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Constante cosmologique, énergie du vide ? Alain Bouquet.

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1 Constante cosmologique, énergie du vide ? Alain Bouquet

2 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.2/20 Lâge dor de la cosmologie Les données viennent de sources de plus en plus variées Elles sont de plus en plus précisesElles confirment la théorie du big bang –Dans les grandes lignes –Dans les détails XMM

3 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.3/20 Matière noire 25% Etonnante composition… Gaz chaud 4% Etoiles & planètes 0.5% Neutrinos 0,5%Lumière 0,05% Energie noire 70%

4 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.4/20 Masse et énergie déforment lespace et le temps Courbure = densité dénergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) La relativité générale est un jeu denfant

5 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.5/20 Un jeu denfant… Courbure = Energie Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide + constante cosmologique Expansion Varie avec lexpansion Constante Courbure spatiale + 1 = Energie de la matière + énergie du vide Courbure temporelle courbure temporelle courbure temporelle k + 1 = m +

6 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.6/20 Triangle cosmique m : Energie de la matière : Energie noire ou constante cosmologique k : Courbure de lespace Quelque soit le point à lintérieur du triangle équilatéral, la somme des trois distances reste constante et égale au coté du triangle Toute solution cosmologique peut ainsi être représentée par un point dans ce triangle m + + k = 1

7 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.7/20 Triangle cosmique Rayonnement cosmologique Supernovae Amas et galaxies Chaque observation cosmologique mesure une certaine combinaison des paramètres Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30% m : Energie de la matière : Energie noire ou constante cosmologique k : Courbure de lespace

8 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.8/20 © Cerro Tololo / Adam Riess Supernovae Une supernovae est une étoile qui explose : pendant quelques semaines, elle est presque aussi brillante que la galaxie-hôte. On la détecte en comparant deux images prises à quelques semaines dintervalle : On connaît sa luminosité absolue, on mesure sa luminosité apparente: la comparaison donne la distance

9 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.9/20 Décalage vers le rouge Luminosité apparente Supernovae et expansion La variation de la luminosité apparente (distance) en fonction du décalage vers le rouge indique si lexpansion ralentit ou accélère

10 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.10/20 Supernovae et expansion La variation de la luminosité apparente (distance) en fonction du décalage vers le rouge indique si lexpansion ralentit ou accélère [0.0,0.0] [0.3,0.7] [0.3,0.0] [1.0,0.0]

11 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.11/20 Interprétations Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide Rythme dexpansion Accélération de lexpansion : domination de lénergie du « vide » Présence dune vraie constante cosmologiqueDomination du « vide » des champs connusDomination du « vide » dun nouveau champ, par ex. quintessence

12 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.12/20 La constante cosmologique La forme la plus générale de léquation dEinstein Courbure = Energie contient une constante a priori arbitraire, la constante cosmologique. Sa présence modifie la loi de gravitation de Newton, en ajoutant à la force attractive (qui diminue avec la distance entre les masses) une force répulsive qui augmente avec la distance. Comme ceci nest pas observé, elle ne doit devenir importante que sur des distances plus grandes que la taille des amas de galaxies. Son effet est donc purement cosmologique : elle (sur)compense à très grande échelle lattraction mutuelle des masses.

13 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.13/20 Une constante… variable Coïncidence : Sa valeur a juste la valeur nécessaire pour quelle devienne importante précisément aujourdhui. A quoi devons-nous ce privilège ? Energie du videConstante cosmologique Rigoureusement constanteNormalement constante

14 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.14/20 Lénergie du « vide » La mécanique quantique nous apprend que les ondes sont aussi des particules, et vice-versa : tous deux sont des aspects différents du même champ. Le « vide » correspond à labsence de particules, qui ne sont que des excitations localisées dun champ. Le vide, cest quand il ny a pas de vagues Quand il y a des vagues, il y a des particules

15 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.15/20 Du vide et des particules Un champ presque uniformede particules Quand il ny a pas de particules, il reste le champ sous-jacent, dont lénergie na aucune raison d'être nulle ! En général, celle-ci na pas dimportance car on ne mesure que des différences dénergies entre deux états, avec ou sans particules… … sauf en gravitation où toute énergie compte !

16 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.16/20 Varier lénergie du vide ? Champ Energie du vide Faire varier lénergie du vide au fil du temps est déjà utilisé dans les modèles dinflation : on peut reprendre lidée pour lunivers actuel

17 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.17/20 Lénergie du « vide » ? Théorie des champs :échelle de masse-énergie M 2 ~ 10 9 eV (QCD) ~ eV (= 1/L Planck ) Pour accélérer lexpansion, lénergie du « vide » a deux inconvénients : coïncidence avec la densité de la matière précisément aujourdhui; la théorie donne naturellement une valeur à fois trop élevée. Accélération cosmologique : échelle de longueur ~ taille de lunivers visible L ~ m = échelle de masse-énergie M 1 ~ eV (= 1/L) Mécanismes compensateurs invoqués : supersymétrie (supercordes), mais nécessairement imparfaite quintessence (mécanisme astucieux pour que lénergie du « vide » suive en permanence celle de la matière)

18 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.18/20 Lénergie du vide est-elle la solution? Quelle que soit lexpansion de lunivers, il est toujours possible de trouver un champ et lénergie du vide ad hoc : aucune prédictivité Aucune forme proposée na de justification indépendante, et aucune nest une théorie des champs viable La (vraie) constante cosmologique doit être préalablement mise à zéro Les observations sont compatibles avec matière + constante, alors que toute lidée dexploiter lénergie du vide est précisément de changer la « constante »

19 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.19/20 Retour à la constante cosmologique Dimensions supplémentaires ?Une fluctuation quantique ? Lunivers visible a un volume fini limité par un horizon de surface L 2 Fluctuation dénergie ( E) 2 L 2 = L 2 /L 4 Planck Fluctuation de densité = E/L 3 = 1/L 2 L 2 Planck qui va bien… au lieu de 1/L 4 Planck qui pose problème © T. Padmanabhan

20 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.20/20 Méditons sur les mystères de lunivers


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