cosmologie-même equation d'état pour la matière noire et baryonique dans un plasma?

[ordage]

Bonjour

Dans le modèle standard de la cosmologie, les équations d'état associées aux fluides qui constituent l'univers régissent, via l'équation de Friedman-Lemaitre, la dynamique de l'univers. La matière noire et la matière baryonique ont la même équation d'état.

Si cela se conçoit bien après le découplage matière-rayonnement (t >> 300 000ans), avant, quand l'univers était un plasma, les phénoménologies étaient différentes:

la matière noire (majoritaire) ne se couple pas(ou très peu) avec le rayonnement (ce qui a permis de sauvegarder une partie des inhomogénéités) alors que les baryons se couplent fortement avec le rayonnement dont l'équation d'état est différente.

C'est d'ailleurs le spectre de ces oscillations des baryons que les satellites WMAP et PLANCK ont mesuré et utilisé pour évaluer entre autres la constante de Hubble.

Il paraîtrait donc surprenant qu'ils aient la même équation d'état dans cette phase. Ce problème est bien connu des cosmologistes, mais je n'ai pas vraiment trouvé de référence où ce point particulier est traité.

Merci pour toute information.
-----

[physeb2]

Bonjour Ordage,


Ce que je comprends de ta question est le suivant:
Ce qui t'embêta est que le fait d'associer une équation d'état de type matière noire a la matière baryonique te laisse sous entendre que la modélisation avant le découplage (émission du CMB) ne peut donc pas rendre compte de la physique du plasma?
ce qui fait sens. Cependant il y a pas mal d'aspects différents qu'on pourrait traiter dans cette question.
Il y a tout d'abord le fait que la matière baryonique, bien que couplée aux photons n'acquièrent pas une vitesse relativiste pour autant.La temperature qui correspond a deus vitesses relativistes pour la matière baryonique est uniquement pour les premieres secondes après a phase de reheating (phase de désintégration du champs d’inflaton),
Donc durant quasi toute la durée de l’existence du plasma, les baryons sont bien non-relativistes et donc dans une approximation de fluide parfait seul ils ont une description de type ‘poussière’. Cet aspect est important pour prendre en compte l’evolution énergétique du fluide baryon en relation avec le temps. Cela peut paraitre bizarre car il y a un “equilibre thermique” ente les baryons et les photons. Cependant l’énergie thermique (et donc cinétique) est faible devant l’énergie de masse durant toute cette période est négligeable au moment de voir comment évolue la densité d’énergie du fluide baryonique.
Cette evolution nous dit que la densité d’énergie décroît avec le volume au sens que l’energie des baryons est largement dominée par l’énergie de masse, masse qui elle est un invariant.

Cette evolution est importante pour calculer l’instant d’équivalence radiation-matière ou encore la vitesse de propagation des ondes dans le plasma.Je crois qu’ici vient la deuxième partie de ta question. Mais vu que c’est un plasma il y a bien des ondes de pressions qui se propagent et donc une modélisation type poussière (qui ne ressent pas de pression) semble inconsistent. En fait ce n’est pas le cas, car le couplage est prit en compte dans l’équation de Boltzmann et on peut évaluer le taux de couplage avec l’équation de Salah qui prends en compte la distribution des impulsions des différents constituants du plasma pour connaitre la proportion couplée. Elle est souvent représentée par la fraction d’électrons libres.

Finalement je conclurai en disant que fluide baryonique est couplé aux photon (a travers de l’interaction de Compton et de Coulomb) ce qui donne un genre d’equilibre thermique dans le plasma. Il faut bien prendre en compte la physique du plasma pour modéliser les oscillations acoustiques (oscillations dans les spectres de puissances du CMB et des galaxies).

Pour autant, le fait que les baryons ne sont pas relativistes laisse inchangé l’evolution de la densité d’énergie qui est celle de la densité d’énergie de masse.

J’espere que cette cela répond au moins en partie a ta question.

[jiherve]

bonjour
je ne suis pas sur, donc certain, que cela ne répond pas à sa question, ce qui le turlupine c'est la matière noire avant le découplage matière ordinaire/photons.
Je suis aussi intéressé.
JR

[ordage]

Bonjour
Merci pour ta réponse argumentée et très claire.
Comme je l'avais indiqué, c'est la discordance entre les valeurs de H0 par des mesures z<1 et à z >>1 qui motivait ma recherche d'une cause à cela. Je pensais, que comme le couplage diminue le nombre de degrés de liberté cela pouvait influer sur la dynamique du plasma.
Ton explication sur l’extrême faiblesse de l'énergie cinétique des noyaux atomiques (et même des électrons) - protons (90%) d'énergie de masse de 1GeV, et aussi des noyaux d'hélium pour 10% encore plus lourds- au découplage où l'énergie "thermique du plasma" est inférieure à 1 eV est claire (les particules ne sont pas du tout relativistes) et indique qu'il faut considérer ces noyaux comme de la poussière pour l'équation d'état.

Un point qui me chiffonne encore, est que le modèle cosmologique ne prend en compte que la gravitation (c'est une application de la relativité générale). Par exemple pour les photons, c'est le tenseur symétrique énergie-impulsion du photon qui est pris en compte dans l'équation d'état du photon. Le tenseur électromagnétique (antisymétrique) est ignoré par le modèle cosmologique. Je ne sais pas bien comment un plasma qui se dilate se comporte. Le fait qu'à une distance supérieure à celle de Debye il est vu comme de la matière neutre implique -t-il qu'il se dilate comme de la matière neutre? En effet, dans un plasma, il existe des interactions électromagnétiques entre électrons et protons ou noyaux chargés qui sont très fortes: l' électromagnétisme est une interaction très "intense". Peut-on vraiment l'ignorer pour décrire la dynamique?

Il va bien falloir trouver une explication au problème de discordance, et avant de mettre en cause un défaut de la théorie, considérons d'abord sa mise en œuvre...
Je suis très intéressé par tes commentaires.
Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[physeb2]

Bonjour jiherve,

Je ne suis pas sur de comprendre ton doute sur la matière noire avant le découplage baryon-photon. Si la seule interraction de la matière noire se fait a travers la gravité alors il n'y a pas tellement de raison que sa modélisation change avant/apres le découplage.

Ce qui change pour la matière noire dans ce cas c'est la vitesse de croissance des perturbations due a la modification du taux d'expansion de l'univers de fond. De plus, la pression de radiation sur la matière baryonique disparaissant (jusqu'a la formation des objets astrophysiques) la matière baryonique va se comporter comme la matière noire a grande échelle, raison pour laquelle on peut utiliser la matière ordinaire comme traceur de la matière noire (c'est un traceur biaisé, avec un biais qui peut être compliqué, mais ca marche pas trop mal).

Si je n'ai pas du tout répondu a ta question pourrais tu me la reformuler s'il te plait. Tous ces sujets sont excessivement interessants.

Seb

[physeb2]

Bonjour Ordage,

je comprends mieux la direction de ta question. Tu as raison de t'intéresser aux 'effets fins' de la physique connue pour la crise H0. Je suis un grand partisan de cette approche même si je regarde un peu aussi du cote de la modification de la RG a grande échelle.
La conclusion hative qu'il faille tout changer pour la crise de H0 est absurde quand on connait toutes les difficultés de déterminer les effets systématiques dans les différentes mesures.

Pour le point que tu soulèves je suis bien incapable de te confirmer/infirmer quoi que ce soit. Je vais regarder la note de Anthony Lewis et Anthony Challinor où ils décrivent en détails les équations qui sont résolument dans le code CAMB.
S'il n'y a rien je regarderai dans deux articles de Zaldarriaga et Wayne Hu s'ils parlent de ce point particulier.

Dans le cas que cela t'intéresse de jeter un oeil, je te mets le lien vers la note :https://cosmologist.info/notes/CAMB.pdf

Juste un petit commentaire sur la distinction entre z>1 et z<1 je ne suis pas trop fan. Je préfère parler de 'late route' versus 'early route' (je pense que la communauté française utilise une traduction du type observation primordial Vs locale) car les supernovae s'observent jusqu'a z ~ 2 en étant une observation locale (i.e. qui ne dépend en rien de la modélisation de l'univers primordial) tandis que les BAO dans la fonction de corrélation des galaxies se mesure sur des redshifts allant de 0.3 a 1.5 alors que c'est une mesure qui utilise la modélisation de l'univers primordiale (je n'inclus pas Lyman-alpha car il y a toujours pas mal de travail a faire sur les systematiques).

Donc c'est pas tellement une distinction sur le redshift d'observation.

Pour terminer dans ton sens, le papier des résultats cosmologiques de eBOSS (extended BOSS) reformule justement la crise de H0 en crise d'horizon sonore au moment du découplage (paramètre r_d). Cela est discuter dans la partie 4.2 de ce papier:
https://arxiv.org/pdf/2007.08991.pdf

et se comprend tres bien sur la figure 6.

Je vais essayer de trouver un peu de temps pour lire ce que j'ai dis et je reviendrai plus tard.

[jiherve]

bonsoir,
mon interrogation portait sur les interactions indirectes entre matière noire et photons qui effectivement ne peut avoir lieu qu'au travers des interactions gravitationnelles avec la matière ordinaire (qui interagit avec les photons) ou avec elle même et j'aimerais comprendre comment cette "soupe" aurait pu rester aussi homogène ou cela explique t il les petites inhomogénéités constatées.
JR

[physeb2]

Bonsoir Jiherve,

l'interaction gravitationnelle est prise en compte dans la résolution cependant l'effet est plus dans l'autre sens. La présence de la matière dans le puits de potentiel (et donc qui ne part pas avec le fluid baryon-photon) amplifie les phases de compressions (pics impairs dans le spectre de puissance de température du CMB) et diminue la phase de dilatation (pics pairs du CMB). Attention, ici on raisonne en décomposition de Fourier (en fait en harmonique sphérique, son cousin sur une sphere). Cette décomposition est tres utile car les perturbations sont faibles et donc on peut résoudre les équations d'évolution pour les modes séparément puis les sommer a la fin.

Dans l'autre sens la masse des baryons donne de la masse au plasma et est prit en compte dans l'évolution du système également. C'est le baryon drag effect.

Je ne sais pas a quel point cela contribue a garder des perturbations de faible amplitude. Je pense que sans cet effet cela ne changerait pas beaucoup, c'est du second ordre. Le fait que les perturbations soient si faible au moment du CMB vient surtout de la tres faible amplitude initiale et du faible temps d'évolution jusqu'au moment du CMB.

[jiherve]

bonjour,
merci pour la réponse donc si j'ai tout compris la contribution de la matière noire est bien prise en compte ce qui était l'objet de ma question car ce sujet est peu abordé dans les articles que j'ai pu lire.
JR

[ordage]

Bonjour Ordage,

je comprends mieux la direction de ta question. Tu as raison de t'intéresser aux 'effets fins' de la physique connue pour la crise H0. Je suis un grand partisan de cette approche même si je regarde un peu aussi du cote de la modification de la RG a grande échelle.
La conclusion hative qu'il faille tout changer pour la crise de H0 est absurde quand on connait toutes les difficultés de déterminer les effets systématiques dans les différentes mesures.

Pour le point que tu soulèves je suis bien incapable de te confirmer/infirmer quoi que ce soit. Je vais regarder la note de Anthony Lewis et Anthony Challinor où ils décrivent en détails les équations qui sont résolument dans le code CAMB.
S'il n'y a rien je regarderai dans deux articles de Zaldarriaga et Wayne Hu s'ils parlent de ce point particulier.

Dans le cas que cela t'intéresse de jeter un oeil, je te mets le lien vers la note :https://cosmologist.info/notes/CAMB.pdf

Juste un petit commentaire sur la distinction entre z>1 et z<1 je ne suis pas trop fan. Je préfère parler de 'late route' versus 'early route' (je pense que la communauté française utilise une traduction du type observation primordial Vs locale) car les supernovae s'observent jusqu'a z ~ 2 en étant une observation locale (i.e. qui ne dépend en rien de la modélisation de l'univers primordial) tandis que les BAO dans la fonction de corrélation des galaxies se mesure sur des redshifts allant de 0.3 a 1.5 alors que c'est une mesure qui utilise la modélisation de l'univers primordiale (je n'inclus pas Lyman-alpha car il y a toujours pas mal de travail a faire sur les systematiques).

Donc c'est pas tellement une distinction sur le redshift d'observation.

Pour terminer dans ton sens, le papier des résultats cosmologiques de eBOSS (extended BOSS) reformule justement la crise de H0 en crise d'horizon sonore au moment du découplage (paramètre r_d). Cela est discuter dans la partie 4.2 de ce papier:
https://arxiv.org/pdf/2007.08991.pdf

et se comprend tres bien sur la figure 6.

Je vais essayer de trouver un peu de temps pour lire ce que j'ai dis et je reviendrai plus tard.

Bonjour
Merci pour ta réponse et pour la référence à l'article récent qui fait la synthèse sur l'état de l'art, que je vais lire avant de poursuivre la discussion. Comme il est assez conséquent, cela va me prendre un peu de temps....
Très cordialement

[ordage]

Bonjour Ordage,

Je suis un grand partisan de cette approche même si je regarde un peu aussi du cote de la modification de la RG a grande échelle.

Indépendamment des théories des (super)cordes (ambitieuse théorie du tout, unifiant mécanique quantique et relativité) et des boucles (plus modeste de gravitation quantique) qui incluent des quantifications, qui sont très séduisantes mais ont du mal à se finaliser malgré les efforts considérables de recherche déployés, concernant des variantes de la relativité, il y a déjà eu pas mal de déclinaisons (Un espace-temps avec tenseur de torsion non nul , des termes de dérivation supérieur à 2 dans l'action, les théories scalo-tensorielles et même scalo-vecto-tensorielles ...).
Je m'étais intéressé à la théorie scalo-tensorielle de Brans et Dicke, ( le scalaire dans le lagrangien était la constante gravitationnelle G qui n'était plus constante mais dépendait des coordonnées G(t, x, y, z)), du fait que sa motivation était d'être conforme au principe de Mach, qui avait tant inspiré Einstein mais auquel il avait du renoncer car certaines solutions de la RG n'y étaient pas conformes.
Sans avoir été complètement écartée elle est tellement contrainte par les données expérimentales, qu'elle se différencie peu de la RG. De plus, on a trouvé des solutions non-conformes au principe de Mach.
Pour la nouvelle théorie qui supplanterait et engloberait la RG, comme cas particulier, cela reste ouvert, même si les théories quantifiées (de plus en unifiant la la RG et la MQ, ce dont certains doutent) paraissent être la voie royale. Du travail pour l'avenir....

PS:J'ai jeté un coup d’œil au document que tu citais. C'est un travail de Romain. j'avais lu un article moins complet, plus ancien mais plus abordable sur le sujet:
https://www.imperial.ac.uk/media/imp...ssertation.pdf
Très cordialement

[physeb2]

Salut Ordage,

désolé si tu as pris peur sur l'article. Je voulais surtout pointer la partie 4.2 de l'article, la grande majorité nécessite une lecture d'une grande partie des autres articles de la collaboration. J'aurai du le mentioner pour ne pas te faire perdre de temps. Il s'agit de l'article final qui utilise tout les autres articles qui étudient en détail un type de traceur avec une méthode spécifique. Comme tu le mentionne c'est le travail de plus de 100 chercheurs au final, un bon bataillon de légion romaine

Pour ce qui est des modeles de supercordes je ne connais quasiment rien. Je dois reconnaitre qu'au dela des difficultés calculatrices notoires, la nécessité de 26 dimensions dictée par le fait que la somme des entiers naturels est égale -1/12 ne m'a jamais laisser étudier plus en détails. Sans parler des 10^1500 bulks possibles pour projeter les cordes de façon a enlever toutes les particules inexistantes... Bref, je n'y connais rien. J'ai voulu étudier un peu la théorie quantique a boucle qui semble incroyablement attractive mais que c'est dur bordel!!! Je ne perd pas espoir de comprendre les bases un jour mais ce n'est vraiment pas gratuit.

Les theories de Brans Dicke sont toujours pas mal d'actualité mais dans une version tres restreinte par les observations en effet, je les prends en compte dans mon travail, sans comprendre tout a fond pour autan, seulement le nécessaire pour utiliser les data

Pour terminer un sujet qui commence a m'intéresser est également la Relativité Generale Unimodulaire (je pense que c'est comme cela que ça se traduit en français : Unimodular) qui fut proposer des le départ également par Einstein et d'autres et qui ne conserve pas le tenseur énergie impulsion. Cela a pour effet de pouvoir transférer de l'énergie entre les composantes et en particulier entre matière et énergie noire. Ce qui peu donner lieu a une énergie noire dynamique qui pourrait aider a résoudre la crise de H0 également.

En tout cas je pense que je te poserai des questions a l'avenir sur les théories type superordres et QLT.

[ordage]

Salut Ordage,

1-désolé si tu as pris peur sur l'article. Je voulais surtout pointer la partie 4.2 de l'article.
2- Les theories de Brans Dicke sont toujours pas mal d'actualité mais dans une version tres restreinte par les observations en effet, je les prends en compte dans mon travail, sans comprendre tout a fond pour autan, seulement le nécessaire pour utiliser les data

3-Pour terminer un sujet qui commence a m'intéresser est également la Relativité Generale Unimodulaire (je pense que c'est comme cela que ça se traduit en français : Unimodular) qui fut proposer des le départ également par Einstein et d'autres et qui ne conserve pas le tenseur énergie impulsion. Cela a pour effet de pouvoir transférer de l'énergie entre les composantes et en particulier entre matière et énergie noire. Ce qui peu donner lieu a une énergie noire dynamique qui pourrait aider a résoudre la crise de H0 également.

4-En tout cas je pense que je te poserai des questions a l'avenir sur les théories type superordres et QLT.

Bonjour
1-Merci pour l'info, je concentrer ma lecture sur cette partie.
2-Il y a une présentation abordable, en particulier le début qui explique les motivations de la théorie en :

http://www-cosmosaf.iap.fr/Relativite-Brans-Dicke.pdf

3- Je ne connais pas du tout.
4- En fait la version moderne théorie M ( cordes, branes etc...) est décrite en 11 dimensions.
Ce que je trouve séduisant c'est que, contrairement au modèle standard, les particules ne sont plus décrites par des points (ce qui pose des problèmes d'infini) mais par les "modes de vibration" d' objets "étendus" (uni ou multidimensionnels). A part cela, le formalisme mathématique est d'un complexité effrayante que je ne maitrise pas du tout.
Pour les boucles, il y a un article de C.Rovelli que je trouve bien, où il expose le problème avant de décrire la méthode et où il expose les problèmes en suspend :

http://www-cosmosaf.iap.fr/gravitation%20quantique.pdf.

Mais dès qu'on rentre dans le dur, c'est aussi d'une complexité mathématique conséquente (mais moins que la théorie M).
Il a écrit une version plus récente (2008) mais elle semble inaccessible par le lien cité.

Je ne sais pas à quel niveau de complexité tes travaux font appel, mais ces références, au moins partiellement, ont l'intérêt de bien poser le problème et d'indiquer la motivation de la solution proposée, avant de l'exposer.
Très cordialement