Non, les trous noirs ne sont pas à l'origine de l'énergie sombre

Le 15 février dernier (épisode 1455), je vous relatais la publication d'une étude ébouriffante qui proposait le grossissement des trous noirs à cause de l'expansion de l'espace-temps, les propulsant alors comme l'origine de l'accélération de l'expansion à grande échelle grâce à cette caractéristique signant leur nature sous-jacente. Faisons donc le point sur cette étude 6 mois plus tard. Deux mois après la publication de Farrah et al., un astrophysicien américain publiait la démonstration observationnelle que ce phénomène (et donc la théorie sous-jacente) était impossible. Il a publié sa contre-étude dans The Astrophysical Journal Letters. 

Une anisotropie dans l’accélération de l'expansion cosmique ?

C’est une petite bombe sulfureuse que l’astrophysicien français Jacques Colin et ses collaborateurs danois et britanniques viennent de publier : selon eux, l’énergie noire n’existerait tout simplement pas et les observations des décalages de vitesse des supernovas vis-à-vis de leur distance ayant conduit à cette idée en 1998 ne seraient qu’un artefact lié au mouvement des observateurs que nous sommes. Leur étude fondée sur 740 supernovas est parue dans Astronomy and Astrophysics.

La matière noire peut complètement remplacer l'énergie noire

Voilà une étude théorique très très intéressante, effectuée par des physiciens indiens : en prenant en compte un terme de viscosité pour la matière noire, ils parviennent à produire une expansion cosmique accélérée, jusqu'à expliquer complètement l'effet associé à ce qu'on appelle l'énergie noire...

Un condensat de Bose-Einstein à bord de l'ISS dans quelques mois

La NASA est en train de procéder aux dernières phases de test de CAL (Cold Atom Laboratory) qui sera envoyé sur l'ISS au mois d’août 2017. Cet instrument unique au monde produira la température la plus basse jamais atteinte par l'Homme, et la plus basse de l'Univers.

A la recherche de l'Univers invisible : matière noire, énergie noire, trous noirs, par David Elbaz

Cette conférence à été donnée à l'Institut d'Astrophysique de Paris en janvier 2017 par David Elbaz, astrophysicien au CEA. Il y explique les éléments invisibles de l'Univers, balayant tour à tour la matière noire, l'énergie noire et les trous noirs... A voir ou à revoir ! 

Energie Noire et Modèles d'Univers, cours du Collège de France 2016-2017

Le cours de la chaire Galaxies et Cosmologie du Collège de France de Françoise Combes entame sa troisième saison lundi prochain. Après les galaxies spirales et la matière noire en 2014-2015 puis les trous noirs supermassifs en 2015-2016, la session de cette année sera consacrée à l'énergie noire et les modèles d'Univers. 

Le premier cours aura lieu lundi 28 novembre et a pour titre "Accélération de l'expansion et Énergie noire".

Si vous êtes à Paris, il vous suffit de vous rendre au Collège de France, aucune inscription préalable n'est requise, les cours sont en accès libre et gratuits. Ce premier cours de cette année aura lieu de 17h à 18h à l'Amphithéâtre Marguerite de Navarre - Marcelin Berthelot

Si vous êtes loin de  Paris comme moi, rassurez-vous, les cours et séminaires sont filmés et mis en ligne sur le site du Collège de France ici :https://www.college-de-france.fr/site/francoise-combes/course-2016-2017.htm

Et pour vous mettre l'eau à la bouche, voici le petit trailer de cette nouvelle saison : 

Première carte détaillée de la répartition de Matière Noire

Des astrophysiciens du programme DES (Dark Energy Survey) viennent de rendre publique la première carte détaillée de la répartition de matière noire (ou carte des distorsions d'espace temps produisant des effets de microlentilles gravitationnelles si l'on préfère). Cette carte a été produite grâce à l'imageur le plus puissant existant actuellement, avec ses 570 Mégapixels.

Première carte de la distribution de matière noire sur une large zone par le Dark Energy Survey. L'échelle de couleur représente la densité de masse reconstruite (le rouge est le plus dense). Les amas de galaxies sont représentés par les points gris, plus ils sont gros, plus l'amas est grand. (Dark Energy Survey)

Cette nouvelle carte est la carte la plus étendue à ce jour avec autant de détails, et elle devrait permettre de mieux comprendre les liens existant entre la matière noire et la matière ordinaire. Le but ultime du programme DES n'est pas d'étudier la matière noire, mais de percer les secrets de l'énergie noire, cette (encore) mystérieuse énergie qui produit une accélération de l'expansion de l'Univers. Et pour étudier sereinement l'énergie noire, nous avons besoin de cartographier le plus précisément possible comment se répartit la matière, toute la matière, c'est à dire tout ce qui est suffisamment massif pour déformer l'espace-temps. Et ce sont ces petites déformations de l'espace-temps qu'est capable de voir le télescope de DES avec son imageur hors du commun.

L'équipe internationale menée par Vinu Vikram de Argonne National Laboratory, qui publie cette étude dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a mesuré les distorsions à peine perceptibles des images de plus de 2 millions de galaxies durant plus d'un an pour construire cette nouvelle carte.

L'imageur de DES est monté sur un télescope relativement modeste de 4 m de diamètre, le télescope Victor Bronco situé à l'Observatoire inter-américain du Cerro Tololo au Chili. 

Cette carte de la matière noire via le micro-lensing exploite environ seulement 3% de la zone du ciel que DES couvrira durant sa mission de 5 ans... Grâce aux futures données de DES du même type, les scientifiques pourront mieux tester les théories cosmologiques actuelles en évaluant les quantités respectives de matière visible et invisible.

Pour l'instant, DES semble valider le concept actuel selon lequel les galaxies se forment là où il y a de fortes concentrations de masse (invisible) produisant des champs gravitationnels importants. Les cartes montrent de vastes zones en forme de filaments de matière le long desquels des galaxies et des amas de galaxies se trouvent, puis de vastes régions quasi-vides.

Des études complémentaires sur ces filaments et ces vides permettront de comprendre un peu mieux leur origine et surtout de mieux tester les différents modèles théoriques associés.

Source : 

Wide-Field Lensing Mass Maps from DES Science Verification Data

V. Vikram et al.

A paraître dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Matière Noire et Energie Noire : de purs et simples produits de la Relativité Générale ?

La Relativité Générale a été une véritable révolution scientifique. Nous fêtons cette année le centenaire de cette grande théorie d'Albert Einstein. Cette théorie, qui a été validée des millions de fois depuis 100 ans nous a permis de voir le monde autrement, en nous montrant un Univers espace-temps modelé par la masse qu'il contient.

Aujourd'hui plus que jamais, la Relativité Générale est la théorie physique la plus fondamentale. Mais la Relativité Générale ne pourrait-elle pas aujourd'hui être à la source d'une nouvelle révolution scientifique ?  C'est ce qui pourrait peut-être arriver si l'on en croit un chercheur non professionnel français qui vient de rendre public simultanément, dans la plus grande discrétion, deux gros articles assez incroyables.

Equation du champ après linéarisation (Le Corre)

Stéphane Le Corre, c'est son nom, propose dans ses deux articles théoriques, en le démontrant très sérieusement et de manière très documentée, que l'existence d'une apparente masse manquante, que l'on a pris l'habitude d'appeler la matière noire, matière toujours totalement inconnue aujourd’hui, et l'accélération de l'expansion cosmique, que l'on attribue aujourd'hui à une énergie noire, énergie tout autant inconnue, ne seraient ni plus ni moins que des phénomènes tout à fait naturels, qui peuvent se déduire d'une propriété de la gravitation issue de la Relativité Générale.

Le point de départ du développement de Le Corre consiste à utiliser  une approximation des équations de la Relativité Générale, ce qu'on appelle une linéarisation des équations. Il s'agit d'une approximation de la Relativité Générale comme peut l'être la théorie de Newton, mais qui se trouve bien moins approximée que cette dernière. 

La linéarisation des équations de la Relativité Générale produit un fait marquant : elle fait apparaître clairement un terme gravitomagnétique, et les équations obtenues se trouvent être très semblables à celles des équations de Maxwell de l'électromagnétisme. Le champ gravitomagnétique (ou champ gravitique comme l’appelle l’auteur de ces travaux) qui apparaît dans les équations, arrive tout à fait naturellement, il n'est pas un ajout ad hoc. 

Les masses apparaissent ainsi similaires aux charges électriques de l'électromagnétisme, le champ gravitationnel agit entre les masses comme le champ électrique entre les charges et un champ gravitique apparaît lorsque des masses se meuvent dans l'espace, tout comme apparaît le champ magnétique quand des charges électriques sont en mouvement. 

Et, de la même façon que les charges électriques subissent une force dans un champ magnétique, qui va modifier leur trajectoire, les masses subissent, en plus de la force de gravitation "classique" une seconde force liée au champ gravitique. 

Cette linéarisation des équations de la Relativité Générale possède un domaine de validité pour les faibles vitesses et les champs gravitationnels faibles. C'est justement le cas pour le mouvement des galaxies dans leur zone externe. Stéphane Le Corre repart justement de l'origine des observations qui ont mené à l'idée de la présence d'une matière non visible dans les galaxies à la fin des années 60 (grâce notamment à Vera Rubin) : les courbes de rotation des galaxies. 

Courbes de rotation de galaxies spirales (vitesse de rotation en fonction de la distance du centre galactique)   (Sofue & Rubin, 2001)

Il montre à partir d'un panel de courbes de rotations de différentes galaxies que la prise en compte du champ gravitique permet d'expliquer complètement la forme des courbes de rotation à longue distance, sans avoir besoin de supposer la présence d’une matière noire additionnelle. Le champ gravitique peut d'ailleurs se décomposer en une contribution interne aux galaxies et une composante externe. La composante interne décroit très vite avec la distance du centre galactique. Ne reste au-delà de 50 000 années-lumière du centre des galaxies que la composante externe : un champ gravitique faible et constant qui serait le champ gravitique de l'amas dans lequel se trouve la galaxie en question. Ce serait ainsi selon Le Corre cette composante qui serait la principale responsable de la forme anormale des courbes de rotation des galaxies, qui nous a incités à penser à la présence de matière supplémentaire non visible. La seule hypothèse que fait Stéphane Le Corre est ici que les galaxies doivent se trouver au sein d'amas de galaxies, or c'est ce qui est observé dans la très grande majorité des cas. Il n'existe pas ou très peu de galaxies isolées.

La similitude des équations développées par Stéphane Le Corre entre gravitation et électromagnétisme est frappante, et revêt une élégance certaine. Le titre de l'article n'en est pas moins raffiné : Dark Matter, a new proof of the predictive power of General Relativity (la "matière noire", une nouvelle preuve du pouvoir prédictif de la Relativité Générale).

Et l’existence d’un champ gravitique à des conséquences qui vont au-delà de la distribution des vitesses des étoiles au sein des galaxies : il induit également une certaine répartition des galaxies satellites autour des grosses galaxies, qui devraient se distribuer en un vaste disque. Or il existe déjà des indices observationnels de telles répartitions de galaxies satellites, par exemple autour de la galaxie d’Andromède…

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Concernant l'explication de l'accélération de l'expansion, que Stéphane Le Corre développe dans son second article au titre très proche du premier, où c'est l'énergie noire qui apporte une nouvelle preuve de la puissance prédictive de la théorie einsteinienne, une hypothèse un peu plus spéculative est faite pour soutenir la démonstration, toujours fondée sur les effets du champ gravitique. Mais cette fois c'est l'antimatière qui joue un rôle particulier, car l'hypothèse faite est que l'antimatière possède une masse gravitationnelle négative et qu'il existe alors une interaction répulsive entre matière et antimatière (la masse inertielle, elle, reste toujours positive). Il faut préciser tout de suite que la masse gravitationnelle est ce qui produit le champ gravitationnel et la masse inertielle ce qui subit le champ gravitationnel. Le parallèle avec l'électromagnétisme est d'ailleurs sous-jacent, où les charges électriques existent avec les deux signes. En considérant l'existence possible de masses négatives, l'expression du terme incluant le champ gravitique dans les équations relativistes devient négative et peut être assimilé au terme L de constante cosmologique produisant une accélération de l'expansion. 

En fait, l'introduction d'une masse gravitationnelle négative pour les antiparticules en plus de l'existence d'un champ gravitomagnétique permet de fournir une solution non seulement à l'accélération de l'expansion, mais aussi au problème de l'absence d'antimatière, tout en préservant l'existence d'une phase inflationnaire dans l'Univers primordial. L'idée de Le Corre est que, du fait de la répulsion gravitationnelle inhérente entre particules et antiparticules, ces dernières ont subi une ségrégation très tôt dans l'histoire de l'Univers, créant de fait des "univers" séparés, les uns faits de matière et les autres d'antimatière. Notre univers de matière serait ainsi entouré de plusieurs univers d'antimatière, à la manière d'un réseau d'atomes. Or chaque univers avec sa masse propre produit un champ gravitationnel, ainsi qu'un champ gravitique constant non négligeable, qui bien sûr va agir sur les univers voisins (c'est la seconde hypothèse de cette théorie)... Notre univers de matière aurait alors pour plus proches voisins des univers d'antimatière.

Schéma de la distribution d'"unvivers" de matière et d'antimatière qui agissent
les uns sur les autres, telle que proposée par l'auteur.

Le Corre fait les calculs au premier ordre en considérant 8 univers d'antimatière entourant notre univers, avec chacun une densité strictement opposée à la densité de notre univers. Et ce qu'il trouve est troublant.  Il calcule quelle devrait être la vitesse d'expansion à la frontière entre univers voisins à partir de la valeur du paramètre W_L mesuré par le satellite Planck (et qui vaut 0,7), associé à la constante cosmologique (qui est directement associée au champ gravitique dans la solution de Le Corre). La vitesse obtenue vaut 0,5 c, ce qui est tout à fait cohérent avec les observations aux plus grandes échelles.
En outre, à partir de ces mêmes calculs et avec cette valeur de vitesse, Stéphane Le Corre peut donner une valeur numérique à la valeur du terme de constante cosmologique L, il obtient : 1,4 10^-52 m^-2, toujours avec 8 univers d'antimatière voisins. Cette valeur de L est tout à fait dans l'ordre de grandeur de ce qui est observé aujourd'hui (10^-52 m^-2)...

L'hypothèse essentielle de toute cette démonstration est l'existence d'une masse gravitationnelle pouvant être négative, associée à une masse inertielle devant toujours être positive. Le Corre démontre comment une telle masse négative est tout à fait cohérente, à la fois dans la gravitation Newtonienne et dans la Relativité Générale. Ces théories le permettent. Stéphane Le Corre fait à nouveau la correspondance entre électromagnétisme et Relativité Générale Linéarisée pour montrer qu'à la conjugaison des charges entre particules et antiparticules est naturellement associée une conjugaison des masses. Ce point est la clé de voûte de la solution proposée, et il se trouve que c'est un phénomène testable expérimentalement. Il existe d'ailleurs déjà plusieurs expériences, notamment au CERN qui tentent de déterminer si des atomes d'antihydrogène sont attirés ou repoussés dans un champ gravitationnel de matière ordinaire (expériences AEgIS, GBAR ou ALPHA par exemple, qui n'ont pas encore des résultats suffisamment précis pour trancher dans une sens ou dans l'autre).

La conséquence du fait que les particules auraient forcément une masse gravitationnelle opposée à celle de leur antiparticule est qu'aucune particule ne pourrait être identique à son antiparticule, les particules de Majorana n'existeraient tout simplement pas, alors que c'était envisagé pour les neutrinos, qui n'ont pas de charge électrique mais une toute petite masse. Or il existe des expériences qui tentent de mettre en évidence l'existence de tels neutrinos de Majorana (expériences GERDA, NEMO ou MAJORANA par exemple). L'absence de résultats positifs pour ces expériences conforterait alors la solution proposée par le chercheur français. 

Pour résumer, Stéphane Le Corre parvient à expliquer le comportement attribué à la matière noire et à l'énergie noire, uniquement par une propriété cachée de la gravitation qui existe en Relativité Générale : la présence d'un champ gravitique, très similaire au champ magnétique en électromagnétisme, et qui produit une force par le mouvement des masses dans l’espace-temps. Ce champ agirait à l'échelle des amas de galaxie pour la matière noire, et à l'échelle de l'Univers concernant  l'énergie noire. La grande force de cette théorie est qu’elle n’introduit que très peu d'hypothèses. L’hypothèse la plus forte est l'existence d'une masse négative pour l'antimatière. Et la bonne nouvelle est que cette théorie est à la fois prédictive et testable.

Ces deux articles publiés en pré-print de manière assez confidentielle sur le site des archives ouvertes du CNRS méritent vraiment de s'y attarder, tant les solutions proposées sont séduisantes et rendent à nouveau à la Relativité Générale toute sa grandeur, peut-être même en font la théorie ultime qui pourrait bien nous réserver encore des surprises en résolvant naturellement les plus grandes énigmes cosmologiques actuelles…

Références :

Stéphane Le Corre. Dark matter, a new proof of the predictive power of general relativity. 2015. <hal-01108544v3>

Stéphane Le Corre. Dark energy, a new proof of the predictive power of general relativity. 2015. <ensl-01122689>

Sortir de l’Obscurité avec l’Antimatière

La collaboration ALPHA vient d’apporter la preuve au CERN que l’antihydrogène est bien neutre. Ne le savait-on pas déjà ? Oui, bien sûr, si notre compréhension de la physique est correcte, mais encore fallait-il le démontrer expérimentalement. De nombreuses expériences s’intéressent actuellement à l’antihydrogène, et pour des raisons plus que fondamentales.

N’importe quelle expérience sur l’antihydrogène qui conduirait à un résultat inattendu représenterait une découverte monumentale qui changerait fondamentalement notre vision du monde physique. Et il existe aujourd’hui de fortes suggestions pour que la recherche sur l’antimatière puisse résoudre les plus gros mystères de la physique actuelle…

schéma de l'hydrogène et anti-hydrogène (CERN)

La collaboration ALPHA a donc permis de fixer une limite sur la charge d’un anti-atome d’hydogène (ou un atome d’anti-hydrogène), composé rappelons-le d’un antiproton et d’un anti-électron (aussi appelé positron). Cette nouvelle mesure (une charge électrique d’environ 10^-8 celle de l’électron, je passe les décimales) est de l’ordre de 6 ordres de grandeurs plus basse que la précédente limite mesurée, et est meilleure d’un facteur 2 par rapport à ce qui pouvait être dérivé des mesures de charge individuelles de l’antiproton et du positron. L’antihydrogène est donc bien neutre comme on s’y attendait, mais cela méritait vraiment d’être vérifié. En effet, notre existence dépend d’une asymétrie apparente entre matière et antimatière, or la seule asymétrie que nous connaissons dans la nature est la violation de la symétrie de charge-parité (CP), dont la valeur est de plusieurs ordres de grandeurs trop petite pour avoir pu générer l’Univers dominé de matière que nous connaissons.

La recherche sur l’antimatière ne s’intéresse pas seulement à la question fondamentale de l’antimatière manquante, qui nous permet d’être là, mais pourrait bien aussi répondre au problème de la matière noire et de l’énergie noire. C’est peut-être l’un des seuls sujets de recherche capables aujourd’hui d’adresser toutes ces problématiques en même temps.

L'appareillage de l'expérience ALPHA (CERN)

Nous savons donc que la symétrie CP peut être brisée. Si on ajoute la symétrie de renversement du temps, nous obtenons la symétrie CPT qui a été prouvée être une excellente symétrie pour toutes les théories quantiques fondées sur des champs invariants de Lorentz. Comme ces théories forment la base de la physique des particules, trouver une brisure de la symétrie CPT nous montrerait que nos hypothèses sur l’Univers ne sont pas correctes. Une telle violation de CPT n’a encore jamais été observée bien sûr. Et elle va pouvoir être testée en observant des transitions atomiques (la raie Lyman a) dans des atomes d’antihydrogène. La raie Lyman a de l’hydrogène est peut-être le paramètre physique qui est connu avec la plus grande précision aujourd’hui (jusqu’à la 14^ème décimale), il faut maintenant produire suffisamment d’atomes d’antihydrogène pour atteindre la même précision… Au moins trois expériences différentes se sont lancées dans ce type de production et de mesures d’une éventuelle violation de CPT : ALPHA bien sûr, mais aussi ATRAP et ASACUSA, cette dernière expérience utilisant une méthode différente des deux premières.

Mais comme je le disais, il n’y a pas que la découverte potentielle d’une violation de CPT qui motive nombre de physiciens au CERN et ailleurs dans la recherche sur l’antimatière. L’autre mesure fondamentale concerne la gravitation : mesurer la force de gravitation entre matière et antimatière d’une manière directe. Trois expériences se sont lancées dans cette quête : ALPHA, AEgIS et GBAR. Dans le paradigme du cadre relativiste de la gravitation, il n’existe pas de différences entre particules de différente nature : les antiparticules tombent de la même façon que les particules.

Paul Dirac, l'inventeur de l'antimatière
(Emilio Segré Visual Archives)

Mais, alors que la relativité générale fonctionne parfaitement à l’échelle du laboratoire et du système solaire, ce n’est plus le cas au niveau des structures plus grandes, dans les courbes de rotation des galaxies, les structures d’amas de galaxies ou encore le taux d’expansion cosmique où des anomalies observées par rapport à la théorie ont conduit soit au postulat de l’existence d’une matière noire et d’une énergie noire, dont la nature est toujours tout à fait inconnue, soit au développement de théories de gravitation alternatives (gravitation modifiée).

Une autre voie permettant d’expliquer (au moins en partie) ces observations est d’introduire une interaction gravitationnelle entre matière et antimatière qui n’est pas celle considérée habituellement dans la relativité générale (force attractive entre toutes les masses) : une interaction gravitationnelle répulsive entre matière et antimatière, de la même manière que deux charges électriques identiques se repoussent et deux charges électriques différentes s’attirent, une symétrie du même type (mais inversée) pourrait exister entre masses si l’antimatière avait en fait une masse « négative ». Il faut savoir que des solutions à masse négative produisant une interaction répulsive existent bel et bien dans les équations de la relativité générale (solutions de l’équation de Kerr-Newman).

Un modèle cosmologique fondé sur de telles interactions a même déjà été développé⁽²⁾ en envisageant l’existence d’une quantité rigoureusement identique de matière et d’antimatière dans l’Univers, et conduit en outre à ne plus avoir besoin de constante cosmologique (donc d’énergie noire) pour expliquer les observations de supernovae Ia, qui ont amené à la construction du modèle actuel d’univers en expansion accélérée. Dans ce scénario, matière et antimatière se repoussant mutuellement par gravitation, elles resteraient séparées à jamais.

De plus, des paires virtuelles de particules-antiparticules produites à partir du vide formeraient des dipôles gravitationnels et comme les charges gravitationnelles (les masses) opposées se repousseraient, la polarisation gravitationnelle du vide augmenterait les champs gravitationnels suffisamment forts pour polariser d’avantage les dipôles, ce qui est différent du cas des charges électriques où la polarisation du vide fait décroitre les champs électriques. Et ce comportement gravitationnel produirait une dynamique ressemblant étonnamment à celle du modèle de gravitation modifiée MOND qui retrouve la forme des courbes de rotation des galaxies sans ajout de matière noire.

L’hypothèse d’une gravitation répulsive entre matière et antimatière semble pouvoir résoudre simultanément les mystères de l’antimatière manquante, de la matière noire et de l’énergie noire. Elle est en train d’être testée au CERN par les expériences sur l’antihydrogène ; si jamais elle s’avère juste, après la révolution scientifique qu’elle provoquera, on ne pourra que se demander pourquoi on n’y avait pas pensé plus tôt…

Sources :

(1) Out of the Darkness

T. Phillips

Nature Physics  vol 10 (july 2014)

(2) Introducing the Dirac-Milne Universe

A. Benoit-Lévy et al.

Astron. Astrophys. 537, A78 (2012)

L’Energie Noire existe-t-elle ? Les SN Ia sont-elles de vrais étalons de distance ?

L’énergie noire… sous ces deux mots se cache un énorme mystère, ou pourquoi pas une énorme erreur ? Le concept d’énergie noire est lié à la découverte en 1998 d’un comportement inattendu de l’expansion de l’Univers. Au lieu de ralentir comme prévu par le modèle cosmologique standard fondé sur la relativité générale, le taux d’expansion a été mesuré s’accélérant. 




Il fallait donc trouver une « chose » qui puisse produire une telle accélération de l’expansion, et on a inventé une nouvelle forme d’énergie liée à l’espace-temps lui-même, qui permet un tel scénario et comme on ne sait absolument pas quelle serait la nature de cette énergie qui agirait à l’opposé de la gravitation, elle a été appelée par la communauté anglo-saxonne Dark Energy, ce qui a été traduit faussement en français par Energie Noire…

Répartition énergétique de l'univers selon le modèle actuel

Revenons au départ. A la mesure du taux d’expansion de 1998 qui a conduit à l’observation d’une accélération. Comment fait-on cette mesure ? Il faut évaluer deux paramètres : une vitesse d’éloignement et une distance sur un même objet astrophysique, et faire ces mesures à plusieurs époques cosmiques différentes.

Pour connaître la vitesse de récession, les astrophysiciens possèdent un moyen très puissant, connu depuis des décennies et utilisé efficacement dans de très nombreuses applications : le décalage de longueur d’onde. La théorie de la relativité restreinte dit que plus la vitesse d’éloignement d’un objet par rapport à un observateur est grande, plus sa lumière est décalée vers le rouge. Inversement, plus sa vitesse de rapprochement est grande, plus elle est décalée vers le bleu.

L’Univers étant en expansion, tous les objets s’éloignent de nous, et la lumière de tous ces objets est décalée vers le rouge. Et plus la distance est grande, plus la vitesse de récession est importante, et donc plus le décalage vers le rouge est grand.

On pourrait donc connaître la valeur de distance en même temps que la valeur de vitesse en regardant uniquement le décalage vers le rouge. Oui. Mais cela nécessite un étalonnage préalable à l’aide d’un autre moyen, puisqu’il faut connaitre le facteur qui relie la vitesse (mesurée grâce au décalage de longueur d’onde) et la distance, et c’est justement ce facteur qui donne le taux d’expansion que l’on cherche à connaître avec précision, notamment savoir si il accélère ou ralentit au cours du temps.

Les astrophysiciens ont donc besoin de deux mesures totalement indépendantes. La mesure de vitesse est trouvée, ce sera le décalage de longueur d’onde. Reste à trouver le support de la mesure de distance.

Le moyen le plus simple pour mesurer la distance d’une étoile est d’utiliser la géométrie et le fait que la Terre n’est pas toujours au même endroit au cours de l’année puisqu’elle tourne autour du Soleil. A six mois d’intervalle, nous ne voyons pas les étoiles avec le même angle de vue, elles paraissent donc légèrement bouger dans le ciel. Un mouvement infime qui permet tout de même de mesurer la distance avec une précision étonnante. Cette méthode des parallaxes est efficace mais bien évidemment, plus la distance considérée est grande, plus les angles correspondants sont petits et il arrive inéluctablement une limite à partir de laquelle nos télescopes ne parviennent plus à déceler de si petite variations angulaires. La méthode des parallaxes ne permet donc pas de mesurer des distances extrêmement grandes.

Pour étudier l’évolution de l’expansion de l’Univers, il faut regarder très très loin, ce sont des galaxies lointaines qu’il faut observer, à plusieurs milliards d’années-lumière. Si on ne peut pas utiliser la méthode géométrique des parallaxes, il faut donc utiliser une méthode fondée sur la physique des étoiles dont on cherche à mesurer la distance. Une étoile est un objet qui émet une certaine quantité de lumière, puis cette lumière voyage dans l’espace et finit par arriver sur la Terre, dans nos miroirs puis dans nos pupilles. La luminosité apparente que nous percevons est une fonction de nombreux paramètres, mais les paramètres principaux sont d’un côté la quantité de lumière produite par l’étoile (sa luminosité absolue) et d’autre part la distance qui nous sépare d’elle. Le flux de lumière produit par une étoile décroit comme l’inverse de la distance au carré. Nous y voilà. Pour connaître la distance, il suffit de connaître la luminosité apparente que nous voyons (c’est notre mesure), et la quantité de lumière que produit l’étoile (la luminosité absolue).

Vue d'artiste de l’accrétion de matière par une naine blanche, future SN Ia

C’est là qu’interviennent les Supernovae Ia (SN Ia). Pour comparer des distances à partir d’une luminosité apparente observée, il faut que les étoiles en question émettent exactement la même quantité de lumière à l’origine. Mais toutes les étoiles sont différentes, elles sont de types, de masses, de composition différente et donc ne produisent jamais la même quantité de lumière. Toutes ?

Les supernovae Ia semblent justement pouvoir être utilisées comme des étalons qui émettent toujours la même quantité de lumière. La raison pour laquelle elles émettent, pense-t-on, toujours la même quantité de lumière vient de la nature physique de ce qu’est une explosion de supernova de type Ia : il s’agit d’une étoile naine blanche qui accrète de la matière d’une étoile compagne (naine blanche elle aussi) et qui en arrive à un moment donné à dépasser la masse limite au-delà de laquelle sa pression interne de dégénérescence électronique ne peut plus contrecarrer la force de gravitation, et l’étoile s’effondre alors sur elle-même en produisant ce gigantesque rebond thermonucléaire et l’apparition d’une étoile à neutrons. Cette masse limite, appelée masse de Chandrasekhar  a une valeur très précise, qui est déterminée par les lois de la mécanique quantique, elle vaut 1,44 fois la masse du soleil. Toutes les supernovae Ia seraient donc des explosions d’objets de 1,44 masses solaires, produisant ainsi au final toujours la même quantité de lumière.

Il faut bien comprendre que tout le concept d’énergie noire repose donc sur ce phénomène :  les supernovae Ia (qui ont été utilisées lors de la « découverte » de l’anomalie du taux d’expansion en 1998) doivent toutes produire exactement la même quantité de lumière. Si le phénomène n’est pas exact, l’accélération de l’expansion et donc l’énergie noire peuvent être mis à la poubelle.

Alors, est-ce que les supernovae Ia explosent bien toutes quand elles atteignent la masse de Chandrasekhar ? Peut-on être sûr que les naines blanches les plus lointaines (anciennes) ayant produit une SN Ia il y a 10 milliards d’années relèvent des mêmes phénomènes d’accrétion de masse que celles plus récentes, de composition chimique et d’environnement différents car de deuxième ou troisième génération ?

On sait par exemple que des naines blanches sont capables de dépasser  légèrement la  masse limite si elles ont une très grande vitesse de rotation. La force centrifuge agit alors à l’opposé de la force de gravitation.

Simulation numérique d'une explosion de naine blanche en supernova Ia

Et si pour une raison encore non connue les naines blanches en systèmes binaires d’il y a 10 milliards d’années tournaient (parfois ou systématiquement) plus vite sur elles-mêmes, si bien qu’elles dépasseraient les 1,44 masse solaire réglementaire avant d’exploser ? Et si pour une raison ou une autre, ces naines blanches binaires subissaient des phénomènes massifs et rapides de capture de masse conduisant à un dépassement important de la masse de Chandrasekhar au moment de l’explosion plutôt qu’une accrétion lente et progressive ?

Et si l’environnement des naines blanches binaires d’il y a 10 milliards d’années était tellement plus poussiéreux ou gazeux que celui des naines blanches plus récentes, que la lumière de la supernova en serait fortement atténuée ?

Si ces situations existaient, la luminosité absolue des SN Ia ne serait en fait pas un véritable étalon. Une luminosité absolue plus grande de 50% par exemple induit une erreur de 23% sur la valeur de la distance (trouvée dans ce cas plus courte que ce qu’elle serait en réalité, avec une vitesse de récession plus  grande que prévu,  donc une accélération apparente).

Si ces situations existaient, et il n’a pas encore été prouvé qu’elles n’existaient pas, la conséquence en serait que l’énergie noire ne serait que du vent…

Le concept d’énergie noire repose sur la mesure réellement la plus difficile qui soit en astronomie : la mesure des distances. Il suffirait d’un petit rien pour que ce concept déroutant sensé remplir 73% de l’Univers ne devienne la plus grande erreur des astrophysiciens d’aujourd’hui.

Des neutrons ultra-froids testent la gravitation, l'énergie noire, et la matière noire

Une équipe de chercheurs menée par le physicien autrichien Thomas Jenke, de l'université technique de Vienne, vient de réussir une prouesse en développant une toute nouvelle technique expérimentale. Cette technique porte désormais le doux nom de Spectroscopie de Résonance Gravitationnelle. Ils sont ainsi parvenu à poser de nouvelles contraintes à la fois sur l'énergie noire et sur une certaine hypothèse de matière noire. Cela mérite quelques explications...

Les chercheurs ont exploité des neutrons ultra-froids (c'est à dire de très basse énergie cinétique) pour regarder de très près comment ils se comportent dans le champ gravitationnel terrestre et tester la loi de Newton et d'éventuelles anomalies à très petite échelle.

Le coeur du réacteur à Haut Flux de l'ILL (Institut Laue Langevin)

La fonction d'onde quantique d'une particule située dans un potentiel linéaire, par exemple le champ gravitationnel proche de la surface terrestre, possède un spectre en énergie continu. Mais lorsque cette particule, comme un neutron, voit son mouvement contraint par deux murs de potentiel, son spectre en énergie devient discontinu : il apparaît des niveaux d'énergie discrets, quantifiés.

C'est cet effet qu'ont voulu observer Jenke et ses collègues, et ils y sont parvenus.
Pour créer deux murs de potentiel gravitationnel, ils ont utilisé deux miroirs entre lesquels ils ont donc fait passer un faisceau de neutrons de très basse énergie, dans une installation expérimentale développée auprès du réacteur à haut flux (HFR) de l'Institut Laue Langevin (ILL) de Grenoble.
Le but est de mesurer la différence d'énergie infime qui sépare deux niveaux quantiques d'énergie gravitationnelle. Pour mesurer cela, il faut modifier la distance des murs de potentiel, donc la distance des deux miroirs. Un miroir est donc fixé et le second subit des oscillations très rapides avec un mouvement nanométrique. L'oscillation de la distance entre les miroirs induit une oscillation des neutrons entre deux niveaux d'énergie gravitationnelle. Mais pas avec n'importe quelle oscillation des miroirs : il faut que la fréquence du mouvement ait une certaine valeur, correspondant à l'écart entre les niveaux quantiques énergétiques, ce qu'on appelle le phénomène de résonance. Et lorsque ce saut en énergie gravitationnelle a lieu, le nombre de neutrons sortant de la cavité d'expérience se trouve réduit par rapport au cas où la fréquence et quelconque et ne coïncide pas avec un des différents niveaux d'énergie gravitationnelle.

Il suffit alors de "simplement" mesurer le nombre de neutrons transmis à travers la cavité en fonction de la fréquence d'oscillation du miroir mobile et le tracé de cette courbe de transmission montre alors des creux à certaines fréquences, les fréquences de résonance, qui correspondent aux différents niveaux d'énergie gravitationnelle.
Grâce à cette méthode très innovante, les physiciens autrichiens ont réussi à mesurer quatre niveaux d'énergie gravitationnelle pour leurs neutrons. Et cette mesure leur permet de tester la validité des bonnes vieilles équations de Newton, mais jusqu'à des échelles très petites, de l'ordre de quelques microns seulement. 

C'est une première puisque la gravitation n'avait encore jamais été testée à des échelles aussi petites. 

Principe de la technique de spectroscopie de résonance gravitationnelle (à gauche). Un neutron ultrafroid (UCN) entre dans une cavité de deux miroirs produisant une discrétisation de ces niveaux d'énergie gravitationnelle (à droite) (APS/Alan Stonebraker)

Et cette très belle mesure, dont les résultats viennent d'être publiés dans Physical Review Letters, permet quelques implications en cosmologie, et oui! à la fois sur l'énergie noire et la matière noire, ce qui la rend encore plus intéressante.
Il se trouve que certains modèles théoriques cherchant à expliquer l'énergie noire proposent un scénario dans lequel existe un nouveau champ scalaire, et ce champ scalaire devrait modifier légèrement les niveaux d'énergie gravitationnelles des neutrons dans ce type d'expérience. Or comme les niveaux d'énergie mesurés par l'équipe de Jenke sont exactement ceux prédits par la théorie classique, le scénario d'énergie noire en question peut donc être très contraint par ces nouvelles mesures.

Quant aux implications sur la matière noire, elles concernent une hypothèse de matière noire que nous avons déjà évoquée ici, à savoir des particules qu'on appelle des axions. Les axions doivent produire un couplage entre le spin des neutrons et leur position, ce qui induit là encore théoriquement une modification des niveaux d'énergie gravitationnelle dans la cavité. Pour évaluer ce phénomène potentiel, il fallait donc polariser les neutrons avant leur entrée dans la cavité et refaire la mesure, puis comparer avec une mesure sans polarisation. Rien de plus simple : pour polariser, c'est à dire aligner le spin de tous les neutrons du faisceau, il faut appliquer un champ magnétique linéaire. Un aimant fait l'affaire. Le résultat obtenu par l'équipe autrichienne est sans équivoque : il rejette certains types de couplages d'axions, ou au moins apporte des nouvelles contraintes, ce qui permet de fixer un peu plus les contours du modèle théorique des axions.

Cette belle expérience fondant une toute nouvelle méthode, que les auteurs ont nommée spectroscopie de résonance gravitationnelle a utilisé des neutrons ultra froids, très utiles grâce à leurs propriétés physiques unique : neutralité électrique et spin demi-entier, ce qui les rend sensibles uniquement à la gravitation et aux champs magnétiques (j'exclue ici les réactions nucléaires). Le réacteur expérimental à haut flux de l'ILL de Grenoble, qui existe depuis 1971 est la source de neutrons la plus efficace en Europe, voire dans le monde, pour parfaire ce type de science avec des neutrons.  Y étudier des implications cosmologiques comme l'énergie noire et la matière noire est tout à fait inédit et promet de futures explorations neutroniques toujours plus fructueuses.

Source : 
Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios
T. Jenke et al.
Phys. Rev. Lett. 112, 151105 (16 avril 2014)

L'Energie Noire ne Varie pas au Cours du Temps

A écouter !

Le fait que l’expansion de l’Univers a commencé à accélérer il y a 7 milliards d’années est quelque chose d’accepté dans le modèle cosmologique standard actuel, même si ce qui a causé cette accélération reste aujourd’hui un mystère. L’expression « énergie noire» couvre plusieurs possibilités, et pour trier parmi celles-ci, nous avons besoin de plus d’informations, comme par exemple de savoir si cette énergie noire est constante ou bien varie au cours du temps.

Jusqu’à  présent, les astrophysiciens ont toujours été limités par le fait que la plupart des observations concernaient soit l’univers assez proche (avec un redshift z proche de 1), là où les supernovae et les galaxies sont facilement observables, ou au contraire l’univers très lointain (à z de l’ordre de 1000) avec le rayonnement fossile du fond diffus cosmologique.

 

Illustration du phénomène d'oscillations acoustiques baryoniques laissant leur empreinte dans les grandes structures de galaxies (Illustration  Chris Blake et Sam Moorfield)

Mais aujourd’hui, un programme observationnel permet de combler en partie ce trou temporel. Le Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) permet de mesurer l’expansion cosmique à  des redshifts de 2.3, correspondant à  une remontée dans le temps de 10 milliards d’années, soit avant le début de l’accélération de cette expansion.

Ces observations confirment bien sûr l’existence d’un terme d’ "énergie noire". Mais chose beaucoup plus intéressante, elles montrent qu’elle n’a pas varié dans les derniers 10 milliards d’années. Cette énergie noire reste cohérente avec une nature de  type "constante cosmologique" à  la Einstein, alors que cela aurait pu ne pas être le cas.

La collaboration BOSS enregistre les spectres de presque 2 millions de galaxies et de 150000 quasars grâce au télescope de 2.5 m du Sloan Digital Sky Survey , situé à  l’observatoire Apache Point au Nouveau Mexique. Leur objectif est de déterminer la distribution de la matière à  travers plus de la moitié de l’Univers observable. Cette distribution, qui n’apparaît pas aléatoire fournit de précieux renseignement non seulement sur l’énergie noire, mais aussi sur la distribution de matière noire et sur la gravitation.

Télescope de 2.5 m du Sloan Digital Sky Survey , situé à  l’observatoire Apache Point (CalTech)

Depuis sa mise évidence en 1998 par l’observation de supernovae, l’accélération de l’expansion n’a eu de cesse d’être investiguée pour essayer d’en déterminer l’origine.

Parmi les premiers paramètres utilisables se trouvent ce qu’on appelle les oscillations acoustiques baryoniques, qui sont des sortes d’ondes acoustiques se déplaçant très vite dans l’Univers très jeune et très dense et qui se retrouvent aujourd’hui comme figées, dès lors que la matière n’était plus assez dense pour leur propagation, 300000 ans après le BigB. 

Ces oscillations acoustiques se traduisent aujourd’hui par des variations de densité de matière caractéristiques, visibles au niveau des distributions de galaxies, et qui conservent l’empreinte des fluctuations primordiales de densité.

Depuis une dizaine d’années, de nombreux programmes de recherches de galaxies ultra-lointaines ont vu le jour, et tous parviennent à  voir l’échelle des OAB dans les distributions des galaxies. C’est grâce à  ces mesures que l’accélération de l’expansion a pu être confirmée sans faire appel au supernovae.

Vue schématique de l'expansion, d'abord se ralentissant puis s'accélérant (NASA Science)

L’apport du programme BOSS vient de sa prise en compte de quasars très lointains. L’équipe a utilisé ces quasars comme des lampes torches projetées vers nous pour étudier la distribution d’hydrogène qui se trouve entre les galaxies, par l’"ombre" qu’il produit (absorption de la lumière des quasars d’arrière-plan).

C’est la première fois qu’une mesure de l’hydrogène par cette méthode est utilisée pour mesurer les oscillations acoustiques baryoniques. Et c’est cette technique qui a ainsi permis de trouver les taux d’expansion les plus anciens.

D'après les résultats de BOSS, l’énergie noire est donc constante dans le temps. C’est finalement la théorie la plus simple qu’on pouvait imaginait qui semble se révéler la  bonne. 

Désormais, la balle est plutôt dans le camp des théoriciens. Alors que les techniques observationnelles peuvent toujours être améliorées et on sait comment faire,  en revanche, trouver la bonne théorie qui explique ce qu’est vraiment ce qu’on appelle par défaut "énergie noire" est une autre affaire… mais on on a au moins éliminé pas mal de pistes.

 Références :

Cosmology: Hydrogen wisps reveal dark energy

Tamara Davis 

Nature498,179–180 (13 June 2013)

A. Busca, N. G. et al. Astron. Astrophys. 552, A96 (2013)

A. Slosar, A. et al. J. Cosmol. Astropart. Phys. 026 (April 2013).

SN Wilson : Supernova Ia La Plus Distante Jamais Observée

Tous les records sont faits pour être battus, ça semble logique, et surtout en astrophysique, où l'on cherche toujours à aller plus loin, plus tôt... Mais là, tout de même, le record n'aura vraiment pas tenu très longtemps. Au début de janvier dernier, l'équipe du Cosmology Supernova Project menée par prix Nobel 2011 Saul Perlmutter publiait un article dans l'Astrophysical Journal relatant la découverte de la supernova Ia la plus éloignée. Elle était située à un décalage spectral de z=1,71, avec des mesures spectroscopiques très précises ne laissant aucun doute sur sa nature et sa distance. Cette découverte avait été faite en utilisant le télescope spatial Hubble.

Mais il faut désormais en parler au passé car ce petit record vient d'être supplanté par l'équipe concurrente qui traque elle aussi les supernovæ Ia les plus lointaines possibles, à savoir l'équipe de Berkeley dirigée par l'autre prix Nobel 2011, Adam Riess... 

Images Avant l'explosion (à gauche), après l'explosion de la SN (au centre), et différence des deux (à droite) [NASA, ESA, A. Riess, D. Jones and S. Rodney (JHU)]

Il s'agit en fait plus d'une émulation que d'une concurrence, ce qui permet de faire avancer nos connaissance le plus vite possible. On se souvient que Perlmutter et Riess avaient reçu ensemble le Nobel pour la mise en évidence grâce à l'observation de SN Ia lointaines, de l'expansion accélérée de l'Univers, débouchant sur le concept d'énergie noire. Ils sont toujours aujourd'hui à la traque de ces véritables chandelles cosmiques qui permettent d'évaluer des distances cosmiques avec une grande précision.

Cette nouvelle supernova Ia, qui a été dénommée SN Wilson, en l'honneur de l'ancien président des Etats-Unis Woodrow Wilson, s'appelle en fait SN UDS10Wil. Elle est située à un redshift (décalage spectral) de z=1,914, soit une distance de plus de 10 milliards d'années-lumières!
 

Cette découverte est issue d'un grand programme débuté en 2010 avec le Hubble Space Telescope, le projet CANDELS+CLASH (Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) et Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH)), concurrent direct du projet Cosmology Supernova, comme je le disais plus haut. Le programme CANDELS+CLASH exploite la caméra Wide Field Camera3 de Hubble, ce qui se fait de mieux aujourd'hui en orbite.

Depuis 2010, plus d'une centaine de SN Ia ont ainsi été découvertes, situées entre 2,4 milliards et 10 milliards d'années-lumière, mais dont seulement 8 plus lointaines que 9 milliards d'années-lumière.

Le télescope Spatial Hubble en orbite (credit ESA)

 
Ce nouveau record bat le précédent de 'seulement' 350 millions d'années-lumières, une gageure.
La technique employée pour découvrir des supernovae est relativement simple, étant donnée que ce sont des étoiles qui se mettent à apparaître subitement du fait de leur explosion libérant des millions de fois plus de luminosité qu'en temps normal : il suffit de faire des images d'une même région du ciel à différents intervalles de temps.

L'équipe a donc fait des images dans le proche infra-rouge, espacées de 50 jours sur une durée totale de 3 ans. Le jeu consiste ensuite à soustraire une image par une autre pour en révéler l'étoile intruse qui est apparue entre temps.

Dès que SN Wilson a été mise en évidence en décembre 2010, elle a ensuite été regardée plus en détails grâce au télescope terrestre VLT de l'ESO situé au Chili, notamment pour en calculer sa distance.

Parmi les deux modèles de supernova Ia en compétition dont nous avons déjà amplement parlé ici, il semble que cette nouvelle venue ultra lointaine indique un cas double dégénéré, c'est à dire impliquant la fusion de deux naines blanches.

L'équipe d'astrophysiciens menée par A. Riess, en évaluant le nombre de SN en fonction de leur distance, montre que le nombre de SN Ia tend à diminuer de plus en plus plus on arrive à des distances très loitaines et donc des temps très anciens (un univers jeune). Ils indiquent ainsi que le bon modèle pour les SN Ia serait plutôt celui impliquant un couple de naines blanches.

La traque des SN Ia les plus lointaines est fondamental pour apporter toujours plus de précisions, confirmer (ou infirmer) l'accélération de l'expansion qui fut mise en évidence il y a 15 ans. 

Ces deux records successifs tendent à confirmer le modèle cosmologique standard en vigueur, mais jusqu'à quand ? Peut-être jusqu'au prochain record de distance...

Références :

- The Discovery of the Most Distant Known Type Ia Supernova at Redshift 1.914
D.Jones et al. (dont Adam Riess)
The Astrophysical Journal  (10 mai 2013)

- Precision Measurement of the Most Distant Spectroscopically Confirmed Supernova Ia with the Hubble Space Telescope
D. Rubin et al. (dont Saul Perlmutter) (The Supernova Cosmology Project)
The Astrophysical Journal Volume 763 Number 1 (3 janvier 2013)

Lire Aussi : Et la Naine Blanche devint Supernova