matière noire
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Jean-­‐Marc Le Goff, irfu, CEA Saclay jmlegoff@cea.fr club astro Henri IV, 15 octobre 2013 Les mystères de l’énergie noire • Big-Bang, puis l’attraction gravitationnelle freine l’expansion => big crunch ? • 1998 mesure de la luminosité de supernovae => l’expansion s’accélère ! Nobel 2011 • Une des énigmes les plus profondes de la physique contemporaine - Energie noire, 70% de la densité de l’Univers - modification de la relativité générale 2 Les mystères de l’énergie noire I) La cosmologie • historique • composition, échelles • le big-bang • histoire de l’Univers • géométrie Univers • la matière noire II) l’énergie noire • découverte • propriétés et nature • études 3 Historique 5 l’Univers : histoire, contenu, … ? • Une des premières questions que l’homme s’est posée 6 l’Univers : histoire, contenu, … ? • Diverses cosmogonies • Grecs : Gaia sort de Chaos et engendre Ouranos La voie lactée : Héracles tétant Héra 7 Et la science qu’en dit-elle? • Aristote (-384, -322) Ptolémé (90-168): Terre au centre du monde, étoiles et planètes sur des cercles compliqué: epycycles • Copernic (1513) : terre tourne autour du soleil ellipse description beaucoup plus simple et précise • Galilée (1610) : voie lactée = étoiles (la Galaxie) 8 La mécanique Newtonienne Newton : la gravitation universelle (1687) description mathématique très précise 1846: Le Verrier découvre Neptune par le calcul 9 Les autres galaxies • nébuleuses en + de la voie lactée • 1920 grande controverse nébuleuses = autres galaxies 10 Composition et échelles de l’Univers 11 La composition de l’univers « matière ordinaire » atomes = noyaux + électrons , noyaux = protons + neutrons photons (grain de lumière) neutrinos ce qui reste à découvrir matière noire énergie noire 12 Le système solaire Soleil (1.4 millions km) = la Géode Terre (6400 km à 150 millions km ou 8 mn-lumière) = un melon place de la République Neptune (4.5 milliard km ou 4.2 h-lumière) = un ballon sauteur à Fontainebleau 13 km proxima Centauri (4.2 années-lumière): à 514 000 La Galaxie 1 année-lumière (a.l.) = 9 500 milliards km proxima Centauri (4.2 a.l.) notre Galaxie : 80 000 a.l. 200 milliards étoiles galaxie d’Andromède : 2.4 millions a.l. 14 l’Univers visible vue sur 1 milliards a.l : amas et super-amas vides objet + lointain : ~30 milliards a.l, 350 milliards grandes galaxies 30 000 milliards de milliards d’étoiles 15 La théorie du big-bang 16 La Relativité Générale 1915: Equations d'Einstein qui décrivent l'univers globalement -> la cosmologie devient une science mais R.G. -> univers non statique pour Einstein pas possible : constante cosmologique 1929: découverte de l’expansion de l’univers la plus grosse bévue d’Einstein 17 Vitesse des galaxies spectroscopie (1914) Décalage des raies: effet Doppler Galaxie proche Galaxie lointaine -> décalage vers le rouge + grave (s’éloigne) + aigu (se rapproche) 18 La loi de Hubble • Les galaxies lointaines sont rougies : elles s’éloignent • d’autant plus vite qu’elles sont loin • Loi de Hubble vitesse = H0 x distance H0 = constante de Hubble H0 ~ 20 km/s / million a.l. 19 Le Big Bang si on remonte le temps, univers de + en plus dense + chaud (?) : big bang analogie avec un ballon que l’on gonfle nom inventé par Fred Hoyle par dérision 20 L’histoire de l’Univers 21 Brève histoire de l’Univers après qq mn: noyaux (p, d, He), électrons, photons particules chargées -> univers opaque 22 Brève histoire de l’Univers 400 000 ans, 3000 K (0 K = -273 deg C ) électrons combinent avec noyaux -> neutre -> transparent 23 Le fond diffus cosmologique maintenant à 3K : ondes radio 1965 : découverte par Penzias et Wilson prix nobel 1978 1992: inhomogénéités 10 parties / million Mather et Smoot prix nobel 2006 inhomogénéités s’amplifient nuages gaz se concentrent 1ères étoiles 24 Brève histoire de l’Univers 1 – 2 milliard années : 1ères étoiles = réacteurs nucléaires -­‐> C, Fe, … Etoiles géantes -­‐> durée brève -­‐> supernovae -­‐> nouvelles étoiles et planètes : poussières d’étoiles 25 La géométrie de l’Univers 26 Courbure de l’Univers La matière courbe l’Univers : > densité critique : sphérique somme angles > 180 o < densité critique: hyperbolique somme angles < 180 o = densité critique : plat somme angles = 180 o 90 + 90 + 90 = 270 o !!! 27 Ondes acoustiques Inhomogénéités initiales, protons + électrons avec photons -> pression -> onde acoustique 150 400 000 ans e + p -> atomes neutres, pression = 0 onde gelée a parcouru une distance connue (150 Mpc) 1 Mpc = 3 200 000 a.l. 28 Ondes acoustiques Inhomogénéités initiales, protons + électrons avec photons -> pression -> onde acoustique 400 000 ans e + p -> atomes neutres, pression = 0 onde gelée a parcouru une distance connue (150 Mpc) se trouve à une distance connue (14000 Mpc) si angle > 0.6 o Univers sphérique < hyperbolique = plat densité critique 29 Les ondes acoustiques l’Univers est plat ! Analyse statistique Θ=0.6o 30 Le mystère de la matière noire 31 1970 : Peser les galaxies … exemple avec un système solaire : la vitesse dépend de la la masse la vitesse décroît quand la distance augmente 32 Halo de “matière noire” Rota\on à vitesse constante Halo de MATIÈRE NOIRE Voie Lactée: Mhalo ~ 10 x Mvisible 33 autres preuves matière noire • rotation des galaxies dans un amas • nucléosynthèse : matière ordinaire 4 – 5 % fond diffus cosmologique : matière totale 20 – 30 % • développement des structures • lentille gravitationnelles -> masse • « amas du boulet » matière ordinaire (rose) matière totale (bleue) 34 Qu’est ce que la matière noire ? • MACHO: Massive Astrophysical Compact Halo Object non observés • WIMPS: Weakly Interacting Massive Particles Expériences pour les - détecter directement - détecter indirectement - produire • axions, … • alternative : Mond (modified Newtonian dynamics) 35 Résumé cosmologie • décalage vers le rouge des galaxies (effet Doppler) vitesse d’éloignement = H0 x distance • Univers en expansion -> Big-Bang • petites inhomogénéités après le Big-Bang ondes acoustiques gelées quand la matière devient neutre et l'Univers transparent • on les observe dans le fond diffus cosmologique • l'étude de ce fond montre que l'Univers est plat • il y a de la matière noire et … 36 La découverte de l’accélération de l’expansion 38 Chandelles standards • regarder loin -> dans le passé p.ex.: à 1 année lumière -> 1 an dans le passé • Loi de Hubble : vitesse d’éloignement = H0 x distance on attend que dans le passé : H(t) > H0 • pour mesurer la distance : “chandelle standard” lointaine Supernova proche 39 Genèse d’une supernova (type 1a) Naine blanche absorbant la ma\ère de son compagnon Étoile compagnon 40 Genèse d’une supernova 1a supernova masse fixée : 1,5 M (masse soleil) ⇒ chandelle standard 10 milliards de fois plus lumineux que le soleil N. Palanque-­‐Delabrouille 41 ⇒ visible à très grande distance Diagramme de Hubble 1998 passé Distance Expansion accélérée Taux d’expansion constant (H=cst) Expansion ralen\e expansion accélérée ! présent Vitesse d’éloignement (décalage vers le rouge) Constante cosmologique (Λ) ou énergie noire 42 Composition de l’Univers Ma\ère ordinaire 4% Energie noire 72% Ma\ère noire 24% 43 confirmations • expérimental : 2 équipes indépendantes dès 1998 puis confirmation par Hubble Space Telescope, avec SNIa à plus grand z • 2002 Boomerang et Maxima, densité = densité critique (prédis par l’inflation) - sans énergie noire, âge Univers < 10 milliard d’années il existe des objets d’au moins 12 milliards d’années - densité matière ~ 30 % densité critique il faut 70% d’énergie noire 44 • 2011 : prix Nobel valide le consensus (sur l’accélération) modèle standard de la cosmologie : ΛCDM • matière noire « froide » c-a-d non relativiste • énergie noire (Λ) • 6 paramètres seulement spectre du fond diffus cosmologique 45 densité ma\ère / densité cri\que Qu’est ce que l’énergie noire ? 46 La constante cosmologique • Relativité Générale : densité matière-énergie géométrie espace temps un Univers statique s’effondre sur lui même ! • Einstein ajoute une constante cosmologique Λ pour compenser • découverte de l’expansion, on abandonne Λ • accélération -> on réintroduit Λ 47 L’énergie du vide • Le « vide quantique » n’est pas vide fluctuation perpétuelle de particules • une énergie du vide par unité de volume • cette énergie ne se dilue pas avec l’expansion de l’Univers Tim Jones • elle pousse à l’expansion de l’Univers Λ = Λ0 + Λvide 48 valeur de Λ ? • on ne sait pas calculer l’énergie du vide • ordre de grandeur donné par « l’échelle de Planck » ? 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 fois trop grand (10120) ! ! ! • donné par l’échelle de la physique des particules ? 1060 fois trop grand • Λ pas nul mais extrêmement petit, « réglage fin » 49 coïncidence temporelle • (densité matière) / (densité énergie vide) a varié de 1042 depuis l’époque électrofaible • pourquoi ~ 1 maintenant ? énergie noire ma\ère ordinaire ma\ère noire 50 l’argument « anthropique » • l’Univers a les bons paramètres pour que la vie apparaisse. Coïncidence ? • par exemple, si plus d’énergie noire, les structures n’ont pas le temps de se former => on ne serait pas là pour observer • une infinité d’univers avec des paramètres différents « multivers » • nous sommes dans un univers tel que la vie a pu apparaître => résout le problème de réglage fin. 51 Nature énergie noire 1. constante cosmologique / énergie du vide 2. fluide avec pression négative (champs scalaire, « quintessence » ) 3. modification relativité générale à grande échelle (dimensions supplémentaires, massive gravitons, …) 4. quelque chose d’autre ? NB: on garde le terme générique d’énergie noire 52 Matière vs énergie noire • Dark matter -> matière noire, matière sombre • Dark energy -> énergie noire, énergie sombre • matière attire, énergie repousse • matière se dilue avec l’expansion, pas l’énergie l’énergie s’est mise à dominer récemment • effet de la matière à toutes échelles l’énergie seulement à l’échelle cosmologique • matière se concentre 53 Comment étudier l’énergie noire ? 54 Différents types de mesures • on ne peut pas la détecter directement • on mesure ses effets gravitationnels : - géométriques : taux expansion H(t) ne distingue pas énergie noire / modification RG - dynamiques : taux de croissance des structures • on veut mesurer le rapport pression / densité • test Relativité Générale 55 Supernovae • chandelles standard • uniquement information géométrique • mais physique des supernovae compliquée Distance • statistiquement précises 1998 passé Expansion accélérée Expansion ralen\e présent Vitesse d’éloignement 56 Les ondes acoustiques • Les ondes acoustiques plasma primordial se retrouvent dans le fond diffus cosmologique • mais aussi dans la distribution de matière • « règle standard » de 150 Mpc • mesurer l’expansion à différentes époques • mesure très fiable 57 Les lentilles gravitationnelles • La matière courbe la lumière • la distorsion des galaxies lointaines => densité de matière totale en avant plan sans distorsion distordu • très prometteur • projet satellite Euclid 58 Conclusions • accélération de l’expansion acquise • cosmologie de précision • cause de l’accélération ? constante cosmologique énergie noire modification R.G. • clé vers la compréhension de la relation gravité / vide quantique ? densité ma\ère / densité cri\que 59 Ce qu’ils en disent … Steven Weinberg (Nobel price) : “Right now, not only for cosmology but for elementary particle theory this is the bone in our throat” Frank Wilczek (Nobel Price) : “…maybe the most fundamentally mysterious thing in all of basic science" Ed Witten (field medal) : “ … would be the number 1 on my list of things to figure out ” Michael S. Turner : “the biggest embarrassment in theoretical physics ” 60
