Mise à jour 19 Décembre 2021

CONFÉRENCE de Pauline ZARROUK

Astrophysicienne CEA-Saclay. Durham University  LPNHE
 « L’EXPANSION DE L’UNIVERS S’ACCÉLÈRE !

QUI APPUIE SUR LA PÉDALE D’ACCÉLÉRATEUR ? »

Organisée par la SAF

En direct du siège et par téléconférence

Le Samedi 11 Décembre 2021 à 15H00

À l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie

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 et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

PZarrouk_SAF_11-12-21.pdf, qui se trouve dans le dossier COSMOLOGIE-SAF/ saison 2021-2022.

Il est aussi sur le site de la commission.

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

Les actualités présentées sont ici.

La vidéo se trouve ici : URL à venir

Une belle salle, bien remplie, de plus, plus de quarante membres suivaient la réunion à distance sur Zoom.

Voici son impressionnant CV :

Après avoir obtenu son doctorat en cosmologie au CEA-Saclay en 2018, Pauline Zarrouk a effectué un post-doctorat en Angleterre à l’Université de Durham puis elle a obtenu un poste de chercheur CNRS en octobre 2020 à Paris au Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Énergies, Sorbonne Université.

En 2018, Pauline a obtenu une des 30 bourses L'Oréal-Unesco Pour les Femmes et la Science ainsi que le prix de thèse 2018 du LabEX P2IO.

Depuis son doctorat, Pauline est très impliquée dans la diffusion scientifique, elle a notamment développé un jeu de plateau sur les exoplanètes et elle est membre du comité scientifique du Festival d’Astronomie de Fleurance et du Festival Atmosphères de Courbevoie.

Elle nous parle ce soir de :

L’expansion de l’univers s’accélère ! Qui appuie sur la pédale d’accélérateur ?

Résumé : La mise en évidence de l’accélération tardive de l’expansion de l’univers vers la fin des années 90 a déclenché un vaste programme de recherche en vue d’identifier l’origine de ce phénomène, appelé « énergie noire ». Cette mystérieuse composante constitue près de 70% du contenu énergétique de l’univers, ce qui en fait une des énigmes les plus importantes de la cosmologie moderne. Nous verrons comment en apprendre davantage sur cette énigme grâce aux cartographies qui décrivent la répartition des galaxies dans le ciel.

La présentation pdf étant très complète, le CR sera succinct.

UN RAPPEL HISTORIQUE.

L’histoire de l’Univers depuis l’origine d’après les dernières découvertes cosmologiques. Crédit NASA/WMAP

En 1915 Albert Einstein publie sa loi de la Relativité Générale :

Espace, temps et gravitation ne sont plus séparés,

La gravité ne s’interprète plus comme une force attractive entre objets massifs mais comme une manifestation de la courbure de l’espace-temps, courbure imposée par la distribution de la matière.

Donc nous vivons dans un espace-temps à 4D (3D espace + 1D temps) courbé par les masses et l’énergie qu’il contient.

Plus un objet est massif, plus il va courber l’espace-temps à déviation des rayons lumineux par le Soleil confirmée en 1919 par la RAS de Londres à partir de clichés photographiques lors d’éclipses du Soleil au Brésil et en Afrique.

Dans les années 1920 on prouve l’expansion de l’Univers, avec l’éloignement des galaxies (Hubble, Lemaitre).

On arrive à mesurer les distances grâce aux phares de l’Univers que sont les Céphéides et les Supernovae Ia.

On met en évidence la formation des grandes structures. On découvre le CMB.

Les grandes structures se sont formées à partir des infimes fluctuations de densité de l’Univers primordial que l’on repère sur le diagramme du CMB.

Ce qui conduit aujourd’hui à un Univers qui est :

·         Très inhomogène

·         Hiérarchie de structures liées par interaction gravitationnelle

·         Accélération tardive de l’expansion de l’univers (z < 0.6)

La matière noire.

A été nécessaire pour expliquer la vitesse des étoiles dans les galaxies, il n’y avait pas assez de matière visible pour assurer la cohésion des étoiles. Une énorme masse de matière devait se trouver aux abords des galaxies, dans le halo pour assurer assez de gravité pour ces étoiles.

Par exemple, notre propre galaxie possède un halo de cette matière invisible, que l’on a appelé matière noire.

Elle est 10 fois plus massive que notre galaxie même.

On s’est donc mis à étudier la matière noire surtout à base de simulations numériques.

On s’est mis à définir une matière noire froid et une chaude.

En fait :

La matière noire chaude (HDM Hot Dark Matter) correspond à des particules très rapides et donc relativistes (par exemple les neutrinos)

La matière noire froide (CDM : Cold Dark Matter) correspond à des particules plus lentes.

Les simulations ont été effectuées avec ces deux types, et on s’est aperçu que c’est la matière noire froide (CDM) qui collait le plus à la réalité. Cela a donné le modèle LambdaCDM devenu le modèle standard.

L’ACCÉLÉRATION DE L’EXPANSION DE L’UNIVERS.

C’est en voulant connaitre le destin de l’Univers à la fin du XXème siècle : comment se termine l’histoire ?

La gravité aura-t-elle le dessus et tout se terminera-t-il dans une grande concentration de matière ou alors, l’expansion sera-t-elle éternelle et nous désagrégera tous ?

En fait, on s’aperçu que ce n’était ni l’une ni l’autre des hypothèses.

Pour cette étude on se basait sur les SN Ia, balises de l’Univers, en effet, leur explosion correspondant toujours au même phénomène physique (dépassement d’une masse limite), l’énergie émise (la courbe de lumière) était toujours plus ou moins la même, d’où l’utilisation comme référence ou étalon de lumière.

Or les SN lointaines apparaissaient moins lumineuses que prévu. Donc :

Surprise, surprise, l’Univers était en expansion accélérée contre toute attente.

Tout ceci conduisant au modèle actuel, pouvant bien sûr être mis en cause à tout moment avec de nouvelles découvertes, c’est cela la Science !

Contenu énergétique actuel d’après les dernières théories.

Ceci permet de mettre l’Univers en équation, incroyable expression !!!!

Voici l’équation d’Einstein avec constante cosmologique : Cette équation lie la géométrie de l'espace-temps à la répartition de matière et d'énergie.

À gauche l’espace-temps à droite l’énergie. Lambda a été rajoutée pour tenir compte de l’expansion accélérée depuis approx. 6 milliards d’années.

Cette accélération nécessite une pression négative (fluctuations quantiques, effet Casimir..)

Ici j’introduis un de mes commentaire d’une conférence précédente :

C'est le principe cosmologique, à grande échelle l'Univers est homogène (identique à lui-même partout) et isotrope (identique à lui-même dans toutes les directions), cela veut dire qu'il est le même en tous les endroits et qu'il n'y a pas de direction privilégiée.

Cela veut dire aussi accessoirement, qu'il n’a pas de centre ni de bords !!!

Un espace de cette nature est à courbure constante K; il est soit en expansion soit en contraction.

Sa métrique, c'est à dire en simplifiant, la distance entre deux points est donnée par un facteur d'échelle a(t) qui dépend du temps.

Le contenu matériel de cet espace est donné par sa densité d'énergie r et la pression P.

La relation de la pression en fonction de la densité P(r) est appelée équation d'état, comme pour les fluides ordinaires.

Suivant l'hypothèse de la composition de l'Univers cette équation peut se simplifier :

·        Univers composé uniquement de matière non relativiste : P = 0

·        Univers composé uniquement de rayonnements : P = r/3 (en effet la pression est générée par l'impulsion des photons qui est égale a son énergie (divisée par la vitesse de la lumière). Comme en moyenne cette impulsion est dirigée vers une de trois dimensions elle génère une pression P= r/3

·        Univers uniquement composé de "vide" P = - r = Λ/8πG  où Λ est la constante cosmologique.

Mais l’énergie noire n’est peut-être pas la seule explication.

On peut aussi envisager une modification de la gravité, qui se passe de matière noire.

La Relativité Générale est-elle valable aux échelles cosmologiques.

Pour cela il faut tester la croissance des structures.

C’est justement le domaine de notre conférencière : l’étude de la structuration des galaxies.

Elle participe aux grands relevés afin d’obtenir une cartographie 3D de l’Univers.

On s’aperçoit que la répartition des galaxies est non uniforme (toile cosmique), il y a des régions avec énormément de galaxies (les clusters) et des régions vides.

Relevé SDSS (Sloan Digital Sky Survey) de l’Univers.

Chaque point est une galaxie. On remarque que les galaxies ne sont pas distribuées au hasard. Elles se regroupent le long de « filaments ».

Le SDSS est un programme initié par le mécène Alfred Sloane, il doit cartographier approx. un quart du ciel avec 100 millions de galaxies.

Le télescope dédié à cette mission est celui d’Apache Point an Nouveau Mexique. Il mesure 2,5 m de diamètre.

Crédit : SDSS

Le programme est toujours actif, il est dans la phase BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) et même eBOSS. On mesure la distribution des galaxies en se basant sur le phénomène des oscillations baryoniques (BAO en anglais).

Voici l’explication de Pauline Zarrouk :

Des ondes de pression (acoustiques) se propageaient dans l'Univers primordial lorsque celui-ci était plus chaud et dense que l’univers que nous observons aujourd’hui.

Ces ondes sonores qui se sont propagées pendant les 400 000 premières années de l’univers, et se sont figées au moment où la matière ordinaire et la lumière ont cessé d’interagir dans le plasma primordial. L’arrêt de ces oscillations a laissé une empreinte sous forme d’une distance caractéristique dans la distribution actuelle de la matière, appelée « pic BAO » (pour Baryon Acoustic Oscillations) et qui est utilisée pour mesurer les distances dans l’univers et retracer l’histoire de son expansion.

De ces genres de relevés on a réussi à déterminer une distance moyenne entre deux galaxies de l’Univers : 500 millions d’al.

Il permet de définir ce que l’on va appeler le modèle de concordance.

D’après site Planck :

Le modèle de concordance est le nom donné au scénario qui permet aujourd'hui d'expliquer au mieux l'ensemble des propriétés de l'univers que nous connaissons.

Comme tout modèle, celui-ci est incomplet et présente un certain nombre de zones d'ombre, mais pour autant il n'a pas été mis en défaut par les observations, d'où son nom.

On parle aussi de modèle ΛCDM (prononcer "LambdaCDM") pour indiquer ses deux constituants majoritaires, à avoir de la matière noire froide (pour "Cold Dark Matter") et de l'énergie noire, symbolisée depuis Einstein par la lettre grecque Lambda (Λ).

Légende de l’illustration : Contraintes en 2008 sur la densité de matière totale Ωm (matière noire + matière ordinaire) et la densité d’énergie noire d’après les observations des supernovae de type Ia (SNe), le rayonnement fossile (CMB) et les ondes acoustiques des baryons (BAO). La notion de “concordance” est fort bien illustrée !

Crédits : M.Kowalski et les autres, http://arxiv.org/abs/0804.4142

Ce modèle de concordance nous donne comme valeur de la densité d’énergie matière sombre :

W_DE  = -1 +/- 0,1

Un modèle purement constante cosmologique impliquerait exactement w = -1 et P=−ρ

Dans la décennie 2010/2020 de nouveaux programmes d’étude de l’énergie noire sont développés, comme :

·         Subaru

·         SDSS continuation

·         DESS

·         VIMOS

·         Etc…

Tout ceci menant à une évolution du modèle dans les années 2020 pour la détermination de la densité d’énergie sombre :

Diverses valeurs sont ainsi proposées :

·         W_DE  = -1,047 +/- 0,038 comprenant Planck + BAO + SN + H et

·         W_DE  = -1,026 +/- 0,033 comprenant Planck + SN et

·         W_DE  = -0,991 +/- 0,074 comprenant Planck + BAO.

On attend maintenant les prochains projets de la décennie 2020, comme :

·         DESI

·         EUCLID

·         LSST

·         Etc…

Les projets les plus prometteurs sont DESI et EUCLID.

DESI :

·         3 miroirs (8.4, 3,42 et 5 mètres)

·         Caméra avec 3,2 milliards de pixels

·         6 bandes photométriques

·         18 000 deg2

·         1ère lumière en 2023

·         Début du relevé scientifique en 2024

Il est capable de :

Observer la moitié du ciel en 3 nuits !

40 milliards d’étoiles et de galaxies !!

15 téraoctets de données par nuit !!!

EUCLID :

·         Miroir de 1,2m

·         Caméra grand champ pour le visible avec 600 millions de pixels

·         Spectro-imageur pour le proche IR

·         15 000 deg2

·         Lancement prévu pour 2023

·         Début du relevé scientifique en 2024

Il va pouvoir :

Étudier 100 millions de spectres de galaxies !

Mesurer des formes pour 2 milliards !!

Espérons que Pauline pourra revenir nous parler des premiers résultats de ces deux nouveaux instruments !

POUR ALLER PLUS LOIN :

Pleins feux sur la matière noire : CR de la conf IAP de N. Pal. Delabrouille du 4 sept 2018

Jean-Michel Alimi : L’énergie noire, le mystère du XXIème siècle, CR conf. Du 8 Juillet 2009

L’Univers invisible : CR conf SAF de David Elbaz du 22 Sept 2017

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

Saul Perlmutter in Paris : CR de sa conférence à Sciences Po le 18 Oct 2017

L’Univers en accélération : CR de la conférence du Prix Nobel S. Perlmutter du 17 dec 2011

The eBOSS 3D map of the Universe

Extraction des paramètres cosmologiques par une approche multi-sondes

24 – Le côté obscur de l’univers par Alain Bouquet.

Le modèle de concordance

Énergie noire : la constante cosmologique d'Einstein implique-t-elle une crise en cosmologie ?

Recherche de l'énergie noire

Energie Noire, qui es tu? Pdf de Pierre Astier LPNHE

La constante cosmologique par G Villemin.

Cosmologie 3 : la constante cosmologique

La constante cosmologique, pour le meilleur et pour le pire par A. Füzfa.

Le BB naissance évolution Univers : CR conf VEGA d’O. Laurent du 19 Mai 2018

Vidéo :

Temps et Cosmologie : retracer notre histoire cosmique – vidéo par Pauline Zarrouk

PROCHAINE CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF :

Prochaine conférence SAF devant public :
Le mercredi 12 Janvier 2021 à 19H00  au CNAM amphi Grégoire (220 places). Aurélie MOUSSI    CNES spécialiste astéroïdes 
 chef projet Hayabusa/Mascot  et MMX/MIRS, nous parlera de : L’EXPLORATION DES ASTÉROÏDES : PETITS CORPS MAIS GRANDS EXPLOITS.  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

Les conférences seront retransmises en direct sur YouTube.

Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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