Constante cosmologique, énergie du vide ? Alain Bouquet

L’âge d’or de la cosmologie Les données viennent de sources de plus en plus variées XMM Elles sont de plus en plus précises Elles confirment la théorie du big bang Dans les grandes lignes Dans les détails Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

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

La relativité générale est un jeu d’enfant Masse et énergie déforment l’espace et le temps Courbure = densité d’énergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Energie noire, constante cosmologique, etc. Un jeu d’enfant… Courbure = Energie Expansion Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide Varie avec l’expansion Constante + constante cosmologique Courbure spatiale + 1 = Energie de la matière + énergie du vide Courbure temporelle courbure temporelle courbure temporelle Wk + 1 = Wm + WL Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Energie noire, constante cosmologique, etc. Triangle cosmique Quelque soit le point à l’intérieur 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 Wm : Energie de la matière WL : Energie noire ou constante cosmologique Wk : Courbure de l’espace Wm + WL + Wk = 1 Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Energie noire, constante cosmologique, etc. Triangle cosmique Chaque observation cosmologique mesure une certaine combinaison des paramètres Amas et galaxies Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30% Wm : Energie de la matière WL : Energie noire ou constante cosmologique Wk : Courbure de l’espace Supernovae Rayonnement cosmologique Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Energie noire, constante cosmologique, etc. 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 d’intervalle : © Cerro Tololo / Adam Riess On connaît sa luminosité absolue, on mesure sa luminosité apparente: la comparaison donne la distance Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

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

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

Energie noire, constante cosmologique, etc. Interprétations Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide Rythme d’expansion Accélération de l’expansion : domination de l’énergie du « vide » Présence d’une vraie constante cosmologique Domination du « vide » des champs connus Domination du « vide » d’un nouveau champ, par ex. quintessence Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

La constante cosmologique La forme la plus générale de l’équation d’Einstein 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 n’est 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 l’attraction mutuelle des masses. Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Une constante… variable Coïncidence : Sa valeur a juste la valeur nécessaire pour qu’elle devienne importante précisément aujourd’hui. A quoi devons-nous ce privilège ? Energie du vide Constante cosmologique Rigoureusement constante Normalement constante Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Energie noire, constante cosmologique, etc. L’énergie 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. Quand il y a des vagues, il y a des particules Le « vide » correspond à l’absence de particules, qui ne sont que des excitations localisées d’un champ. Le vide, c’est quand il n’y a pas de vagues Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Du vide et des particules Un champ presque uniforme de particules Quand il n’y a pas de particules, il reste le champ sous-jacent, dont l’énergie n’a aucune raison d'être nulle ! En général, celle-ci n’a pas d’importance car on ne mesure que des différences d’énergies entre deux états, avec ou sans particules… … sauf en gravitation où toute énergie compte ! Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Varier l’énergie du vide ? Champ Energie du vide Faire varier l’énergie du vide au fil du temps est déjà utilisé dans les modèles d’inflation : on peut reprendre l’idée pour l’univers actuel Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Energie noire, constante cosmologique, etc. L’énergie du « vide » ? Pour accélérer l’expansion, l’énergie du « vide » a deux inconvénients : coïncidence avec la densité de la matière précisément aujourd’hui; la théorie donne naturellement une valeur 1040 à 1060 fois trop élevée. Accélération cosmologique : échelle de longueur ~ taille de l’univers visible L ~ 1026 m = échelle de masse-énergie M1 ~ 10-32 eV (= 1/L) Théorie des champs : échelle de masse-énergie M2 ~ 109 eV (QCD) ~ 1028 eV (= 1/LPlanck) Mécanismes compensateurs invoqués : supersymétrie (supercordes), mais nécessairement imparfaite quintessence (mécanisme astucieux pour que l’énergie du « vide » suive en permanence celle de la matière) ad hoc ? Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

L’énergie du vide est-elle la solution? Quelle que soit l’expansion de l’univers, il est toujours possible de trouver un champ et l’énergie du vide ad hoc : aucune prédictivité Aucune forme proposée n’a de justification indépendante, et aucune n’est 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 l’idée d’exploiter l’énergie du vide est précisément de changer la « constante » Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Retour à la constante cosmologique Dimensions supplémentaires ? Une fluctuation quantique ? L’univers visible a un volume fini limité par un horizon de surface L2 Fluctuation d’énergie (DE)2  L2 = L2/L4Planck Fluctuation de densité Dr = DE/L3 = 1/L2L2Planck qui va bien… au lieu de 1/L4Planck qui pose problème © T. Padmanabhan Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.

Méditons sur les mystères de l’univers Alain Bouquet CNRS-APC Energie noire, constante cosmologique, etc.