Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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68 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Cône de lumière représentant la fraction de l'Univers observable, simulée en 2007 par la collaboration Horizon sur l'ordinateur Platine du CCRT, le centre de calcul du CEA. Cette simulation de haute performance, qui a pris en compte près de 70 milliards de particules et plus de 140 milliards de mailles, va permettre aux astrophysiciens de prédire quelle est la distribution de matière dans l'Univers avec une précision et un réalisme sans précédent. N CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 Formation des structures de l'Univers : le jeu des modèles Ne pouvant mettre l'Univers en laboratoire, les astrophysiciens développent des modèles numériques pour décrire son évolution. Leur résolution s'accroît de génération en génération mais il reste encore bien des mystères, en particulier la nature de la matière et de l'énergie noires. otre vision de l’Univers a beaucoup évolué à travers les siècles. Dans sa Divine Comédie, Dante Alighieri (1265-1321) décrit ainsi le cosmos : les planètes se déplacent sur des sphères concentriques, appelées mobiles, au centre desquelles se situe la Terre. Les étoiles vivent quant à elles sur la sphère la plus externe, nommée Primo Mobile. Le voyageur imaginaire dont Dante conte l’histoire découvre qu’au-delà de ce Primo Mobile se trouve une grande lumière qui, par l’intermédiaire du Primo Mobile, met en mouvement toutes les autres sphères. Cette vision poétique du cosmos pourrait constituer un modèle d’Univers médiéval, mais son langage résonne étrangement avec la vision moderne de la cosmologie. Au-delà de l’aspect poétique, cette vision s’apparente aussi à un modèle scientifique, dans la mesure où il permet de prédire le mouvement des planètes dans le ciel. Le mouvement rétrograde que certaines d'entre elles avaient le mauvais goût de suivre paraissait contredire le modèle, mais grâce à la théorie des épicycles, il fut possible de l’expliquer de façon rela - tivement simple, sans menacer l’ensemble de l’édifice. Le contenu de l’Univers Avant de décrire le modèle actuel de l’Univers, il convient de dresser un rapide portrait des objets qui peuplent le cosmos à grande échelle. Les planètes, elles, sont dans notre environnement immédiat. La cosmologie moderne s’attache à décrire la distribution d’objets beaucoup plus grands et lointains : les galaxies, et parmi elles, la nôtre, la Voie lactée. Ces grands objets majestueux sont composés de centaines de milliards d’étoiles comme le Soleil. De couleurs et de formes très variées (spirales, elliptiques, irrégulières), les galaxies se distribuent dans l’Univers selon une structure très caractéristique appelée la toile d’araignée cosmique. Les galaxies se forment et évoluent au sein de ses grands filaments (voir La toile d’araignée cosmique, p.65). Observant encore plus loin, les astronomes ont découvert ce fameux rayonnement micro-onde –le fond diffus cosmologique ou rayonnement fossile (voir La grande histoire thermique de l’Univers, p.62) – image de l’Univers lorsqu’il avait 380 000 ans. Cette photographie jaunie d’un Univers en culotte courte est d’une importance primordiale : elle donne accès aux conditions initiales de notre Univers. Qu’y voit l'observateur ? Un ciel essentiellement homogène, avec des fluctuations infimes, d’une amplitude de 1 pour 100 000. L’image appropriée est celle d’un lac tranquille, à la surface duquel l'observateur attentif discerne cependant d’infimes vaguelettes qui la perturbent très légèrement. L’origine de ces fluctuations demeure encore un mystère. La théorie la plus plausible est celle de l’inflation. Elle met en jeu des fluctuations de densité aux échelles quantiques, dans l'Univers primordial, suivies d’une phase d’inflation qui projette ces fluctuations quantiques aux échelles cosmiques. Il n’en demeure pas moins que les astronomes observent directement ces fluctuations, 380 000 ans après leur origine, lorsque l’Univers devient transparent et lève le voile sur sa vraie nature. Le big bang… et la suite Le modèle actuel de formation des structures s’appuie sur la théorie du big bang, qui suppose un Univers en expansion décrit par la relativité générale. Terme péjoratif utilisé par l’astrophysicien R. Teyssier/CEA
anglais Fred Hoyle pour se moquer de cette théorie, « big bang » est néanmoins devenu le nom « officiel » de la théorie ! Après la singularité initiale, qui joue le rôle du Primo Mobile de Dante en initiant l’expansion universelle, l’Univers se dilate et se refroidit, conduisant progressivement à l’apparition des particules et de leurs interactions. Ce modèle met en jeu trois composantes principales : la matière ordinaire (l’atome et ses constituants) qui ne représente que 4% de l’énergie totale, la matière noire (environ 24%) et l’énergie noire (72%) ; voir Formation des galaxies : une histoire paradoxale, p.56. Comme leur nom l’indique, la nature de ces deux nouveaux intervenants échappe encore aux physiciens. La matière noire est un fluide autogravitant (1), mais sans collisions, ce qui empêche pour l’instant sa détection (2). Sa signature gravitationnelle fournit néanmoins des preuves indirectes de sa présence. L’énergie noire, elle, est encore un peu plus mystérieuse. Elle a été introduite récemment dans le modèle, pour expliquer la brusque accélération qui semble caractériser l’expansion universelle depuis quelques milliards d’années. Elle pourrait être liée à un nouveau fluide, aux propriétés inédites, et dont l’action ne s’applique qu’à très grande échelle. Il s’agit de deux « points durs » de la théorie actuelle : il n’y a qu’un pas à faire pour les comparer aux fameux épicycles du modèle médiéval. Continuons le film de la formation des structures. Les fluctuations primordiales vont croître sous l’effet de l’instabilité gravitationnelle : pour reprendre l’image du lac, les vaguelettes se transforment petit à petit en une houle qui se creuse, pour devenir finalement, au bout de 100 millions d’années, des vagues déferlantes, provoquant la naissance des premières étoiles. Cette phase d’amplification gravitationnelle s'appelle les Âges Sombres, qui prennent fin à l'apparition des premiers objets lumineux. C’est le début de la formation hiérarchique des objets cosmiques. Les premières galaxies à apparaître sont très petites : elles ne contiennent qu’un million d’étoiles. Elles vont ensuite se regrouper pour créer des galaxies plus grosses. Ces dernières vont évoluer, et entrer en collision les unes avec les autres, pour engendrer les galaxies massives qui peuplent l’Univers aujourd’hui, avec parmi elles la Voie lactée. L’Univers simulé Le modèle qui permet de décrire cet assemblage hiérarchique des galaxies n’est autre que la mécanique des fluides autogravitants. Il s’agit d’un modèle mathématique relativement simple, mettant en jeu quelques lois de conservation et l’interaction gravitationnelle dans un champ faible (3). Ce modèle, aussi simple soit-il, rend les calculs analytiques très difficiles à entreprendre. Les équations en jeu sont fortement non linéaires, et font intervenir des (1) Comme la matière ordinaire, la matière noire est sensible à la gravitation qui freine sa dispersion. (2) Les collisions entre particules provoquent l'émission de photons, détectables à distance. (3) Cette restriction, dite « limite de champ faible », est la condition pour que la théorie newtonienne reste valable. Dans les champs forts (ou non statiques), il faut utiliser la théorie d'Einstein (relativité). NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) À gauche, image en vraie couleur de la galaxie NGC 4622. À droite, image en vraie couleur d'une galaxie simulée avec le code RAMSES, développé au Service d'astrophysique du CEA/Irfu, dans le cadre du modèle hiérarchique. L'accord entre le modèle et l'observation est excellent. phénomènes chaotiques. Or, il est fondamental pour une théorie de pouvoir faire des prédictions quantitatives. Une bonne théorie se doit en effet d'être falsifiable : il faut pouvoir la confronter au réel par le biais de ses prédictions. Pour calculer les prédictions de ses modèles complexes, la science moderne fait donc appel à l’ordinateur. Le triptyque théorie, simulation et expérience est au cœur de toute activité scientifique : désormais, la science « marche sur trois pattes ». C’est encore plus vrai pour l’astrophysique, qui ne peut évidemment réduire ses objets d’étude à une expérience en laboratoire. Les astrophysiciens n'ont accès au réel que par le biais d’objets très complexes, qui échappent totalement à leur volonté simplifi - catrice. L’ordinateur joue donc un rôle fondamental de médiation entre la théorie et l’observation. Aujourd'hui, il est possible de simuler l’évolution de 70 milliards de pseudo-particules grâce à une utilisation intensive des supercalculateurs (voir l'illustration p.68). Il est malheureusement toujours impossible de simuler l’ensemble de l’Univers observable avec assez de détails pour accéder à l’échelle des galaxies. Les simulations cosmologiques à grande échelle ne permettent de simuler que la matière noire. Pour pouvoir comparer avec les observations, il est nécessaire de peupler les halos de matière noire par des galaxies. Cette étape est généralement réalisée par une démarche phénoméno - logique, appelée aussi approche semi-analytique, car elle mélange modélisation numérique et modélisation analytique. Tout en restant conscient des limites de cet exercice, il faut souligner l’accord specta - culaire entre ce modèle et la distribution réelle des galaxies. L’instabilité gravitationnelle d’une matière noire froide semble donc pouvoir expliquer la formation des structures de l’Univers à grande échelle. Des questions en suspens À plus petite échelle, le mystère de la formation des galaxies reste entier. La théorie, élaborée pendant les années 1970, met en jeu le rôle central du rayonnement. Les collisions entre atomes d’hydrogène conduisent au refroidissement rapide du plasma CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 69 R. Teyssier/CEA



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