l'évolution temporelle de l'univers et de k qui décrit sa géometrie spatiale
A priori les paramètres a(t)
et k sont indépendants, mais comme l'équation d'Einstein
doit être satisfaite ( contraintes en fonction de Tmn) les valeurs
possibles déterminées par cette équation vont
limiter cette liberté.
Seuls les observateurs de coordonnées r, q et f fixes, dits "comobiles" ( sur une géodésique ), constateront l'isotropie et homogénéité de l'espace (comme s'ils
étaient au centre de l'Univers! ), et observeront l'univers au même âge
( temps universel mesuré par la température du RFC par
exemple) .
Le pendule de Foulcault
va s'aligner sur ce référentiel.
Sur Terre, on observe une anisotropie dipolaire du RFC ( 10-3) dans le sens du mouvement global de la Terre (qu'on sait corriger).
Par ailleurs, l'expansion décale la lumière vers le
rouge et ralentit les mouvements propres des galaxies.
Rappelons qu'il y a 3 cas intéressants: k = - 1, k = 0, et
k = + 1.
ds ² = dr² + r².dW² = dx² + dy² + dz² (9)
Elle caractérise un Espace Euclidien.
Globalement il peut décrire R3 ou une
Variété topologique plus complexe comme un Hyper Tore S1×S1×S1 sans limites mais de
volume fini, par exemple ( cf
univers de Luminet).
ds
² = dc²
+ sin²c.dW² (10)
Qui est la métrique d'une Hyper Sphère, a(t) est physiquement le rayon de l'hypersphère
à l'instant t. C'est la seule possibilité pour la structure globale, ( exception faite de Variétés topologiques non orientables ).
Cas ouvert k =
- 1 : on pose r = sinhy et on
obtient
ds
² = dY²
+ sinh²Y.dW² (11)
C'est la métrique d'un espace 3D à
courbure négative constante, difficile à visualiser (penser à la selle de
cheval en 2D). Globalement un tel espace peut s'étendre indéfiniment (d'ou le
qualificatif d'ouvert), mais il peut aussi décrire un espace topologique
compact non simplement connecté fini, ce qui fait que le terme
"ouvert" est impropre.
OA = 6, OB = 3 à t1(fig a), facteur d'échelle double à t2, OA = 12, OB = 6 à t2
(fig 2), V =dOA(B)/dt ® V(OA)=
2 V(OB)
Par exemple l'explosion d'une supernova
lointaine ne sera pas vue en même temps par deux observateurs comobiles mais sera datée ( dans
le passé ) au même temps Cosmologique 't".
Ceci
ne serait pas le cas si les observateurs comobiles ( donc en mouvement relatif ) utilisaient localement les
coordonnées de Lorentz (relativité restreinte) On peut par transformation de
coordonnées ( la RG est faite pour cela)
s'en persuader.
Mais en métrique de RW la propriété
"Comobile correspond à la propriété
"repos" en RR.
Rappellons la loi de Hubble : V = H0.D
D = a0.r
( on ne
connaît pas en général "r")
Où D est la distance au temps t0 ( par rapport à
nous) de la galaxie fuyant à la vitesse V, comment mesure t'on D et V ?
Pour D c'est la distance " actuelle " au
temps t0, ceci peut se faire avec l'aide d'une "infinité "
d'observateurs comobiles qui mesurent de proche en
proche au même temps t0 et nous rappatrient
les mesures ( qu'on reçoit et exploite à t1
> t0)!
Distance angulaire DA d'une galaxie de
taille connue d vue sous un angle q avec DA = d/q.
Distance de luminosité DL
, d'un objet de luminosité absolue L connue à partir du flux lumineux
reçu : Flux = L/4pDL
².
Distance parcourue par la lumière entre le temps
d'émission ( non
connu en général) et de réception !
Enfin heureusement il y a "z" , le décalage spectral , facile à mesurer mais à
manipuler avec circonspection!
L'équation d'EINSTEIN (1916) avec
la métrique RW
Maintenant que nous disposons de la
métrique on peut calculer les symboles de Christoffel et le tenseur de courbure
G 101 = a.a'/(1-kr²)
G 202 = a.a'.r²
G 303 = a.a'r².sin²q
G 011 = G 110 = G 022 =
G 220= G 033
= G 330 = a'/a
G 212 = -r.(1-kr²)
G 313 = -r.(1-kr²).
sin²q
G 122 = G 221
= G 133
= G331= 1/r
G 323 = -
sinq.
cosq G 233
=G 332
= cotq (12)
R00 =
-3a"/a,
R11 = (aa" + 2a'² + 2k) / (1 - kr²),
R22 = r²
(aa" + 2a'² +2k),
R33 = r²
(aa" + 2a'² +2k)sin²q, (13)
R = 6(aa"+a'²+k)/a² (14)
Considérons ce tenseur Energie Impulsion
( La composante Tmn du tenseur Energie Impulsion est le flux de la
composante pm de la quadri Impulsion à travers une hyper surface
définie par xn constant ), d'abord sous
sa forme la plus simple, dans un référentiel inertiel (15 bis).
Tmn =( p + r ) Um.Un + p.h mn = diag (r, p,
p, p) (15
bis)
On rappelle que sa généralisation dans un
référentiel quelconque, dans l'hypothèse d'un fluide parfait isotrope dans son
référentiel repos, vaut: Tmn
= ( p +
r
) Um.Un
+ p.g mn (15)
ou r
et p sont respectivement la densité d'énergie et la pression mesurées dans
le référentiel repos et Um est la
quadri -vitesse du fluide.
Il est clair qu'à un fluide isotrope
dans un référentiel on peut faire correspondre une métrique isotrope dans un référentiel.
Faisons coïncider ces deux référentiels.
Le fluide sera alors au repos en
coordonnées comobiles:
La trace est donnée par : T
= Tmm=
- r
+ 3p (19)
Avant de le reporter dans l'équation d'Einstein,
il est instructif de considérer la composante zéro de l'équation de
conservation de l'énergie ( ceci va nous être utile
ultérieurement) :
0 = ÑmTm0 =
¶mTm0 + G mm0 .T00 - Gml0 .Tml = - ¶0 r
- 3 (a'/a )( r+p) (20)
Il faut une équation d'état, relation
entre r et p. Tous les fluides parfaits,
applicables en Cosmologie, conduisent à l'équation d'état très simple(21) où w est une constante dépendant seulement du
fluide :
p=
w.r (21)
On rappelle que :
Tmn
= ( p + r ) Um.Un
+ p.g mn (15) est le tenseur énergie impulsion du
fluide parfait
d(r.a3)
/ dt = a3 ( r'
+ 3 p. a'/a ) = - p.d ( a3 ) / dt d'après
(20). (20
bis)
La variation d'énergie dans un volume
donné, quand l'univers s'étend, est égale à la
variation volume multipliée par la pression ( l'
expansion est adiabatique ) , où w
est une constante indépendante du temps dépendant du fluide. L'équation de
conservation de l'énergie devient :
r' / r
= -3 ( 1 + w) a'/a (22)
r ~ a -3.( 1 + w ) (23)
C'est l'équation (23) qui résulte de
(22) par intégration qui détermine l'évolution de la densité liée à la variation du facteur d'échelle, en fonction
des proportions relatives de matière et de rayonnement ( et
de vide).
1-Univers composé de matière
seulement ( w = 0), la variation est évidemment en a-3.
( r.a3 = constante)
2- Univers composé de rayonnement seulement ( w=1/3), alors la variation est en a-4. ( r.a4 = constante ) :
Les photons subissent une variation d'énergie supplémentaire linéaire en a-1
décalage de la longueur d'onde.
3- Univers composé de vide
seulement ( w =-1) : r = constante
La poussière et le rayonnement sont les
deux exemples les plus connus de fluides galactiques.
La poussière est de la matière non
relativiste sans collision ( ni viscosité) qui conduit
à w = 0.
Les galaxies et les étoiles classiques
sont les exemples typiques de "poussière" ou la pression est
négligeable devant la densité d'énergie à grande échelle.
On qualifie de matière cette poussière et
les Univers dont l'énergie est constituée majoritairement de
"poussière" sont dit "dominés par la matière".
La densité d'énergie décroît
naturellement en:
r ~ a -3 (24)
Correspondant à la dilution d'une
quantité constante de poussières. L'énergie, essentiellement constituée de
l'énergie au repos de cette matière, est proportionnelle à la densité.
Le rayonnement peut être utilisé pour
décrire soit du rayonnement électromagnétique présent soit des particules
massives relativistes se comportant alors comme des photons, du moins pour
l'équation d'état.
Bien que le rayonnement soit un fluide
parfait et ait à ce titre un tenseur énergie Impulsion donné par (15), nous
savons que : Tmn peut aussi être exprimé en terme d'intensité
de champ par (25), dont la trace est donnée par (26)
Tmn
= (1/4 p) (
Fml
. F nl -
(1/4 ). gmn.
F ls. F ls
) (25)
Tmm =
(1/4 p) (
Fml
. F ml -
(1/4 ). (4). F ls.
F ls
) = 0 (26)
Comme il est aussi égal à Tmn =(p+r)
UmUn+
p.gmn, (15) dont la trace :
T=Tmµ = -r+3p ,
(19),
l'équation d'état est
p = r
/ 3 (27)
Un Univers dont la densité d'énergie est
majoritairement sous forme de rayonnement est dit "dominé par le
rayonnement.
Sa densité d'énergie décroît comme:
r ~a -4 (28)
On voit que la densité d'énergie de
rayonnement décroît plus vite que celle de la matière du fait que les photons
dilués en a-3 comme la matière non relativiste subissent
une perte d'énergie supplémentaire en a-1 par décalage vers le rouge
lorsque l'Univers s'étend.
De même les particules relativistes sont
ralenties du même facteur en coordonnées comobiles.
L'équation d' Einstein,
avec métrique de signature ( - , + , + , + ) et avec une constante cosmologique
est
Gmn
= 8pG.Tmn
- L.gmn (29)
Elle a la même forme que sans constante
cosmologique mais avec un tenseur énergie Impulsion supplémentaire pour le vide
qui vaut
Tvide mn
= - gmn. L/ 8pG (30)
Il est calculé à partir de T
mn
= - hmn. L/8pG = diag
(L/8pG ,-L/8pG
, -L/8pG
, -L/8pG
)
dans référentiel repos
Ceci a la forme d'un fluide parfait
conformément à (15) :
Tmn
= ( p +r ) Um.Un
+ p.g mn avec
r = - p = L/8pG (31)
Nous avons donc w = - 1, ( référentiel repos) avec une
densité d'énergie indépendante de "a", conforme à ce qu'on doit
escompter d'une énergie du vide ( à noter que à L > 0 correspond une
pression "négative").
Comme la densité d'énergie de la matière
et du rayonnement décroissent lorsque l'Univers s'étend ,
à long terme l'énergie du vide même faible mais constante l'emporte sauf si une
contraction intervient avant le point "critique". Si on dépasse ce
point critique, on dit que l'Univers est dominé par l'énergie du vide.
Rappelons qu'elle peut aussi s'écrire:
Rmn
= 8pG
( Tmn - (1/2).gmn.T
) (32)
En reportant les résultats trouvés en
(13) pour le tenseur de Ricci Rmn , en (7)
pour le tenseur métrique de Robertson Walker gmn , en
(15) pour le tenseur énergie impulsion Tmn et (19) pour sa trace T.
Soit R00 =
-3a"/a et T = - r
+ 3 p , g00
= - 1, U0 =1, donc
T00 = r,
l'équation mn=
00 ( temps) est :
- 3a"/a = 4pG
( r
+ 3p ) (33)
Et
R11 = (aa"+2a'²
+ 2k)/(1-kr²) et g11 = a²/1-kr² , U1
=0, donc T11 = p.(a²/1-kr²), , l' équation mn=
11 ( espace) donne
a"/a
+ 2( a'/a )² + 2k/a² = 4pG
( r
- p ) (34)
(Du fait de l'isotropie de l'espace, les
autres mn=
22 = 33 , produisent
la même équation).
Pourquoi Einstein n'a t'il
pas dérivé cette équation ? Controverse avec De Sitter
Utilisons (33) pour éliminer les dérivées secondes de
(34), et simplifions on obtient
a"/a = - (4pG/3).(r+ 3 p) (35)
(a'/a)² = 8pG.r/3 - k/a² (36)
Remarquons que r représente dans le cas général rtot = rmat + rrad + rL, que l'on
peut calculer séparément:
rmat est la densité de matière non relativiste,
rrad se calcule
à partir de l'expression du tenseur énergie impulsion exprimé par le tenseur
intensité champ électromagnétique cf (25), (27) ,
rL
est donné
par (30) et (31).
Cet ensemble de deux équations forme l' équation de Friedmann, associé à la métrique de la forme (7), il définit les Univers de Friedmann-Robertson-Walker (FRW) . Lemaître a généralisé
cette équation en réintroduisant L( 1925-27)
Il est remarquable de penser
que cette équation a été établie alors que l'univers se réduisait aux étoiles
fixes!
Le taux d'expansion est caractérisé par le
paramètre de Hubble qui a les dimensions de l'inverse d'un temps,
H= a'/a (37)
Sa valeur aujourd'hui est la constante
de Hubble , H0.
Sa valeur est controversée, les estimations variant 40 à 90 km/sec/Mpc. ("Mpc"
"Mégaparsec", soit 3 × 1024 cm.). Notons que
nous devons diviser a' par a pour obtenir une quantité mesurable
car l'échelle globale "a" qui est le "rayon de l'Univers"
n'est pas accessible directement.
On voit dans l'expression de la métrique
que le facteur a(t) donne
l'échelle de la métrique d'espace. Lorsqu'on détecte un signal
électromagnétique (le RFC par exemple)
aujourd'hui à t0 alors que le rayon de l'univers est de a0, il a été
émis à un temps t1 alors que le rayon de l'univers était
de a1. On appelle a1/a0 le
facteur d'échelle ( ~10-3 pour le
RFC par exemple )
et z
= (l0 - l1 )
/ l1 = (a0/a1)
- 1 ne dépend que des facteurs d'échelle à l'émission et et à la réception
q=
a.a"/a'² (a"/a')/(a'/a) (38)
On verra le
rôle essentiel que joue ce paramètre dans l'approche contemporaine de
détermination du type d'Univers dans lequel
nous vivons ( il indique la manière dont le facteur d'échelle
évolue !!)
avec r crit = 3H²/8pG (40)
r est
la densité d'énergie totale toutes formes confondues
hors Lpour l'équation de Friedmann..Ce paramètre ( qui change au cours du temps) est dit critique car
l'équation de Friedmann (36) peut être
écrite :
W - 1 = k/H²a² (41)
W est le paramètre de densité total avec WL=
0 dans l'équation de Friedmann et WL¹
0 dans l' équation de Lemaître.
Le signe de k est déterminé en fonction de la valeur
de W
par rapport à 1 ( H²a² est positif). Nous
avons:
r < r crit «W < 1 « k= -1 « Univers ouvert fig
ref [9] r = r crit «W = 1 « k= 0 « Univers plat ( marginalement ouvert ) r > r crit «W > 1 « k= 1 « Univers fermé Le paramètre de densité
nous indique donc laquelle des trois géométries de Robertson-Walker
décrit notre Univers. On comprend l'intérêt que suscite sa détermination
précise qui est l'objet d'une intense activité.
On peut résoudre rigoureusement
l'équation de Friedmann dans quelques cas simples.
Avant de le faire, il est très utile
d'étudier le comportement qualitatif de ses différentes possibilités.
Cas L= 0, et Univers rempli de
fluides d'énergie positive. (r
> 0) et de pression non négative (p
³0 ): L'Univers
"décélère ".
Posons pour le moment L= 0, et considérons le comportement
d'Univers remplis de fluides d'énergie positive. (r > 0)et de
pression non négative (p ³ 0).
a"/a
= - (4pG/3).(r+
3 p) (35)
Alors (35) impose a" < 0.
Comme nous observons l'Univers en (a' > 0),
cela implique que l'Univers "décélère ".
Cela est logique, car la gravitation
(attractive) agit contre l'expansion.
Cela nous indique que son taux
d'expansion était beaucoup plus important dans le passé, et si on remonte
suffisamment loin on tombe sur une singularité pour a = 0. Notons que si a" vaut
exactement zéro, a(t) serait linéaire, et l'âge de
l'Univers serait H0-1.
Comme a" est
en fait négatif, l'univers doit être plus jeune que cela.
Cette singularité pour a = 0 est le "Big
Bang" ( cette théorie porte en français le doux
nom de " Théorie de la Création Soudaine ").
Le Big Bang
représente la création de l' univers "Ex Nihilo".
Ce n'est pas une explosion de matière
pré existante dans un espace temps pré existant (cf
théorème de singularité de Penrose avec r> 0 et p ³ 0 ).
L' évolution de
l'univers est différente selon les valeurs de k.
Pour les cas ouvert et plat, k £ 0 , (36)
implique (42)
(a'/a)² = 8pG. r/3 - k/a² (36)
a'² = (8pG/3). r.a² + ê k ê (42)
Le membre de droite est strictement
positif (car r > 0), donc a' ne
s'annule jamais. Comme nous observons a' > 0,
il doit le rester indéfiniment .
De ce fait les univers plat et ouvert
sont en expansion "éternelle" ouverts temporellement et spatialement.
Rappelons l'hypothèse de densité
d'énergie strictement positive. Une densité d'énergie négative ne conduit pas à
une expansion sans fin de l'univers même s'il est ouvert.
d(r.a3)/dt= a3
(r'+3ra'/a) = -3pa²a' = -p. d (a3 ) ( en appliquant (20) (La
quantité d(r.a3
)/dt est donc
négative où nulle si p > 0, ce qui
est le cas d' Univers non dominé par le vide). Cela implique que r.a2
doit s'annuler dans un univers en expansion infinie car a ® ¥ . Alors (42) nous indique que
a'² ® êk
ê (45)
(Rappelons que ceci est vrai pour k £ 0.) ,donc pour k = - 1
, la vitesse d'expansion a' tend vers 1, alors que
pour k
= 0 l'univers poursuit son expansion de
plus en plus lentement.
Pour les univers fermés (k
= + 1) l'équation (36) devient (46)
(a'/a)² = 8pG.r/3 - k/a² (36)
a'² = (8pG/3). r.a² - 1 (46)
L'argument r.a2
® 0 quand a ® ¥ s'applique
toujours; mais dans ce cas (46) devient
négatif, ce qui ne peut arriver. Donc l'univers ne s'étend pas indéfiniment , a
possède une limite supérieure amax.
Quand a approche amax,
(35) implique
a" ® - (4pG/3).(r+
3 p). a max < 0 (47)
Donc a"
atteint une valeur finie et négative à ce point, lorsque a atteint amax
il commence à décroître, (et comme a" <
0) il va inexorablement se contracter vers zéro - le Big
Crunch .
De ce fait les univers fermés ( sous réserve des hypothèses r positif et p non
négatif) sont fermés en temps et en espace.
A noter que a(t)
peut être interprété comme le rayon physique de l'hypersphère
à l'instant t.
Pour les univers dominés par la matière
(p = 0), on peut utiliser l'angle de
développement F (t),
plutôt que t comme paramètre direct.
Les solutions sont alors ( avec C défini par 51) :
a = C/2 ( cosh F - 1 ) ,
t = C/2 ( sinhF - F) , k =
- 1 (48)
a =
(9C/4) 1/3
. t 2/3 , k
= 0 (
49)
a = C/2 ( 1 - cos F
) , t = C/2 (F
- sinF
) ,
k = + 1 (50)
où on a posé :
C = (8pG/3).r.a3
= Constante ( 51)
Alors
p = r/3, on a de
nouveau des:
a = { C' [ ( 1 + t . C' -1/2 )2 - 1 ]}1/2 k
= -1 (52)
a =
(9C/4) 1/4
. t 1/2 , k
= 0
( 53)
a = { C' [ 1 - ( 1 - t . C' -1/2 )2 ]}1/2 k
= +1 (52)
Où cette fois nous avons défini
C' = (8pG/3).r.a4
= Constante ( 51)
Ces solutions exactes possèdent bien les
propriétés que nous leur avions attribuées à priori.
Soit r soit
p va être négatif, en
contradiction avec les hypothèses faites avant pour déterminer le comportement
général de a(t). Dans ce cas la correspondance entre ouvert / fermé et expansion
sans fin et re-contraction ne s'applique plus.
Commençons par considérer L < 0.
Dans ce cas W est négatif, et de (41) , ceci ne peut
arriver que si k = - 1:
La solution est dans ce cas.
a = ( -3/L
) 1/2. sin [( L/3
)1/2. t] ( 56)
Il y a aussi une solution ouverte (k = - 1) pour L> 0, donné par :
a = ( 3/L
) 1/2. sinh [( L/3
)1/2. t] k = -1 (
57)
Un Univers plat dominé par le vide doit
avoir L > 0, et la solution est ( Univers de De Sitter)
a ~ exp ±
[( L/3
) 1/2. t ] k
= 0 ( 58)
Tandis qu'un univers fermé doit aussi
avoir L > 0, et satisfaire
a = ( 3/L
) 1/2. cosh [( L/3
)1/2. t] k = 1 (
59)
Ces solutions sont d'apparence trompeuse
car toutes sauf (56: anti De Sitter) représentent
l'espace temps De Sitter.
Type d'espace |
Univers dominés par la matière (rm > 0, rr = 0, L
=0) |
Univers dominés par le rayonnement (rm = 0, rr >0, L=0) |
Univers dominés par le vide (rm = rr = 0, L>0 ou L
<0 |
Espace Ouvert k = - 1 |
a = C/2 ( cosh F - 1 ) , t = C/2 ( sinhF - F) , Expansion ¥ |
a = { C' [ ( 1 +
t . C' -1/2 )2
- 1 }1/2 Expansion ¥ |
a = ( 3/L
) 1/2. sinh [( L/3
)1/2. t] avec L>0, Expansion ¥ |
a = ( -3/L
) 1/2. sin [( -L/3
)1/2. t] avec L <0 Espace oscillant |
|||
Espace plat k = 0 |
a =
(9C/4) 1/3
. t 2/3, Expansion ¥
critique |
a =
(9C/4) 1/4
. t 1/2 , Expansion ¥
critique |
a
~ exp ± [( L/3
) 1/2. t
] avec
L>0 ( en expansion ¥) |
Espace fermé k = + 1 |
a = C/2 ( 1 -
cos F
) , t
= C/2 (F - sinF ) , Expansion finie, contraction |
a =
{ C' [ 1 - ( 1 - t . C' -1/2 )2 ]}1/2 Expansion finie, contraction
|
a = ( 3/L
) 1/2. cosh [( L/3
)1/2. t ] avec L>0, ( en expansion ¥) |
Paramètre |
C = (8pG/3).r.a3
= Constante |
C' = (8pG/3).r.a4
= Constante |
|
H crit=
(8pGr/3)1/2 :
Constante de Hubble critique ( 65 km/s par Mpc
)
T = 2/3Hcrit : T est l'âge de l'univers en
fonction de Hcrit
e = (t/ta)2/3 : e est le
facteur d'échelle , "ta" l'âge aujourd'hui, "t"
l'âge à considérer
Pendant l'ère radiative cette
loi était : e= (t/ta)1/2
D (Ga.l)=
3c.ta (1-e1/2 ) = 30 (1-e1/2 ) : à noter
que la distance maximum est le triple de l'âge (a.l)
d
(Ga.l) = e.D : D distance actuelle,
d distance au moment de l'émission des photons
Horizon: il s'accroît plus vite que la taille de l'univers
s'il est critique: déduit de ds²(RW)=0,
soit ò dt/a(t) = òdr.(1-kr²)-1/2
En fait l'expansion a enchaîné une phase
radiative ( très courte), une inflation ( brève mais
intense), reprise de la phase radiative ( 300 000 ans) puis phase
domination matière. Quid de L ?
Exemple: Les photons du RFC que nous captons maintenant ont
été émis à T0 +300 000 ans, lorsque le facteur d'échelle "e" de l'univers était de 1/1000 , la constante
de Hubble valait 2,1 millions de km/s
par méga parsec ( 30 000 fois sa valeur actuelle) ce qui veut dire que deux objets distants de 470 000 a.l avaient une vitesse de
récession égale à "c".
Comme le point qui dans le futur ( après expansion) allait abriter la terre était distant de 29 Millions d'années lumière à cette époque, la vitesse de récession était
supérieure 60 "c". Ce qui fait qu'ils ont commencé à s'éloigner emportés
par l'expansion , avant de commencer à se rapprocher
lorsque le rythme d'expansion s'est ralenti. Ils sont aujourd'hui distant de 29 milliards d'années lumière .
Ce cas semble revenir d'actualité selon
un certain nombre d'observations récentes.
Dans ces conditions :
les équations
de Friedmann (36)
et (35) deviennent les
équations de Friedmann Lemaître (on
rappelle qu'on posé c=1):
Discussion générale des types d'Univers possibles,
dans ce cas, à partir de (36 bis)
Si L < 0 alors a(t) a
une limite supérieure, " k, car le
terme de gauche doit être positif (a"<0 pour amax
univers oscillant
Si L > 0
et k=0 ou k= -1, on voit que quand a est grand, l'univers entre dans une
phase d'expansion exponentielle
Si L > 0
et k = +1, nous avons toutes les possibilités suivantes selon les
valeurs relatives de L et r.
Si L = Lcrit : Univers
statique (Einstein)*si a'=a"=0 simultanément , ce qui correspond à Lcrit = 1/a0² = 4pGr
Si L > Lcrit alors la force répulsive l'emporte:
Expansion infinie et exponentielle sur
la fin,
Si L < Lcrit , il y a un intervalle de a qui rendrait (36 bis) négatif (
interdit).
Selon les conditions initiales, on peut avoir un
Univers oscillant ou en expansion éternelle et même une contraction avec rebond
( pas de Big bang). * Remarquons que (36 bis), en négligeant
l'énergie de rayonnement et la pression de la matière, est de la forme : a'² = C1.a(t)-1
- k + C2.a2(t),
avec C1 , C2 constantes, donc le problème revient
à étudier le signe de cette fonction pour k = 1, -1, 0 correspondant aux différentes topologies pour
a(t) > 0 et C1 , C2
** En supposant l'énergie de rayonnement négligeable
, on néglige Wray = 8pG/3H².rray ~Wm .10-6 aujourd'hui).
Matière + Rayonnement , L=0, L< 0 |
Matière + Rayonnement, L>0 ,Vlimite
=L1/2ac/3 |
|||||||||||
t |
a |
a" |
a' |
W |
k |
t |
a |
a" |
a' |
W |
k |
L |
0 ¯ |
0 ¯ |
< 0 |
+ ¥ ¯ >0 ¯ |
>1 ou "W si L <0 |
1 ou "k si L < 0 |
0 |
0 |
<0 |
>0 |
>1 |
1 |
+e <Lc |
tM |
aMin |
<0 |
=0 |
|||||||||
tc |
0 |
<0 |
-¥ |
|||||||||
aMin<a<aMax Interdit |
||||||||||||
0 |
aMax |
" |
>0 |
|||||||||
tM |
aMax |
= 0 |
¥ |
®¥ |
>0 |
Vlimit |
||||||
¯ tc |
¯ 0 |
¯ <0 ¯ - ¥ |
0 |
a- init |
> 0 |
<0 |
||||||
tr |
aMax |
> 0 |
= 0 |
|||||||||
¥ |
®¥ |
>0 |
Vlimite |
|||||||||
" |
L-1/2 |
=0 |
=0 |
=Lc |
||||||||
0 + ¥ |
0 + ¥ |
" >0 |
>0 Vlimite |
>Lc |
||||||||
0 |
0 |
+ ¥ |
£ 1 |
0, -1 |
£ 1 |
0,-1 |
+e + ¥ |
|||||
+ ¥ |
+ ¥ |
0 , c |
En reportant ces valeurs dans (35 bis) on constate
que a"/a > 0 : a" =
0 ®
paramètres point d'inflexion.
Remarquons que s'il n'avait pas
décéléré nous ne pourrions pas voir de galaxies
avec z > 1, ni le RFC.
On en déduit qu'aujourd'hui Wk ~ 0 , ce qui ne veut pas dire que l'Univers est de topologie
plate ( k=0)! , car comme Wk ne
peut pas strictement être égal à 0, il est soit inférieur (k= -1) soit
supérieur (k=1).
On a vu qu'il y avait
des solutions pour les 3 valeurs de k.
Par contre Wtot (t) =
W0m (t) + WL (t) = 1 ± |e
(t)| implique
que Wtot était incroyablement
proche de 1, au tout début de l'univers : la
différence par rapport à 1 va être multipliée par la puissance du rapport des
temps par exemple 10 46 depuis t=10
-30 sec
En négligeant Wk au début de l'univers ( là
où les facteurs d'échelle ont le plus varié),
et en écrivant:
Wtot(t) - 1
= d (t) ,
en fonction du modèle d'expansion, (41
bis) donne: d (t) = (k/a²)/8pGr/3,
r = densité
d'énergie varie en a-4
(rayonnement) ou a-3 (matière), (41
quater)
d
(t) ~ a²(t) ~ t, en période de domination rayonnement, d
(t) ~a(t)~t2/3 en période de domination matière
De la même formule, on constate que l'inflation a eu
un effet contraire, en effet pendant l'inflation , le facteur "a "
s'est accru exponentiellement ( ~10 43 ) alors que la densité d'
énergie est restée constante (L).
La même formule ( 41 quater)
donne: d (t) ~ a-2(t) soit une réduction de l'écart à 1 de
10 86.
Ceci a lissé l'Univers. Remarquons que si la constante
cosmologique redevient prépondérante d va diminuer.
En effet d
(t) ne change pas de signe d'après ( 41 quater), seule
sa valeur absolue change (beaucoup).
Si on place à la surface d'une sphère de coordonnée comobile r ( rayon physique a.r,
masse M) une particule de test de masse m, cette particule va être accélérée
par "l'expansion" selon (35 bis) :
d²(a.r)/dt²= -4p.a.r.Grm/3 + a.r. L/3,
avec M= 4prm (a.r)3/3, on
obtient :d²(a.r)/dt²= -GM/(a.r)² +
a.r. L/3
On reconnaît la force d'attraction
Newtonienne (-GM/(a.r)² ) ,
la constante cosmologique ( si L > 0 ) qui suit est de signe opposé et agit
donc répulsivement: ( L introduite pour équilibrer la
gravitation*).
.
Nous
aimerions déterminer avec précision la valeur des paramètres clés pour savoir
quel destin nous attend.
En
particulier H0, du fait de sa relation avec l'âge de l'Univers.
Pour un
Univers de matière pure, avec k = 0 , (49) implique que l' âge est 2 / (3H0).
D'autres
possibilités permettaient de prédire des relations similaires. Connaître W, détermine k par (41).
D'après la
définition (39) de W, ceci signifie que nous voulons à la fois H0 et r0.
Malheureusement
ces paramètres sont difficiles à mesurer précisément en particulier le paramètre r.
Lorsqu'on
connaît la luminosité absolue ( chandelles standards
telles que Céphéides, supernovas, galaxies selon type), la luminosité apparente
permet de déterminer la distance. Mais
attention du fait de l'expansion, la longueur d'onde est décalée vers le rouge,
mais ce n'est pas le seul effet : le nombre de photons également reçu par un
détecteur est réduit dans le même rapport ( par
rapport à un espace statique du fait que le temps entre deux photons émis
s'allonge).
On suppose
dans la suite un effet de courbure négligeable ( l'Univers
paraît plat,
et il l' était plus hier qu'aujourd'hui)
La détermination de r et de H0 dont dépend
W sont
essentiels pour le devenir de l'Univers.
La densité cosmique r a d'abord été estimée par observation
" directe" et comptage des objets cosmiques dans un large spectre (des
ondes radio aux rayons g ), en
étalonnant la masse de ces objets.
La masse des galaxies par exemple dépend de
leur type, de leur nombre d'étoiles estimé, de leur comportement gravitationnel
lorsqu'ils sont en interaction avec d'autres galaxies.
De même, on a estimé la masse des
étoiles, du gaz des poussières, le tout étant affiné par un traitement statistique.
Compte tenu du nombre d'hypothèses sur
lesquelles repose cette estimation , donc de la
fragilité de ces estimations, il est essentiel de recouper un maximum
d'informations provenant de méthodes si possible indépendantes pour les
crédibiliser.
Cette observation ne donne qu'une
projection en 2D sur la voûte céleste , il faut
d'autres informations pour déterminer la distance qui permet de calculer le
volume et donc la densité.
La méthode directe géométrique ne
s'applique que pour les proches distances.
La loi de Képler
permet de déterminer avec précision la masse des étoiles doubles ou multiples a
une échelle un peut plus lointaine.
Les céphéides ( 2
types), chandelles standards caractérisées par leur signature spectrale
permettent d'aller beaucoup plus loin.
Enfin le Décalage vers le rouge est
appliqué pour les objets très lointains ( à appliquer
avec circonspection comme l'illustre la suite).
La spectrométrie galactique s'est
révélée très productive à cet effet
(heureusement que les raies ne sont pas "équidistantes" on
n'aurait pas pu observer de décalage)
A noter que tout cela ne donne pas des
résultats très précis et présuppose beaucoup ce qui fait l'objet de beaucoup de
débats passionnés.
On dispose également d'autres
informations " génériques" qui permettent de borner certains
paramètres
Comme l'univers est suffisamment vieux ( il a au moins l'âge du système solaire, on lui prête avec
une certaine fiabilité un âge de au moins 10 milliards d'années) on peut
raisonnablement penser que sa densité est proche de la densité critique .
Tous les modèles montrent qu'avec une
densité, surtout au début, même très peu différente de la densité critique la
durée de vie des univers est fugace Soit ils se re-contractent soit ils
s'évaporent très rapidement.
Et un âge tel que celui qu'on connaît
prouve qu'au début de l'univers la densité devait être incroyablement proche de
cette densité critique.
Avec l'expansion l'écart initial avec la
densité critique ( s'il n'est pas strictement
nul) s'accroît car instable.
La composition en éléments légers ( Hydrogène, Deuterium, Tritium,
Hélium) résultant de la nucléosynthèse primordiale dans le modèle du "Big bang" chaud
prédit que la masse volumique de
la matière ordinaire doit représenter environ 6 % de la masse critique.
Même si la fourchette est large, de 40 à
90 km/sec /Mparsec , avec une moyenne à 65 km/s/Mparsec qui correspond à l'âge de 10 10
ans dans un Univers critique, ceci encadre les possibilités.
On sait que cette estimation directe de
matière visible ne rend compte au mieux que de 1 % de la matière qui correspond
à la densité critique estimée à partir de la constante de Hubble..
L'étude des rotations des galaxies ( lois de Képler, la vitesse de rotation à une distance donnée
dépend de la masse "centrale") nous indique une masse cachée d'au
moins 5 fois la masse visible. On suppose donc un halo de matière qui doit
s'étendre au delà. Donc, de bonnes
présomptions existent sur l'existence de matière ordinaire invisible ( planètes géantes, naines brunes, MACHOs,
nuages de gaz ténus, trous noirs , masse des neutrinos) , à hauteur de cinq
fois la matière visible. L'étude du mouvement local d'amas de galaxies nous
conduit à porter ce chiffre à 50. Ce qui conduit à 50 % de la densité critique.
Une étude d'envergure sur 577 galaxies a
mis en évidence des perturbations de vitesse par un grand attracteur,
concentration de masse invisible équivalente à des centaines de milliers de galaxies situé à environ 200 Ma.l dans la direction de la
constellation du Centaure.
On arrive compte tenu de la précision
très relative à quelque chose de proche de la densité critique répartie comme
suit
Matière visible ordinaire ( baryonique ) ~ 1%
Matière invisible ordinaire ( baryonique ) ~ 5%
Matière invisible exotique ( non baryonique ) ~
94%
Total ~100%
Les éléments recueillis précédemment se heurtent un
obstacle de taille, ils prédisent un
Univers pas assez vieux compte tenu de la valeur de la constante de Hubble et
du modèle d'Univers.
Certaines méthodes d'évaluation de l'âge des objets
cosmiques ( âge des amas globulaires, radioactivité des
éléments à très longue période par exemple) prédisent un âge supérieur à 10
Gal.
On connaît la validité relative de telles mesures,
mais cela a conduit les astrophysiciens à s'interroger sur la nature de
l'univers et la possibilité d'une constante Cosmologique non
nulle et comment le détecter.
Certains paramètres sont sensibles à la nature de
l'Univers, les stratégies vont consister à les mesurer
- La distance de luminosité que l'on sait mesurer
grâce aux chandelles standards ( Etoiles caractéristiques dont on connaît la
luminosité absolue) dépend de H0 que l'on sait mesurer par d'autres moyens, de
z décalage spectral, qu'on mesure directement et du paramètre de
décélération "q" cf (78) qui lui même
dépend de la nature de l'Univers cf (60).
Nous allons pouvoir ainsi déterminer q et par la même
la nature de notre Univers ( matière, constante
cosmologique, on néglige l'énergie de rayonnement).
Avec une même constante de Hubble l'age de l'Univers
s'allonge s'il y a une constante cosmologique significative (
cf figure 4.3).
Notons que des paramètres qui ne dépendent que de "z", ne
fourniront pas d'information sur ce point .
- La mesure de l'anisotropie du rayonnement de fond
cosmologique RFC à petite échelle angulaire (aujourd'hui < 1°, demain < 1
' ), du fait du facteur z très élevé (
1100), est très sensible à la nature de l'univers et nous renseigne sur la
présence et l'ampleur d'une constante cosmologique.
Ces mesures ont donné des résultats très intéressants
qui sont présentés ci après
Mais notons que le paramètre de
décélération q est lié à W par (35):
q = -aa"/a²' =
-H-2.a"/a = (4pG/3H²).(r +
3 p) = (4pG/3H²).r(
1+ 3 w) = (1/2). åk Wk(1 + 3wk) (60)
avec wk =0 pour la matière Wm
= (8pG/3H²0).r0m, wk = 1/3 pour
le rayonnement Wray
= (8pG/3H²0).r0ray et wk = -1 pour
la constante Cosmologique WL =L/3H²0
, si on néglige la contribution de l'énergie du rayonnement,
on a:
q= ( Wm /2 ) - WL ( 60 bis)
La détermination de la nature de notre Univers par la
distance de luminosité repose sur le principe suivant. Le facteur "z"
ne dépent que de l'état "initial" et
"final" ( f(a1/a0) de l'Univers
et pas de la manière ( qui est très différente selon sa nature) dont il a évolué de l'un vers l'autre. Le
photon qui a voyagé a subi cette variation et y est sensible, pour une même
différence de coordonnée r , la distance de luminosité
va varier, donc avec (78) on peut , déterminer w ( de quoi notre univers est
fait) à partir des distances de luminosité mesurées
dL = H0-1 [ z + 1/2(1 - q0) z²] + e
( z3+) = H0-1 [ z + 1/2 (1 -
(W0m /2) + W0L ) z² ]+ e
( z3+) pour
z<<1 (78)
Si on mesure la distance de luminosité de différentes
étoiles et z, et que l'on trace la
courbe dL = f( z) pour un même Wtot observé on
voit que cette courbe va être différente en fonction de la composition de Wtot en Wm - WL .
Pour Wtot = 1, les cas extrêmes : Wm =
1, WL = 0 ®q = 1/2
et Wm = 0 , WL = 1 ® q= -1, donnent
respectivement pour (78)
dL = H0-1
[ z + 1/4 z² ]+ e (
z3+) = f1 (z)
dL = H0-1
[ z + z² ]+ e
( z3+) = f2 (z)
Pour comprendre comment on peut raisonnablement
mesurer ces paramètres considérons le mouvement
géodésique dans un Univers FLRW. Nous avons des vecteurs Killing
de type espace mais pas de vecteur de Killing de type temps
pour nous donner une notion de l'énergie conservée.
Pourtant nous avons un tenseur de Killing. Si Um = (1, 0, 0,
0) est la quadri vitesse des observateurs comobiles
alors
Kmn
= a² ( gmn
- Um. Un
) ( 61 )
satisfait Ñ(sKmn) = 0 (on
peut le vérifier), et est donc un tenseur de Killing.
Cela signifie que si une particule a une
quadri vitesse Vm = dxm/ dl, la quantité
K² = Kmn .Vm.
Vn
= a² [Vm. Vm
+ ( Um. Vm
)²] (62)
Va être conservée sur la géodésique.
Examinons ce cas ,
d'abord pour les particules massives. Alors on a VmVm = - 1, soit
(V0)² = 1 + ï
V ï² (63)
Où ï
V ï² = gijViVj. alors (61) implique
ï V ï
= K/a (64)
La particule alors ralentit dans le
système de coordonnées comobiles quand l'univers
s'étend.
C'est un vrai ralentissement dans le
sens ou un gaz de particules animées d'un mouvement relatif rapide va se
refroidir quand l'univers s'étend
Le même phénomène se produit sur les
géodésiques nulles ( lumière). Dans ce cas VmVm = 0, et
(62) impliquent
Um.Vm
= K/a (65)
Mais la fréquence du photon mesuré par
un observateur est w= - UmVm.
La fréquence du photon émis avec une
fréquence w1 va alors
être observé à une fréquence plus w0 du fait de
l'expansion de:
Les Cosmologistes aiment dénommer ceci par le terme z, décalage vers le rouge
entre deux évènements , définis par le ratio de la
variation en longueur d'onde :
z = l0 - l1
/ l1 = a0 /a1
- 1 ( 67)
Notons que ce Décalage vers le rouge
n'est pas un effet Doppler conventionnel. C'est l'expansion de l'espace et non
pas la vitesse relative qui en est la source.
On peut mesurer le Décalage vers le
rouge car on connaît la longueur d'onde dans un référentiel au repos de
diverses raies spectrales émises par des galaxies lointaines, donc on connaît
le décalage subi pendant leur trajet entre leur temps d'émission t1 et
de réception t0.
On connaît le rapport des facteurs
d'échelle à ces instants.
Mais on ne connaît pas les temps, les
photons n'indiquant pas combien de temps s'est écoulé pendant leur trajet.
Il faut approfondir ce point pour
obtenir cette information.
En gros, comme un photon se déplace à la
vitesse de la lumière, son temps de trajet devrait être sa distance ( unité c) Mais comment définir la distance d'une galaxie
lointaine dans un univers en expansion.
La distance comobile
n'est d'aucune utilité, car non mesurable et de surcroît on ne connaît pas la
vitesse propre de cette galaxie.
A la place, définissons la distance de
luminosité comme:
d²L
= L / 4pF (68)
où L est la
luminosité absolue de la source et F le flux mesuré par l'observateur ( énergie
par unité de temps, unité de surface d'un détecteur donné).
La définition vient du fait que dans un
espace plat, pour une source à une distance d , le
flux sur la luminosité est juste un sur la surface d'une sphère centrée sur la
source, F/L = 1/A(d )= 1/4pd2.
Dans un Univers FLRW ,
cependant, le flux va être dilué.
La conservation des photons nous dit que
le nombre total de photons émis par la source va traverser la sphère à la
distance comobile
r de l'émetteur.
Une telle sphère est à une distance
physique d = a0r, ou a0
est le facteur d'échelle quand les photons sont observés.
Mais le flux est dilué par deux effets
additionnels:
Le Décalage vers le rouge individuel des
photons par un facteur (1 + z),
et le fait que
les photons touchent la sphère moins fréquemment du fait que deux photons émis
à dt d'intervalle vont être mesurés à (1 +
z) dt d'intervalle. Donc il vient
F/L = 1/ 4pa²0.r²
( 1 + z)² (69)
ou
dL
= a0.r ( 1 + z) (70)
La distance de luminosité dL est mesurable du fait que
la luminosité absolue de certaines sources astrophysiques est connue ( chandelles standards). Mais r n'est pas observable, nous devons l'éliminer de l'équation.
Sur une géodésique lumière choisie
radiale pour la circonstance, on a
0 = ds²
= - dt² + (a² / 1 - kr²) . dr² (71)
où
òt1t2 dt/a(t) = ò0r dr.(1-kr²)-1/2 (72)
Pour les galaxies pas trop lointaines on
peut développer le facteur d'échelle en série de Taylor autour de sa valeur
actuelle.
a(t1)
= a0 + a0' ( t1-t0) +( 1/2 )a0"
.( t1 -t0 ) ² + … (73)
Si on développe les deux membres de (72) on trouve
r = = a0-1 [ ( t0-t1)
+ ( 1/2 )H0 .( t0 -t1 ) ² +…] (74)
D'après (67), l'expansion (73) est identique à
1 / 1+z = 1 + H0 ( t1-t0) - ( 1/2 ). q0
. H02 ( t1 -t0
) ² + … (75)
Pour H0(t1 - t0) petit , ceci peut être inversé et donne
t0-t1
= H0-1 [ z - ( 1 + q0
/ 2 ) z² + … ] (
76)
En substituant de nouveau dans (74) cela donne
r = a0-1.H0-1
[ z - 1/2
( 1 + q0 ) z² + … ] (
77)
Finalement
en l'utilisant dans (70) on a la loi de Hubble:
dL
= H0-1 [ z + 1/2(1 - q0)
z² ] + e ( z3+) pour z<<1 (78)
Pour faire ce calcul, commençons pour des raisons
pédagogiques, par déterminer l'âge de l'Univers:
Rappel : Wm
= 8pG/3H²0.rm , WL
=L/3H²0, Wk=
-k/a²0H²0 (courbure), comme (a'/a)² = H²,
on déduit de (41)
que: Wm
+ WL + Wk =1
( 80)
L'équation
de Friedman :
H²=
(a'/a)² = 8pG/3.rm +
L/3 -
k/a²= H²0 [(8pG.r0m
/3H²0) .rm /r0m - (k/a²0H²0).a²0/a²+ L/3H²0 ].
Comme 1+z = a0/a ) et rm /r0m = (1+z ) 3
du fait du rapport en volume, en substituant les "W"
en vert ,
on arrive à : H² = H0 ²[(Wm
(1+z)3 + WL + Wk(1+z)²], (81)
la densité de matière décroît en a-3, la
courbure en a-2 et WL est constant.
H=
a'/a = d(log [a(t)/a0] /dt =
d[log(1/1+z)] = [-1/(1+z)].[dz/dt]
(82)
En combinant
(81) et ( 82)
nous trouvons
dt/dz = - ( 1 + z ) -1
/ {H0 [(Wm (1+z)3 + WL + Wk(1+z)²]1/2}, (83)
En
remplaçant Wk par 1 - Wm - WL dans ( 83)
et en intégrant de t1 jusqu'à maintenant (t0),on arrive à
la formule donnant le temps écoulé
jusqu'à maintenant.
t0-t1 = H0-1
ò0z1 (1+z)-1
[( 1+z)² ( 1+ Wm.z) - z(2+z) WL ]-1/2dz ( 36 ter)
Avec t1=0, ( soit z ®¥ ) on obtient l'âge de l'univers, fonction de H0,
Wm , WL ,
Cf ref [2] pour les détails
Revenons au calcul de la distance de
Luminosité
On peut
noter que l' expression:
dL = H0-1 [ z + 1/2(1 - q0) z² ] + e
( z3+) (78)
valable pour z<< 1 est l'évaluation au deuxième ordre
de la formule abominable:
dL ( z, H0, Wm , WL
) =
(1+z)
(H0 -1
) ( êWk ê-1/2 ). S { êWk ê1/2 ò0z dz'[( 1+z')² ( 1+ Wm. .z') - z'( 2 + z') WL ]-1/2 } (79)
qui doit être utilisée si z n'est pas petit et qui
s'évalue par calcul numérique ( on a posé c=1, et S(x) = sin x, x, ou sinh
x pour les univers fermés, plats et ouverts.
Cette formule s'obtient à partir de la
définition ( 70) de la distance de luminosité,
dL = a0.r ( 1
+ z) (70)
par le fait que la lumière se déplace sur une géodésique
radiale nulle ( ds²= 0 métrique de RW avec , dq, d f= 0 ), on a :
0 = ds² = - dt²
+ (a² / 1 - kr²) . dr² (71)
d'où dr/dt = ( 1- kr²)1/2 /a(t)
soit : a0
. dr /( 1- kr²)1/2 =
( 1 + z ) dt
(
en multipliant
l'équation par a0 = a (t0) et de la définition de z ( 1+z
= a0/a)
En utilisant
(72) òt1t2 dt/a(t) = ò0r dr.(1-kr²)-1/2 et en remplaçant t par z selon ( 36 ter) ci dessous:
t0-t1 = H0-1
ò0z1 (1+z)-1
[( 1+z)² ( 1+ Wm.z) - z(2+z) WL ]-1/2dz ( 36 ter)
on arrive à:
a0ò0r1 dr.( 1- kr² )-1/2 = H0-1
ò0z1 dz. [( 1+z)² ( 1+ Wm.z) - z(2+z) WL ]-1/2
Les
intégrales du membre de gauche sont : a0 . k-1/2 .arcsin( r1. k1/2)
si k > 0,
a0
.r1 si k=0,
a0 .k-1/2 .arcsinh( r1. k1/2) si k=-1
On
exprime r1 en
fonction de z , a et dL par la formule donnant
la distance de luminosité (70) et en remplaçant
Wk = -k/ a0². H0² par sa
valeur, on obtient la formule (79)
exprimant la distance de luminosité en fonction du décalage spectral z
De la définition
de la distance d'horizon :
dH (t) = a(t) ò0t dt'/a(t')
= a(t) ò0a(t) da(t')/a'(t').a(t') tirée de la
métrique de RW pour un rayon lumineux radial ( ds²=0
, dj, dq =0)
Comme on
vient de voir que : a'
= aH0 [(Wm (1+z)3
+ WL + Wk(1+z)²]1/2
En moulinant tout cela on arrive à : dH
(t) = [H0.(1+z)]-1 òz¥
f(z')dz'
Avec f(z) = [(Wr (1+z)4 + (Wm (1+z)3 + WL + Wk(1+z)²
+(Wx
(1+z)-3(1+a) ]-1/2
(mesure de
H0 et T par (36 ter) et (79) plaide en faveur d'une densité actuelle critique mais avec une partie dominante de constante cosmologique WL =
0,72 , Wm = 0,28. Pourquoi la
somme vaut elle 1 maintenant ?
On sait
qu'un des mystères du RFC est son isotropie à large échelle, puisque ces régions
n'étaient pas causalement connectées au moment du découplage (
expliqué par l' inflation). Les régions connectées sont de distance
angulaire faible < 1° . La distance d'horizon ( qui dépend de la nature de l'Univers) était faible à l'époque du découplage ( 0,5 Mpc). L'examen de la structure de tels domaines va se
révéler instructive.
Les
anisotropies présentes au moment du découplage lumière matière, causées par les
inhomogénéités des distributions de matière, créant des puits de gravitation
dans un fluide soumis à une forte pression radiative, a provoqué des
oscillations acoustiques dans ce fluide. Les régions de compression et de
dépression se propageant dans l'espace
environnant causalement connecté. L'état de ces oscillations au moment du
découplage s'est conservé et se propage avec le rayonnement fossile.
En quoi cela
peut il nous renseigner sur la constitution de l'Univers ?
Les
oscillations étaient confinés dans un espace causal limité par Hrec-1 . Il
faut donc une résolution correspondante à cette taille. On calcule
facilement que l'angle de résolution Dq ( z découplage=
(DA.H)-1 , où DA est la distance angulaire dans un univers de
Friedmann Lemaître . Le premier pic
acoustique est supposé être à la distance angulaire Dq, qui est très sensible aux paramètres W m , WL, comme cela est montré sur la figure 11.2. La luminance de fond est
reproduite sur les figures suivantes ( large échelle
et détail).
Son analyse
par décomposition en harmoniques sphériques fournit un spectre de puissance qui
présente un premier pic au moment multipolaire lp
= 197 ± 6
correspondant à un angle q = p/ lp = (0,91 ± 0,03 )° .
La hauteur
du pic est DT = (69 ± 10)µK
Synthèse
des deux expériences et diagramme de détermination de W
par distance angulaire
Comme le
montre le diagramme ci dessous , il y a une zone de
recouvrement correspondant à une solution possible.
La mesure de la distance de luminosité
et du "Décalage vers le rouge" d'un nombre suffisant de galaxies nous
permet de déterminer H0 et
q0, et nous fournissent
une piste permettant de déterminer dans
quel type FLRW nous vivons. Les observations sont délicates et les valeurs de
ces paramètres très contestés. Nous avons vu comment l'age de l'univers dépend
des valeurs relatives des différents W et de leur somme.
Signalons d'autres méthodes qui sont
utilisées dont le recoupement permet de conforter les résultats d'observation:
Mesure de la distance angulaire, que nous avons utilisé pour
le projet boomerang :
dA = D/dq = a1 (t1).r1 = dL
/ (1+z)² , mais qui peut aussi être
utilisée pour déterminer la nature des W par la position du minimum de dq fonction de z . cf ref [4] et [2]
Mesure de la luminosité de surface :
luminosité apparente par unité de surface angulaire :
å
= l/pd² = L/ (1+z)4.(4p²d²)
.
Elle ne dépend que de z , de la luminosité intrinsèque L de la source et de sa dimension d .
Elle permet de distinguer le cas d'un modèle dont le z
est cosmologique d'un autre modèle ( lumière fatiguée
par exemple).
Cette vérification a été réalisée très récemment.
Dépendance du décalage vers le rouge de l'horizon des
évènements, cf
ref [2], liste non exhaustive …
Dans la prochaine décade de nouvelles
stratégies et des applications plus précises des anciennes stratégies
pourraient nous permettre d'obtenir des réponses plus fiables.
Nous pouvons signaler le projet de
grande ampleur "supernova Cosmology project" qui apporte une
contribution importante et innovante à la connaissance des paramètres H et Wm et WL.
Toutefois il faut rester prudent, le
passé nous ayant enseigné combien dans ce domaine, les mesures sont délicates
et peuvent être remises en cause par un phénomène qui n'avait pas été pris en
compte.
Boomerang
( mesure
fine de l'anisotropie du RFC )
Calcul de H0
par distance de luminosité
Décalage vers
le rouge ( Redshift)
Discussion
méthode d'évaluation des paramètres
Etude qualitative
de l'équation de Friedmann
Exacte ( solution
de l'équation de Friedman pour la matière)
Exacte ( solution
de l'équation de Friedman pour le rayonnement)
Exacte
( solution de l'équation de Friedman
pour le vide)
Formule de distance de luminosité
Méthode de mesure des paramètres
Mixte
( Univers matière
+ constante cosmologique)
Oméga
( variation au cours du temps)
Répulsive ( Constante
Cosmologique)
Résolution Equation d'Einstein
Solutions exactes de l'équation de Friedman
Synthèse évolution de l'Univers
Topologie d'Univers
( conservation)
Univers ( dans quel Univers vivons nous ?)
Lecture notes on general relativity par Sean M. Carroll ( http://pancake.uchicago.edu/~carroll/notes/
[1]
Cosmology and particle
astrophysics par Lars Bergström et Ariel Goobar ( Wiley) [2]
Astronomie et astrophysique
par Marc Seguin et Benoît Villeneuve ( Masson) [3]
Géométrie du Big
Bang : Autour de Robertson Walker. A. Bouquet (Site web du Collège de France) [4]
Dynamique du Big Bang : Le modèle du Big Bang.
A. Bouquet (Site Web du Collège de France) [5]
L'Univers
est il chiffonné : J.P Luminet (
l'Astronomie juillet/Août/septembre 2001) [6]
Universté Montpellier II, Module Cosmologie :
BOOMERanG : H. Reboul [7]
Measuring Global Curvature and Cosmic acceleration with supernovae : Brian . P. Schmidt [8]
Ned Wright's Cosmology tutorial : http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm [9]
Albert Einstein Œuvres
choisies, tome 3 (.., Cosmologie,..): Sources du savoir Seuil / CNRS [10]
Lombry Luxurion , http://www.astrosurf.com/lombry/menu-cosmologie.htm [11]