(actu Futura) des doutes sur l'existence de l'énergie noire ?

[yves95210]

Bonjour,

Sauf erreur de ma part, cette actu publiée sur le site Futura n'a pas donné lieu à l'ouverture d'une discussion dans le forum "Commentez les actus". Je ne sais pas si c'est dû à un bug ou à une intervention volontaire de la modération.
Ceci dit, le sujet me semble assez important pour mériter d'être discuté ici. Ce n'est pas la première tentative d'explication de l'apparente accélération de l'expansion par le fait que l'univers n'est pas aussi homogène à grande échelle qu'il le faudrait pour que son taux d'expansion soit uniforme : en effet il pourrait dépendre localement des variations de la densité de matière. Mais ce qui est intéressant dans la publication évoquée par l'article de Laurent Sacco, est le fait que, sur la base de cette hypothèse, les auteurs ont réalisé une simulation numérique de la formation et de l'évolution des grandes structures de l'univers, et que celle-ci reproduit assez fidèlement les résultats obtenus à partir du modèle standard.

Cordialement.
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[Gilgamesh]

C'est bien discuté en bas de l'article : le modèle standard croise plusieurs éléments, et le point le plus important il me semble, c'est la platitude de l'univers. L'emplacement du premier pic dans le spectre de puissance du CMB donne une mesure de la densité qui est très très proche de la densité critique. Et pour expliquer que l'univers soit proche de la densité critique, il est sûr qu'on n'a pas le compte avec la matière noire et baryonique. Donc on rajoute une composante qui ne peut être ni de la matière, ni du rayonnement, ni de la courbure... Ça réduit les possibilité à la cte cosmo. Or ça doit se traduire par une évolution de l'expansion qui conduit à H cte, ce qui est correctement observé. C'est ce croisement entre platitude et accélération qui parait assez solide pour constituer un modèle standard.

[yves95210]

Je ne sais pas si on a lu le même article... Justement, il n'est pas question d'abandonner la constante cosmologique : en considérant que l'univers n'est pas parfaitement homogène et présente donc des zones de densité variable, l'article de Laurent Sacco dit que

quand on fait des moyennes avec ces densités variables dans les équations d'Einstein sans constante cosmologique au départ, on aboutit finalement à l'apparition de cette constante qui ne serait donc qu'un effet d'une physique très ordinaire et bien connue.

Et il se conclut par :

peut-être faudra-t-il abandonner l'énergie noire, tout en maintenant l'existence d'une constante cosmologique dont l'étude ne nous donnerait donc pas d'indice sur l'unification des lois de la physique et la naissance du cosmos

Bref il ne s'agit pas de supprimer l'ingrédient Λ du modèle ΛCDM, mais seulement de l'expliquer par autre chose (finalement plus classique) que l'hypothétique énergie noire. Je ne vois pas en quoi cela remet en cause l'explication de la platitude de l'univers. D'ailleurs le titre de la publication est "Concordance cosmology without dark energy".

[Gilgamesh]

Oui, mais si je me réfère à l'article sur arXiv :

Concordance cosmology without dark energy

cet effet d'une physique ordinaire implique de prendre un densité critique de matière au départ Ω_m=1

Je ne vois pas comment rendre ça compatible avec les résultats de Planck (spectre des anisotropies) et ceux issus de la nucléosynthèse primordiale (proportion de He-4 dans l'univers).

[A voir en vidéo sur Futura]

[yves95210]

cet effet d'une physique ordinaire implique de prendre un densité critique de matière au départ Ω_m=1

Je ne vois pas comment rendre ça compatible avec les résultats de Planck (spectre des anisotropies)

C'est un peu l'histoire de l'oeuf et de la poule : dans les deux modèles on a bien une constante cosmo Λ et des inhomogénéités de l'univers (issues des anisotropies du CMB).
Dans le modèle ΛCDM, on part du principe que l'univers est suffisamment homogène pour considérer que la valeur de Ω_m (et donc la solution des équations de Friedmann) est la même partout. Mais on a besoin de Λ pour expliquer (entre autres) les anisotropies du CMB.
Dans l'hypothèse sur laquelle est basée la simulation, Λ est une conséquence de ces inhomogénéités : on ne considère pas Ω_m comme uniforme sur tout l'univers. Si j'ai bien compris, la simulation est basée sur des densités Ω_m,i (légèrement) différentes d'une zone à l'autre de l'univers, chacune conduisant localement à une version différente des équations de Friedmann. Et le fait d'inverser l'ordre des deux opérations (calculer localement le taux d'expansion à partir des équations de Friedmann pour la valeur Ω_m,i puis prendre la moyenne sur tout l'espace pour obtenir le taux d'expansion global, au lieu de ne considérer que la valeur moyenne de Ω_m pour tout l'espace et de résoudre les équations de Friedmann à partir de cette valeur) fait "magiquement" apparaître Λ...
Mais dans les deux cas on a bien une relation entre Λ et les anisotropies du CMB.

et ceux issus de la nucléosynthèse primordiale (proportion de He-4 dans l'univers).

Si cette relation entre Λ et les inhomogénéités de la densité de matière existe dès les premiers instants de l'univers, que Λ soit une conséquence de ces inhomogénéités ne change rien à son impact sur la nucléosynthèse. Me semble-t-il...

[Gilgamesh]

C'est un peu l'histoire de l'oeuf et de la poule : dans les deux modèles on a bien une constante cosmo Λ et des inhomogénéités de l'univers (issues des anisotropies du CMB).
Dans le modèle ΛCDM, on part du principe que l'univers est suffisamment homogène pour considérer que la valeur de Ω_m (et donc la solution des équations de Friedmann) est la même partout.

On ne part pas du principe. On le mesure sur le CMB, à 10^-5 près. Comment on augmente Ω_m avec une distribution inhomogène sans modifier le spectre des fluctuations observées ?

Mais on a besoin de Λ pour expliquer (entre autres) les anisotropies du CMB.

Pas franchement, non. Dans le modèle de concordance du CMB on ne doit régler que Ω_b et Ω_CDM (plus les paramètre comme n_s, qui connecte l'observable avec les modèle d'inflation).

Par contre, il faut déjà que l'univers soit plat, simplement parce que dynamiquement s'il ne l'est pas dès l'origine, le taux d'expansion diverge très vite. Donc on en déduit Ω_Λ. Mais en soi Ω_Λ n'est pas introduit comme paramètre pour expliquer les inhomogénéités du CMB, simplement parce que la densité d'énergie représentée par la cte cosmo est négligeable d'un grand nombre de facteur par rapport à la densité de matière et de rayonnement.

Dans l'hypothèse sur laquelle est basée la simulation, Λ est une conséquence de ces inhomogénéités : on ne considère pas Ω_m comme uniforme sur tout l'univers. Si j'ai bien compris, la simulation est basée sur des densités Ω_m,i (légèrement) différentes d'une zone à l'autre de l'univers, chacune conduisant localement à une version différente des équations de Friedmann. Et le fait d'inverser l'ordre des deux opérations (calculer localement le taux d'expansion à partir des équations de Friedmann pour la valeur Ω_m,i puis prendre la moyenne sur tout l'espace pour obtenir le taux d'expansion global, au lieu de ne considérer que la valeur moyenne de Ω_m pour tout l'espace et de résoudre les équations de Friedmann à partir de cette valeur) fait "magiquement" apparaître Λ...
Mais dans les deux cas on a bien une relation entre Λ et les anisotropies du CMB.


Si cette relation entre Λ et les inhomogénéités de la densité de matière existe dès les premiers instants de l'univers, que Λ soit une conséquence de ces inhomogénéités ne change rien à son impact sur la nucléosynthèse. Me semble-t-il...

Sur la nucléosynthèse primordiale, en y re-réflechissant, on peut régler le problème en misant tout sur la matière noire. Les calculs indiquent que la quantité des différents noyaux légers produits ne dépend que de trois paramètres :
1) Le temps de vie du neutron (environ 886 secondes)
2) Le nombre de familles de neutrinos (3 selon le modèle standard de la physique des particules)
3) Le nombre de photons par nucléon dans l'Univers (1,64 milliard de photons par nucléon)

pas de la densité de matière noire, donc.

Mais augmenter Ω_CDM est il compatible avec ce qui est observé sur le CMB ? Je ne vois pas comment.

[Gilgamesh]

Ah je viens de comprendre mon incompréhension... Le Ωm en question c'est la valeur INITIALE bien sûr, du moins sa valeur au début de la simulation AvERA (pour Average Expansion Rate Approximation) à z=9. A ce haut redshift, l'effet de Λ est encore négligeable, et donc ont peut poser Ωm =1 également dans le modèle ΛCDM.

[yves95210]

Bonjour,

et merci pour tes éclaircissements.

Ah je viens de comprendre mon incompréhension... Le Ωm en question c'est la valeur INITIALE bien sûr, du moins sa valeur au début de la simulation AvERA (pour Average Expansion Rate Approximation) à z=9. A ce haut redshift, l'effet de Λ est encore négligeable, et donc ont peut poser Ωm =1 également dans le modèle ΛCDM.

Oui, vu comme ça (et avec ton message précédent), c'est plus cohérent. Comme tu le disais, Λ n'intervient pas dans l'explication du spectre des anisotropies du CMB, et peut donc très bien être nulle initialement, et "émerger" progressivement à mesure que, sous l'effet de la gravitation, ces anisotropies donnent lieu à des inhomogénéités de plus en plus grandes. Ce scénario me plaît bien, en tout cas plus que l'hypothèse d'une énergie noire.
Cela revient à dire que l'équation d'Einstein devrait s'écrire sans constante cosmologique, mais que, compte-tenu des inhomogénéités, elle ne pourrait pas conduire à une solution uniforme sur tout l'univers, mais seulement à des solutions locales, dépendant de la densité de matière dans la région concernée. Et Λ n'apparaîtrait que comme un artefact (et ne serait pas constante !), lorsqu'on cherche à calculer un taux d'expansion moyen en intégrant sur tout l'espace - ce qui ne correspondrait en fait à rien physiquement mais permettrait de faire le lien avec les résultats obtenus à partir du modèle standard, tout en expliquant certains écarts constatés avec les observations (valeur de H₀ estimée à partir des données de Planck inférieure de 5 à 10% à celle mesurée localement par Riess et al.).
C'est plutôt élégant, non ? En tout cas, plus économe en hypothèses.

[Gilgamesh]

Bonjour,

et merci pour tes éclaircissements.


Oui, vu comme ça (et avec ton message précédent), c'est plus cohérent. Comme tu le disais, Λ n'intervient pas dans l'explication du spectre des anisotropies du CMB, et peut donc très bien être nulle initialement, et "émerger" progressivement à mesure que, sous l'effet de la gravitation, ces anisotropies donnent lieu à des inhomogénéités de plus en plus grandes. Ce scénario me plaît bien, en tout cas plus que l'hypothèse d'une énergie noire.
Cela revient à dire que l'équation d'Einstein devrait s'écrire sans constante cosmologique, mais que, compte-tenu des inhomogénéités, elle ne pourrait pas conduire à une solution uniforme sur tout l'univers, mais seulement à des solutions locales, dépendant de la densité de matière dans la région concernée. Et Λ n'apparaîtrait que comme un artefact (et ne serait pas constante !), lorsqu'on cherche à calculer un taux d'expansion moyen en intégrant sur tout l'espace - ce qui ne correspondrait en fait à rien physiquement mais permettrait de faire le lien avec les résultats obtenus à partir du modèle standard, tout en expliquant certains écarts constatés avec les observations (valeur de H₀ estimée à partir des données de Planck inférieure de 5 à 10% à celle mesurée localement par Riess et al.).
C'est plutôt élégant, non ? En tout cas, plus économe en hypothèses.

Peut être, mais je garde pour l'instant l'idée du tube de dentifrice : une fois sortie, la cte cosmo semble destinée à une grande carrière. Essentiellement parce que c'est le seul ingrédient qui puisse expliquer l'expansion. Evidemment, en lui donnant une valeur astronomique. Mais il me semble intuitivement (donc, voilà : intuitivement...) plus simple que l'univers ait connu un état très élevé et un état moins élevé que la même chose mais en aboutissant à une valeur strictement nulle. Comme la courbure, quoi. La valeur strictement nulle me semble théoriquement suspecte. Je trouve plus plausible une valeur très faible. Alors effectivement, elle est tellement faible par rapport à l'univers des possible que ça peut sembler déraisonnable. Mais l'argument anthropique règle son compte à cette étrangeté. Il n'est pas possible de former des galaxies et tout ce qui s'ensuit, dont un observateur, avec une constante simplement dix fois plus élevée. Seuls les univers de très très basse énergie sont fertiles, et nous sommes dans l'un d'eux. Par le fait, évidemment, zéro est hautement compatible avec le réel. Mais cette valeur me semble plus difficile à expliquer rationnellement. Comme c'est un problème ouvert, il ne faut fermer aucune porte, mais disons que je me projette plus facilement dans un univers avec cte cosmo petite mais non strictement nulle.

Ceci dit, si l'article ne contient rien de rédhibitoire qui échapperait à ma maigre expertise, il est excitant. J'imagine que les simulations seront refaites et que ça fera partie des prédictions testées par la génération de manip à venir pour mesurer la valeur de H(z) à grand redshift.

[yves95210]

Peut être, mais je garde pour l'instant l'idée du tube de dentifrice : une fois sortie, la cte cosmo semble destinée à une grande carrière. Essentiellement parce que c'est le seul ingrédient qui puisse expliquer l'expansion.

Sur ce point je suis d'accord (si tu parles d'expansion accélérée, plutôt de ralentie ce qu'elle serait sans constante cosmo). Mais le modèle inhomogène utilisé dans la simulation fait bien sortir le dentifrice du tube...

Mais il me semble intuitivement (donc, voilà : intuitivement...) plus simple que l'univers ait connu un état très élevé et un état moins élevé que la même chose mais en aboutissant à une valeur strictement nulle. Comme la courbure, quoi. La valeur strictement nulle me semble théoriquement suspecte. Je trouve plus plausible une valeur très faible. Alors effectivement, elle est tellement faible par rapport à l'univers des possible que ça peut sembler déraisonnable.

Justement, c'est pour ça que, intuitivement (donc, voilà : intuitivement...), cette hypothèse ne me plaît pas trop...

Mais l'argument anthropique règle son compte à cette étrangeté. (...)

A condition de croire en une forme de multivers - et dans l'état actuel des connaissances, il me semble que ça ne peut être qu'une croyance (peut-être raisonnable). Sans cela, et sans explication physique satisfaisante de l'existence d'une constante cosmo non nulle mais aussi faible, je préfère encore un modèle où celle-ci est nulle.

Ceci dit, si l'article ne contient rien de rédhibitoire qui échapperait à ma maigre expertise, il est excitant. J'imagine que les simulations seront refaites et que ça fera partie des prédictions testées par la génération de manip à venir pour mesurer la valeur de H(z) à grand redshift.

Je l'espère aussi. Les auteurs de la publication semblent penser que les observations futures permettront de discriminer les deux modèles.
Et évidemment, l'univers qu'ils l'ont simulé n'est qu'un "toy model", même si en jouant sur peu de paramètres (un seul en fait) ils obtiennent des résultats proches de ceux obtenus à partir du modèle standard, voire meilleurs en ce qui concerne la valeur "locale" de H₀ - ce qui est encourageant, à condition de ne pas perdre de vue le fait que ce résultat est obtenu en ajustant de manière ad'hoc le paramètre en question.

[mikaelgarand]

J'ai récemment lu quelque chose sur le fond diffus cosmologique à propos de certaines irrégularités qui pourraient aider à croire en un multivers ( spéculation **) j'ai eu l'idée farfelue suivante . L'énergie noire pourrait être une fuite de gravité d'un autre univers ?

[Gilgamesh]

Je pense que tu peux comprendre intuitivement que tous le monde peut sortir comme ça des idées, sans être en mesure des les étayer, ni même de les expliquer, ou simplement de leur donner un sens physique. Cela représente systématiquement et l'expérience passé du forum le montre, une perte de temps.

En conséquence de quoi les théories personnelles ne sont pas discutées sur les forum de Futura

Mais tu peux par contre chercher si cette idée fait écho à des travaux théoriques attestés. Par exemple, l'idée de fuite de gravité existe dans la théorie M (M theory), une extension de la théorie des cordes.

Toutes les théories des cordes produisent des cordes fermées (des anneaux), de spin 2 et qui produit la gravité. C’est ça qui a beaucoup séduit les théoriciens, la gravité était nativement livrée avec toutes les versions de la théorie. En plus de ça, les théories peuvent produire des cordes ouvertes (à extrémités libres), dont les modes d’excitation produisent toutes les autres particules du modèle standard. Puis on a introduit dans la théorie le concept de brane. Une brane est un objet physique qui généralise la notion de particule ponctuelle (dimension zéro) à un nombre supérieur de dimensions spatiales : une particule ponctuelle est une 0-brane, une corde (unidimensionnelle) est une 1-brane, une membrane (bidimensionnelle) est une 2-brane, etc. : on peut considérer des objets à p dimensions, les p-branes.

Et ça a donné une cosmologie branaire (brane cosmology), dans laquelle les théoriciens ont imaginés le processus suivant :

* les cordes ouvertes (1-brane) seraient liées à la 3-brane formant notre univers spatial usuel. Un peu comme des poils collés sur un tapis, elles ne pourraient pas s’en détacher.

* les cordes fermées, elles, pourraient se déplacer dans la dimension transverse (Bulk) dans laquelle flotte la 3-brane spatiale. L'unique représentant des cordes fermées serait le graviton, médiateur de la gravité. Le fait qu’il puisse, et lui seul, s'éparpiller dans le Bulk expliquerait l'insigne faiblesse de la gravité dans nos dimensions, la gravité représentant une force "diluée".

Bon, par contre je ne crois pas que ce processus puisse simuler l'énergie sombre, mais bon, dans ce domaine très spéculatif ce n'est pas exclu.