DG: Une nouvelle Gravité Pour comprendre l'Univers Frédéric Henry-Couannier CPPM/RENOIR Marseille

Plan Introduction Historique La Relativité Générale DG: la Gravité avec son Coté Obscur DG sur Terre, dans le Système Solaire et l'Univers Conclusion

Introduction Historique

Il existe un ordre caché, de relations numériques et géométriques (Pythagore), un monde des idées pures (Platon) par delà le chaos apparent des phénomènes Un petit nombre de principes simples permanents (idéalement un!), permet de rendre compte rationnellement de la multitude mouvante des manifestations (Thalès: l'eau, Héraclite: le feu, Anaximandre: l'Apeiron, Démocrite: les atomes...) Rem: Un fol espoir ! VI ème et V ème siècle Av J-C: Les Grandes Intuitions

XVII è : Newton La science est possible! Définitivement vrai: Les mouvements de tous les corps en chute libre (dans le ciel et sur terre) s'expliquent par l'attraction gravitationnelle universelle que les masses exercent entre elles. Faux (mais très bonne approximation) Loi 1: Les corps s'attirent par une force prop à leurs masses et inversement prop au carré de la distance qui les sépare. Loi 2: L'accélération de chaque corps est prop à la Force subie et inversement prop à sa masse.

La Gravitation selon Newton Ne concerne que les corps massifs Force instantanée à distance Rem: les principes ou lois, de même que la nouvelle vision qui en découle peuvent défier le sens commun. Symétrie entre action et réaction Laccélération subie par un corps ne dépend pas de sa masse

De Newton au XX ème siècle: des Forces et des Particules Trois nouvelles forces sont identifiées - Electromagnétique (XIX ème siècle) - Nucléaire faible (XX ème siècle) - Nucléaire forte (XX ème siècle) Triomphe de l'idée de particules élémentaires (et de la deuxième grande intuition): –Élémentaires car indivisibles –Elémentaires car en petit nombre de types différents aux propriétés simples

4 Interactions Fondamentales

Particules de matière Physique Matériaux: Liquides, solides gaz atomique nucléaire particules

Relativité Générale (I) des Principes aux Equations Si la science est possible, il doit exister des lois qui ne dépendent pas du point de vue de l'observateur, sinon il faudrait ré-établir les lois pour chaque point de vue possible (travail infini!) Il faut généraliser la notion d'universalité

Un changement de point de vue s'appelle une symétrie Les propriétés des objets concrets (particules) et les grandeurs abstraites (figurant dans les équations) se transforment en général sous les symétries Quelques symétries importantes: Relativité Générale (II) des Principes aux Equations Les rotations Les changements de vitesse (boosts) Les translations dans l'espace et le temps L'inversion des 3 directions de l'espace ou Parité Linversion du temps

Il faut que les équations de la physique gardent la même forme sous n'importe quelle symétrie continue de l'espace et du temps Les plus simples équations qui vérifient cela sont celles de la Relativité Générale: équations d'Einstein! Elles décrivent un phénomène bien connu: la gravité...mieux que celles de Newton ! Nous avons déduit la RG d'un unique Principe : la science est possible ! La pensée pure peut elle trouver les lois de la physique sans s'aider de l'expérience ?! Relativité Générale (III) des Principes aux Equations

La Gravitation des Equations d'Einstein Toutes les formes d'énergie peuvent produire de la gravité: La lumière (bien que sans masse), le mouvement (énergie cinétique) Les corps en mouvement (y compris la lumière qui est déviée) subissent la gravité différemment des corps au repos. La gravitation est propagée par des ondes gravitationnelles (à la vitesse de la lumière) Tous les corps ressentent la gravité de façon identique quelle que soit leur composition : tout se passe comme si la gravité était un phénomène de déformation de l'espace et du temps : les corps ne font que suivre les rails invisibles de l'espace-temps courbé La gravité ralentit le temps (Tour de Harvard: 0.1 s par 10 6 ans ) L'espace-temps n'est plus le contenant spectateur passif dans lequel on décrit les phénomènes, il est dynamique: il interagit avec les corps et avec lui même !

5600''/siècle = 5025'' (terre) + 532'' (perturbations) + 42'' (RG) Déviation de la lumière au ras du disque solaire: 1.7''(RG) **** ==>

La Relativité Générale Aujourd'hui Points forts: –Triomphe de la deuxième grande intuition –Succès éclatants dans tous les nombreux et variés tests de la gravité Les limites ?: –Calcul exact impossible en général, calcul approximatif extrêmement fastidieux en pratique –Non prédictive en cosmologie sans le principe cosmologique –Avec principe cosmologique: modèle épicyclique –Incompatibilité notoire avec la Mécanique Quantique –Elimination dun nombre infini d'autres équations possibles –Certaines prédictions cruciales encore à tester (trous noirs, OGs, gravito-magnétisme) –L'effet Pioneer: une anomalie ?

La Gravité avec son Coté Obscur des Principes aux Equations Principes: 1. Plus de Symétrie qu'en RG!: Les équations doivent aussi garder la même forme sous symétries discrètes comme l' inversion du temps 2. L'espace et le temps ne doivent pas se déformer ni participer aux interactions 1. ou 2. ==> Théorie de la gravité avec son coté obscur La théorie possède deux secteurs : –La gravité de fond –La gravité des masses

La Gravité avec son Coté Obscur Encore plus de symétrie (continues et discrètes) Calcul toujours élémentaire Compatible avec la Mécanique Quantique Succès dans tous les tests connus de la gravité Très prédictive: l'univers sans épicycles ?

La Gravité des Masses (I) En régime de faible gravité (système solaire), très faibles écarts avec la Relativité Générale En régime de forte gravité, écarts importants avec la Relativité Générale: pas d'horizon pour les Trous noirs!

La Gravité des Masses (II) Il existe (dans le même espace) un second versant de la gravité. Le monde des particules qui vivent sur cet autre versant est invisible de notre versant : analogie du jeu de dames (cf JP Petit) L'inversion du temps permet de passer d'un versant à l'autre et inverse la masse : –Masses vivant sur le même versant sattirent –Masses vivant sur des versants différents se repoussent

La Gravité de Fond Pas de paradoxe dinversion du temps 3 solutions possibles Discontinuités attendues Univers inhomogène

Facteur d'expansion Gravité obscure: Inverser le temps = Sauter dans la face cachée de l'univers 1 a(t) 1/a(t) Facteur d'expansion de lunivers Habituellement: Inverser le temps = Remonter le temps Inversion du temps t=0: Big Bang t=0 t + - t Le point de vue «extérieur»

Le point de vue des observateurs Facteurs d'expansion t 1 =t 2 =0 t 1 + t 2 + t 2 4/5 t 2 4/3 De plus nos horloges (t 1 ) accélèrent par rapport à celles (t 2 ) du versant obscur Versant obscur: expansion décélérée NotreVersant: expansion accélérée

Les Effets de la Gravité de Fond En RG, tout l'univers est plongé dans la même gravité de fond: L'espace s'étend (les ondes lumineuses se dilatent) La matière (les atomes) et le système solaire sont «rigides » En DG, l'univers est compartimenté en zones plongées dans des gravités de fond différentes L'espace ne se déforme jamais mais La matière (atomes) et le système solaire se contractent ou se dilatent de façon identique s'ils sont dans la même zone

Des ondes gravitationnelles Longitudinales RG: Transverses et quadrupolaires DG: Longitudinales comme les ondes sonores Amas de Persée: Chocs et oscillations

LEffet Pioneer

La fréquence des ondes radio reçues des sondes Pioneer de 20 à 70 U.A a augmenté anormalement au cours du temps: Interprétations à priori possibles: –Une décélération anormale constante dirigée vers le soleil –Une dérive temporelle des horloges de Pioneer / Terre Tous les autres effets envisagés ont été écartés.

LEffet Pioneer Apparu entre 10 et 15 U.A

La loi de Hubble La fréquence des ondes lumineuses n'a pas varié durant leur voyage Les atomes (horloges) ont par contre accéléré au taux H 0 ==> la durée du voyage donc l'espace semble se dilater au taux H 0

Leffet Pioneer Une discontinuité entre 10 et 15 U.A. Ici le temps accélère à un taux H 0 Ici le temps décélère à un taux H 0

New Horizon détecte une discontinuité de la vitesse des particules du vent solaire à 0.5 UA de Jupiter

Observation (10/2007): Enorme et soudain gain de luminosité: 1 million en qqs heures. Cause: Eruption de poussières et de glace, probable fragmentation du noyau. Explication: ?!, la comète est à 2.44 UA du soleil, trop loin pour que le rayonnement solaire puisse expliquer le sursaut. Le Sursaut de la comète Holmès

Le Sursaut d'Holmès Discontinuité et choc ?

Discontinuités dans le système solaire New-Horizon Pioneer_1983 Holmès Encelade

Des Discontinuités sur Terre ?

La foudre en boule - Apparaît suite à un éclair - Forme sphérique, 20 à 40cm - Souvent jaune-rouge, parfois bleue, verte, blanche - 1 à 30 secondes de durée de vie, disparition explosive (==> hautes pressions) ou progressive - Déplacements horizontaux à v < qq mètres/seconde - Attirée par les fils électriques °C ? à la surface, ambiante au voisinage - Récemment reproduite au laboratoire (expériences de décharges)

Un Puits de Potentiel (PdP) à symétrie sphérique confine la matière ==> température et pression augmentent. Problème: Pas un PdP gravitationnel (négligeable) ou électrostatique (instable). Solution: un PdP gravitationnel discontinu. Formation: Concentration de charges (base de l'éclair) qui élève le champ électrostatique à une valeur seuil critique. Une étoile miniature ? == > Seuil Discontinuité

La boule de lumière est nécessairement chargée Le PdP piège les particules massives, pas la lumière ==> Haute température et apparence lumineuse Même accélération pour toutes les particules capturées ==> Gain d'énergie: eVs/nucléon, meVs/électron. Les particules qui s'échappent sont refroidies ==> température ambiante dans le sillage Rayon R déterminé par la charge Q donc la décharge initiale ==> R quelconque Echanges avec le milieu extérieur en 1/R 2 et volume en 1/R 3 ==> Durée de vie en 1/R Perte de charge ==> évaporation ou explosion si la discontinuité disparaît brutalement. Tout s'explique

Une expérience de décharge (RECOM, Institut Kurchatov)

Traces étranges et boules de lumière

Traces étranges : passe-muraille et pointillés

Chargées mais pas élémentaires

Transmutations nucléaires

Trous et tranchées Microphoto trou d'entrée d'EV dans du verre de plomb. Eclaboussures. 2600°C/0.1 micron. Microsphères intensément lumineuses associées. Shoulders

Trous et tranchées Microphoto section trou d'entrée d'EV dans oxyde d'Aluminum (fusion à 2050°C). Eclaboussures. Densité d'électrons ~ celles des nucléons dans un solide. Pénétration: qq mms. Shoulders

Trous et tranchées Trous d'entrée et sortie d'EV dans feuille d'Alu. Vitesse des EVs ~ 0.1 vitesse de la lumière dans le vide. Ca, Mg, Si apparus dans les zones du Pd impactées par des EVs. Shoulders

Traces étranges Traces et trous dans le Palladium Savvatimova. Sauts et pulsations

Traces étranges Traces et trous dans le Palladium. Pulsations dans une émulsio Savvatimova.

Traces étranges

Anneaux et sauts sur une émulsion nucléaire. Matsumoto

Les micro boules de lumière Micro boules de lumière, Ectons, EV, Amas, Rayons étranges: le même phénomène! (Dash, Shoulders, Miley&Lewis, Iviolov, Savvatimova, Urutskoev, Matsumoto...) Le confinement et la température permettent fusion et transmutation nucléaires ! Neutrons s'échappant refroidis par la discontinuité ==> difficiles à détecter La boule peut tranférer sa matière dans le versant conjugué de l'univers via la discontinuité ==> peut traverser la matière sans y laisser de trace, disparaître ou réapparaître, léviter! La boule désagrège le matériau traversé et le reconstitue en partie dans son sillage ==> trous, tranchées, traces chimiques.

Trous noirs: pas d'horizon mais une colossale discontinuité autour et/ou dans l'objet massif. Matière et lumière y sont aiguillés vers le versant conjugué de l'univers. Des discontinuités à toutes les échelles (amas, galaxies, étoiles) Structures du versant obscur: gravité attractive sur un même versant mais répulsive entre les deux versants. ==> Tous les observables de la cosmologie sont à revoir. Discontinuités et structures du versant obscur dans l'univers

Vides et structures du versant obscur aident ils à faire tourner les galaxies?

Mieux que la matière noire Le vide creusé par la galaxie dans le versant conjugué imite l'effet d'un halo de matière noire......Mais sans les inconvénients: - Pas de constellation de grumeaux - Pas d'effet de pic au centre DG, Simple et prédictive: de l'antimatière normale du coté obscur

La cosmologie et ses observables Noyaux H, He, Li,... Diagramme de Hubble des Supernovae ==> accélération douce t 1.33 ~ Premières étoiles ~ 18 Milliards d'années Galaxies, Planètes... Atomes ==> Emission du rayonnement fossile Reseau de PdPs

Le rayonnement de fond à 2.7K homogène à 1/ près sans inflation ! Le taux d'expansion est si lent que les fluctuations vont pouvoir croître rapidement après le découplage ==> Matière noire inutile !

Une structure périodique sous-jacente ? Angle apparent de la période (pic) ~ 1° Détectée aujourd'hui dans la distribution des galaxies!

L'empreinte du versant obscur Grands vides raréfiés par les structures du versant obscur

Le réseau qui constitue la structure du vide a été le germe de la structure périodique de l'univers Notre versant accélère ~ t 4/3 Discontinuités Versant obscur décélère ~ t 4/5 Discontinuités et différents régimes d'expansion ont brisé la symétrie

L'empreinte du versant obscur ? Anneau de matière noire ou couche sphérique de matière du versant obscur ?

Tests du Gravitomagnétisme avec Gravity Probe B

RG: Test au % de leffet dentraînement dû à la rotation de la terre sur elle même sur les toupies de GP-B DG: Il existe un ref privilégié dans lequel le mouvement ne contribue pas à la gravité ==> Pas deffet dentraînement. Probable déviation périodique dépendant de la vitesse de la terre/soleil Autres effets possibles: - Rotation d'un système inertiel local/univers lointain - Traversées de discontinuité GPB_Status: « Effets inattendus, poursuite de l'analyse »

Conclusion DG: lautre option d'un choix binaire qui se présente au niveau des fondements conceptuels de la RG DG OK avec tous les tests, explique leffet Pioneer et très prédictive dans tous les secteurs de la gravité (y compris Ondes Gravitationnelles) DG propose une alternative non épicyclique à la matière noire. Un programme détude théorique et observationnel des effets de discontinuité sera probablement nécessaire avant de pouvoir assurer la cosmologie

Des Théories Concurrentes ? Les théories directement confrontées aux tests procèdent par la démarche toujours épicyclique qui consiste à modifier les équations en introduisant des termes supplémentaires et leurs paramètres libres associés. Paysage de théories et non prédictivité Deuxième grande intuition de la science sacrifiée

La Gravité des Masses (Complément) La gravité est instantanée à distance dans le système de coordonnées privilégié Seule la masse crée de la gravité dans le système de coordonnées privilégié Les effets de la gravité sur la lumière, les horloges, les corps en mouvement sont comme en Relat Gén

La Science est donc Possible (Le réèl est intelligible) Il est possible, via une chaîne de raisonnements et de calculs, de rendre compte qualitativement et quantitativement dune multitude de faits dobservation et d'expérience (idéalement tous) à partir dun nombre restreint de principes universels (idéalement un seul). Pour de la vrai science il faut: - Rationalité et accord avec les observations (Première intuition) -Economie de moyens assurant prédictivité donc falsifiabilité (Deuxième intuition)

L'empreinte du versant obscur Couche sphérique de matière du versant obscur ? ? Des anneaux d'étoiles ont aussi été découverts (autour de notre galaxie)