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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86 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers 10 7 10 6 10 5 Moscou 10 4 moduli 10 3 10 2 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 résultats attendus par l'expérience Eöt-Wash 10 -5 2 5 10 -4 2 5 10 -3 2 5 (mètres) Figure 1. L’étude de l’attraction gravitationnelle, des plus courtes échelles aux plus grandes distances, est fondamentale pour bien appréhender le problème de l’accélération de l’Univers. La modification de la gravité à petite échelle (ici de l’ordre du millimètre en abscisse) pourrait bien révéler la présence de particules engendrant l’accélération. Ces particules viendraient augmenter la force de gravité d’un pourcentage porté en ordonnée. Les mentions de « Lamoreaux » faites sur ce schéma correspondent à l’expérimentateur dont on présente les résultats et celle d’« Irvine » à l’expérience réalisée dans l’université du même nom (idem pour Moscou). Le dilaton est une hypothétique particule utilisée dans la théorie des cordes : sont données sur le schéma les bornes de son existence (idem pour le moduli). L’axion est une hypothétique particule qui pourrait être à l’origine de la matière noire. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 Lamoreaux limites expérimentales sur la particule appelée axion (hypothétique aussi) dilaton axion limite sur l'existence de 2 dimensions supplémentaires Irvine limite expérimentale donnée par l'expérience Eöt-Wash De plus, la relativité générale fait graviter toutes les formes d’énergie, contrairement à l’approche newtonienne où seule gravite la matière. Or, et il s’agit d’une extrême surprise, une phase d’accélération est impossible en relativité générale, sous couvert de validité du principe cosmologique, si le contenu en énergie de l’Univers se réduit à la radiation lumineuse, aux neutrinos, à la matière composant les galaxies et au halo de matière noire les entourant. Engendrer une accélération suppose donc de « violer » l’une de ces hypothèses et de modifier la relativité générale, le principe cosmologique ou le contenu en énergie de l’Univers. Les dix dernières années ont vu fleurir nombre de modèles cherchant à expliquer l’accélération de l’Univers par la modification d’une de ces hypothèses. D’ailleurs, bien avant la découverte de l’accélération de l’Univers, Albert Einstein proposait déjà de modifier la relativité générale. Optant pour une vision aristotélicienne du cosmos, il imaginait une sphère céleste statique. Or, selon la théorie de la relativité générale, celle-ci ne peut pas être immobile : l’attraction gravitationnelle due à la matière qui la compose impliquant sa contraction (figure 1). Pour contrecarrer cet « écroulement gravitationnel », Albert Einstein introduisit un nouveau terme dans les équations, celui de constante cosmologique – l’effet attendu étant de stabiliser la sphère céleste et de rendre ainsi l’Univers statique. Néanmoins, quand l’astrophysicien Edwin Hubble découvrit l’expansion de l’Univers, dans les années 1920, et a donc battu en brèche l’hypothèse d’un Univers statique et immuable, l’introduction de la constante collaboration EotWash de Seattle cosmologique devint obsolète et ceci, jusque dans les années 1990. Il aura fallu du temps pour décrire la nature physique de la constante cosmologique. Seulement dans les années 1960, apparaît une équivalence avec la densité d’énergie du vide. En physique classique, le vide signifie une absence de matière et aucune densité d’énergie. Cette perception, la mécanique quantique va la bouleverser. En effet, dans le vide, des particules virtuelles apparaissent, puis disparaissent, avant même d’avoir pu être observées. De cette activité frénétique résulte sûrement l’existence d’une énergie du vide. Une manifestation expérimentale de ce phénomène a été décelée et porte le nom d’effet Casimir (1). Entre deux plaques métalliques, les fluctuations du champ électromagnétique créent une force attractive. La mystérieuse constante cosmologique introduite par Albert Einstein reflète ainsi la nature quantique du vide cosmologique. Elle correspond à une modification du contenu en énergie de l’Univers. L’effet d’une constante cosmologique sur la dynamique d’un Univers en expansion est bien connu depuis les travaux d’Alexander Friedmannet Willem de Sitter (2) dans les années 1920. Alors que la densité d’énergie de la matière et de la radiation décroît avec le temps, la constante cosmologique reste immuablement constante et devient ainsi, au bout d’un certain temps, la portion dominante du contenu en énergie de l’Univers. Lorsque la constante cosmologique domine les autres formes d’énergie, la force répulsive induite par celle-ci ne peut plus être contrebalancée : d’où une période d’expansion accélérée qui s’identifie à celle que l’on observe. La constante cosmologique apparaîtrait donc comme l’explication la plus simple de l’accélération de l’Univers. Puisque celle-ci n’a commencé que « récemment », la constante cosmologique devrait prendre une valeur proche de la densité actuelle de matière de l’Univers. Cette dernière reste très faible : 25 ordres de grandeur de moins que la densité de l’atmosphère et 6 de moins que le vide intergalactique ! L’existence d’une densité d’énergie si minuscule est en conflit avec notre connaissance de la physique des particules. Aussi a-t-il fallu envisager d’autres explications. Ainsi, la constante cosmologique peut également s’interpréter comme étant la densité d’énergie d’un fluide emplissant l’Univers, dont la pression se trouve exactement à l’opposé de sa densité d’énergie. Le rapport pression/densité d’énergie, appelé « équation d’état » vaut alors -1. Plus généralement, l’accélération de l’Univers pourrait encore émaner (1) Hendrick Casimir (1909-2000), physicien hollandais, directeur des laboratoires Philips et professeur à l'université de La Haye. Spécialiste de la supraconductivité et des diélectriques, il est l’auteur d’un effet qui porte son nom selon lequel deux plaques métalliques parallèles situées dans le vide s'attirent. (2)Alexander Friedmann(1888-1925), physicien et mathématicien russe ayant entrevu, le premier, que la théorie de la relativité générale d'Einstein permettrait l'étude de la structure de l'Univers dans son ensemble. Willem de Sitter (1872-1934), mathématicien, physicien et astronome néerlandais, qui a été l’un des premiers à évoquer, en 1917, la possibilité d'un Univers en expansion, sur la base des travaux de la relativité générale d'Einstein.
de la présence d’un nouveau type de matière découverte dans l’Univers : l’énergie noire. Les observations contraignent son équation d’état à approcher -1. Si elle descendait à -1, l’Univers deviendrait instable. Mais rien ne l’empêche d’être supérieure à -1 et inférieure à -1/3, valeur maximale au-dessus de laquelle toute accélération devient impossible. La description thermodynamique du fluide régissant l’accélération de l’Univers ne représente que la première étape du processus de modélisation. En effet, si l’équation d’état ne s’établit pas exactement à -1, la densité d’énergie noire ne peut pas demeurer constante dans le temps. Ce comportement se modélise par la théorie d’un champ scalaire dont l’énergie potentielle joue le rôle d’énergie noire. Le champ scalaire évolue comme une boule qui roule en étant freinée le long d’une pente douce (figure 2). Après une longue roulade, le champ s’arrête et son énergie potentielle reste constante. C’est elle qui conduit à l’accélération de l’Univers (figure 3). Cette nouvelle forme d’énergie porte le nom de quintessence. Toutes les tentatives pour expliquer l’accélération de l’Univers par une nouvelle composante d’énergie ne résolvent pas, pour autant, le problème de la valeur de la constante cosmologique. L’énergie du vide, due aux fluctuations quantiques, s’avérant de 120 ordres de grandeur plus importante que la valeur observée, on peut parler de catastrophe non élucidée. Un mécanisme est donc nécessaire pour éviter celle-ci. Le « candidat » le plus prometteur pourrait être la supersymétrie, postulant l’existence de « superpartenaires » associés à chaque particule élémentaire. Alors, l’énergie du vide s’annule exactement. La découverte des « superpartenaires » pourrait intervenir au Large Hadron Collider dans les prochains mois. Malheureusement, les « superpartenaires » ayant jusqu’ici échappé aux observations, la supersymétrie ne peut donc pas être considérée comme une symétrie exacte de la nature. Sa brisure réintroduit des fluctuations du vide dont la densité d’énergie reste encore 60 ordres de grandeur trop grande. Une autre explication a été avancée, celle dite du principe anthropique énonçant que l’Univers doit être tel que son observation soit possible. Par exemple, du simple fait que les galaxies se soient formées, découle que la constante cosmologique ne peut excéder 100 fois la densité de matière observée. Les progrès récents de la théorie des cordes prédisent l’existence de multiples univers, chacun doté d’une énergie du vide différente. Il devient alors envisageable que notre Univers ne soit que l’un d’entre eux, associé à une petite énergie du vide et hébergeant des observateurs. Une autre voie consisterait à modifier la relativité générale aux échelles cosmologiques et donc avancer que l’accélération de l’Univers résulterait d’une manifestation des lois régissant la gravité à très longue distance. Mais cette hypothèse se heurte ellemême à d’autres obstacles. Comme toutes les théories physiques décrivant les quatre interactions fondamentales, la relativité générale est une théorie lagrangienne dont les équations se déduisent du principe de moindre action. Modifier la relativité générale revient à changer le caractère lagrangien de Figure 2. La dynamique des champs scalaires qui pourraient être responsables de l’accélération s’apparente au mouvement d’une bille roulant le long d’une pente et soumis à un frottement. Après avoir dévalé la pente, la bille se stabilise au minimum potentiel. Si l’énergie est positive, celle-ci sert de réservoir d’énergie pour l’accélération. la théorie. Or le théorème d’Ostrogradski stipule que cela conduit à des théories non physiques, par exemple : le vide est instable. Une seule famille de théories échappe à ce résultat, mais elle généralise des modèles de quintessence et souffre des mêmes défauts. Une autre éventualité a été encore explorée, celle de la « violation » du principe cosmologique. Si la mesure du rayonnement de fond cosmique prouve que l’Univers est isotrope, l’homogénéité du cosmos reste hypothétique. L’accélération du mouvement des supernovae pourrait découler de certaines inhomogénéités locales. Pire, le principe de Copernic, qui sous-tend l’hypothèse d’homogénéité et stipule que V () V () Figure 3. Si le potentiel n’a pas de minimum, le champ scalaire roule le long de la pente avant de se stabiliser. L’énergie potentielle résiduelle conduit à l’accélération de l’Univers. L'énergie potentielle de l'énergie noire se représente par V () alors qu'en abscisse nous avons la valeur du champ d'énergie noire. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 87



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