Mise à jour le 24 Janvier 2013
                                                                                                                                                    
     
CONFÉRENCE de Yannick MELLIER
Astrophysicien IAP, PI de la mission EUCLID
«EUCLID, À LA RECHERCHE DE L’ÉNERGIE SOMBRE»
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI
 
Le Samedi 19 Janvier 2013 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 si nécessaire
(Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en pdf) elle est disponible sur le site de la SAF et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. SAF-cosmo-Mellier.pdf elle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF de la saison 2012-2013).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Pour info les actualités cosmo présentées ce jour là sont aussi disponibles sur le site de la commission.
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
La présentation de l’auteur étant disponible au téléchargement, le compte rendu sera succinct.
 
 
 
 
L’origine de ce projet tient à la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers, pour laquelle le prix Nobel de physique a été décerné en 2011.
 
Lors de la mesure de distances des fameux marqueurs de distance (les chandelles standard) que sont les super novæ Ia (SN Ia) pour mesurer la décélération de l’Univers (due à l’action de la gravité), on s’est aperçu qu’elles n’étaient pas à la bonne position.
 
Elles sont en fait plus loin que ce que la théorie prédisait.
 
 
 
Au lieu de décélérer, l’expansion de l’Univers s’accélérait !
 
 
 
 
 
 
 
 
Les différents relevés confirment avec un très haut degré de probabilité cette accélération.
 
SDSS : Sloan Digital Scan Survey
 
SNLS : Super Novae Legacy Survey
 
HST : Hubble Space Telescope
 
La grande question est : pourquoi l’expansion s’accélère-t-elle?
 
 
 
 
 
Il semble bien que quelque chose d’inconnu en soit la cause.
 
 
On pense que l’Univers est plat (au sens cosmologique du terme) , ce qui implique que la densité (omega : W ) de l’Univers soit égale à la densité critique (celle pour laquelle l’Univers a une courbure nulle) et donc = 1.
Si c’est le cas on peut en déduire la fraction matière/énergie.
Ce quelque chose représenterait donc d’après les calculs et les modèles actuels 70% du contenu en matière/énergie de l’Univers.
 
Comme on ne sait pas ce que c’est, les physiciens l’ont baptisée conventionnellement « énergie sombre » (dark energy en anglais).
 
 
 
 
Il semble que la domination de cette nouvelle forme d’énergie soit très récente.
 
Il apparaît que cette énergie ne décroît pas et se maintient à densité constante, alors que les autres formes décroissent.
Il existerait donc une période où cette énergie sombre va devenir dominante. Serait-on d’ailleurs à cet instant ? Que l’on appelle la transition.
 
 
Une des grandes questions de la physique actuelle : pourquoi l’expansion accélère-t-elle ?
 
Il y a principalement 3 hypothèses :
 
·        Une nouvelle substance/interaction de nature inconnue, la fameuse «  énergie sombre », s’oppose à la gravitation aux très grandes échelles de l’Univers?... Elle agit comme une pression négative.
·        Les lois de la gravitation, telles qu’elles sont formulées dans la théorie d’Einstein, ne sont plus valables aux très grandes échelles de l’Univers? (ces lois n’ont jamais été testées à l’échelle cosmologique)
·        Le principe cosmologique est remis en cause? (univers homogène et isotrope)
 
Comment trouver la bonne solution ?
 
On peut procéder à des simulations comme par exemple la simulation Millemium :
En testant diverses compositions initiales (différents % de matière sombre et énergie sombre) de l’Univers, on peut voir ce que donnent les résultats finaux et en déduire les bons scénarios.
 
Mais, les différences entre les différents scénarios sont extrêmement faibles, c’est pour cela que la mission Euclid devra être très précise, c’est une mission de MESURES PRÉCISES. Il faudra faire attention aux erreurs systèmatiques.
 
COMMENT CARACTÉRISER L’ÉNERGIE SOMBRE ?
 
On suppose que l’énergie sombre se comporte, ainsi que les autres composants de l’Univers, comme un fluide parfait.
 
Elle doit donc obéir à une équation d’état.
 
L’équation d’état, c’est la relation entre la pression et la densité de ce fluide ; on le note :
 
W = P/r
Quelques valeurs :
·        Pour les photons :                                                           W = 1/3
·        Pour la matière noire et la matière ordinaire :                  W = 0
·        Pour une constante cosmologique (énergie sombre) :           W = -1
 
Mais le W peut dépendre du temps :    W = Wp   +   Wa(t)
 
 
Que savons nous aujourd’hui ?
 
 
 
 
On voit sur ce graphique les contraintes apportées par chaque type de mesure, elles confirment la composition actuelle de l’Univers.
(SNLS : Super Novæ ; BAO : oscillations baryoniques et structure des galaxies à partir du CMB ;
la rencontre de ces deux zones confirme la composition)
 
Ce domaine possible, en noir, permettrait d’avoir une valeur proche de ou égale à     W = -1, valeur qui indiquerait que cette énergie noire serait la constante cosmologique d’Einstein.
Les dernières observations ont remis cette constante cosmologique au goût du jour, non pas pour rendre statique l'Univers comme l’envisageait Einstein dans ses équations, mais pour tenir comte de l’Univers qui est effectivement en expansion. Ce serait mais le moteur principal d'accélération de cette expansion ! "
 
 
 
 
Mais, car il y a un gros « mais », la valeur serait 1020 plus petite que les prédictions c’est quand même un facteur non négligeable !
Les précisions actuelles ne permettent pas de trancher.
 
 
 
C’est là qu’intervient la mission Euclid !
 
 
LA MISSION SPATIALE EUCLID.
 
 
L’équation d’état comme dit plus haut peut dépendre du temps : W = Wp   +   Wa(t)
 
Le but d’Euclid est de mesurer avec précision :
 
·        Wp 10 fois meilleure qu’aujourd’hui, et atteindre mieux que 1%
·        Wa 40 fois meilleure qu’aujourd’hui et atteindre mieux que 5%.
 
Si on y arrive on pourra lever le doute entre les 3 hypothèses citées plus haut.
 
 
 
On va donc observer l’évolution de la matière noire et des galaxies, et on va essayer de se situer par rapport à l’époque de la transition (période où la matière noire dominait l’énergie sombre) déjà évoquée.
 
 
 
Des effets infimes vont devoir être mesurés, et il faudra donc construire de nouveaux outils et établir le protocole de nouvelles expériences.
 
 
On peut voir sur cette image la complexité des différentes mesures à effectuer.
 
 
 
 
Il va falloir avec ce télescope spatial :
·        Faire de l’imagerie dans le visible et dans l’IR et effectuer des spectres.
·        Et ceci sur tout le ciel extragalactique
·        Mesurer les formes et les distances de 2 milliards de galaxies grâce à l’effet de lentilles gravitationnelles
·        Mesurer la distribution de 50 millions de galaxies en fonction du temps par spectroscopie et mesure de redshift.
 
 
Un mot sur la distorsion dans l’espace des redshifts.
Les redshifts comme marqueur de distances ne suffisent plus, car les amas de galaxies étudiés peuvent être animés de vitesses énormes (10.000km/s par exemple) et on doit en tenir compte pour évaluer les distances.
 
 
 
L’effet de lentilles gravitationnelles :
 
C’est le meilleur traceur de l’énergie sombre dans l’Univers.
 
 
Il y a distorsion  gravitationnelle apportée par les grandes structures situées sur le rayon lumineux ; il se produit un allongement infime des galaxies qui devra être détecté par Euclid.
 
Euclid devra donc être capable de mesurer ces distorsions et ceci à :
·        10 époques différentes et
·        au cours des 10 derniers milliards d’années.
 
 
 
 
 
Euclid va donc déterminer la distribution de matière noire en fonction de la distance, c’est à dire qu’il va déterminer le spectre de puissance de la matière noire et des galaxies au cours du temps.
 
Il faut pouvoir mesurer un grand nombre de redshifts, ce sera le cas avec les redshifts photométriques en IR.
 
 
 
 
 
 
 
Euclid en détail :
 
 
 
C’est un télescope de 1,2m de diamètre qui va être fabriqué par Astrium (Cannes).
Il va fournir la lumière à deux instruments :
·        Un imageur dans le visible (VIS) et
·        Un spectro imageur dans l’infra rouge (NISP)
 
Ces deux instruments sont développés par un consortium européen comprenant plus de 100 laboratoires et 800 chercheurs et ingénieurs en Europe et est sous la responsabilité scientifique de Yannick Mellier, chercheur à l'IAP que nous avons le plaisir de recevoir ce soir.
 
 
 
 
 
 
 
Euclid sera lancé en 2020 et placé au point de Lagrange L2.
 
Il effectuera le catalogue complet du ciel (15.000 degrés carré !) en 6 ans, durée nominale de sa mission.
 
Euclid sera équivalent du point de vue performance au Super Sloan Survey !
 
Le grand challenge est l’analyse de l’énorme quantité de données.
 
20 Petabytes de données attendues.
 
L’analyse des données représentera 25% du prix total de la mission (prix total évalué à 1 Milliard €).
 
 
 
 
 
Les résultats en 2028, stay tuned !!!!
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN :
 
 
Quintessence le moteur cosmique article de la Recherche.
 
L’énergie noire par l’APC.
 
Énergie noire, qui es tu ? Cours de physique de Pierre Astier du LPNHE.  Super
 
Le site du consortium Euclid.
 
Le site d’Euclid à l’ESA.
 
Le site d’Euclid au CNES.
 
Redshift space distorsion with Euclid by Luigi Guzzo, Euclid team
 
L’énergie sombre, le mystère du prix Nobel de Physique 2011 par André Füfza.
 
À la recherche de l’énergie sombre par Y Mellier, conférence du même genre sur Euclid.
 
 
 
 
Jean Pierre Martin SAF Président de la Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com
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PROCHAINES RÉUNIONS DE LA COMMISSION DE COSMOLOGIE :
 
Notez dès à présent les dates de la prochaine saison : toujours à 15H au siège 3 rue Beethoven P16


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·        samedi 29 juin