L'accélération de l'expansion, conséquence des inhomogénéités de l'univers ?

[yves95210]

Bonjour,

Le sujet est un peu long à introduire. Je préfère pour cela traduire le début d'un post de janvier 2016 sur le blog CQG+, cosigné par une dizaine de chercheurs (dont Thomas Buchert, David Wiltshire, George Ellis). Ceux qui lisent l'anglais trouveront la suite ici.

L'univers est inhomogène. Est-ce que ça importe ?

Oui ! Le plus grand problème en cosmologie - l'accélération apparente de l'expansion de l'Univers et la nature de l'énergie noire - a suscité un débat sur la «backreaction» (rétroaction), à savoir l'effet des inhomogénéités de la matière et de la géométrie sur l'évolution moyenne de l'Univers. Notre récent article vise à clôturer un chapitre de ce débat afin d'encourager de nouvelles recherches passionnantes dans le futur.

Bien que la matière dans l'Univers ait été extrêmement uniforme lorsque le rayonnement du CMB a été émis, depuis l'instabilité gravitationnelle a causé l'apparition d'une hiérarchie de structures de complexité croissante aux époques tardives - un réseau cosmique de vides avec des galaxies et des amas régroupés dans des feuilles, des filaments et des nœuds. Dans le modèle standard de la cosmologie, cette hiérarchie est traitée en supposant un arrière-plan moyen qui se dilate uniformément, comme si aucune structure n'était présente. La croissance non linéaire de la structure est ensuite traitée par des simulations à N corps en utilisant la gravité newtonienne seulement. En d'autres termes, l'évolution du fond et l'évolution de la structure ne se "parlent" pas l'une à l'autre, une idéalisation en désaccord avec les fondements mêmes de la relativité générale qui exigent génériquement un couplage entre matière et géométrie.

La coïncidence que l'expansion de l'Univers semble avoir commencé à accélérer à l'époque où des structures complexes non linéaires ont émergé a conduit nombre de chercheurs à remettre en question certaines hypothèses de base de la cosmologie standard. En particulier, la croissance de structures à des échelles inférieures à 500 millions d'années-lumière conduit-elle à une évolution cosmique moyenne significativement différente de celle d'un modèle spatialement homogène et isotrope de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW)? Après tout, ce modèle conserve une courbure spatiale uniforme partout, et découple son évolution de celle de la matière, ce qui n'est pas une conséquence des équations d'Einstein.

La différence entre une évolution générique moyennée et une évolution FLRW est souvent appelée backreaction (rétroaction), et est potentiellement significative pour interpréter les observations de l'Univers inhomogène réel - peut-être même au point de pouvoir remettre en question les idées sur l'accélération cosmique.

Pour aller plus loin (après la lecture de la suite de l'article), il faut rentrer dans les détails de l'une ou l'autre des théories de cosmologie inhomogène relativiste qui ont été développés dans les deux dernières décennies. J'en vois principalement deux, celle de Thomas Buchert et celle de David Wiltshire - tous eux signataires de l'article ci-dessous.
Je me suis intéressé plus particulièrement aux travaux de Buchert et de son équipe. Pour ceux qui ont quelques notions de RG, les articles ci-dessous, sélectionnés parmi de nombreux autres, permettront de se faire une idée de la théorie, et de ses conséquences :

• On Average Properties of Inhomogeneous Fluids in General Relativity. I: Dust Cosmologies (published version in G.R.G) : cette publication établit le formalisme et les équations de Friedmann moyennées sur lesquelles s'appuie la suite.
• Virialisation-induced curvature as a physical explanation for dark energy (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics) : cette publication est la première que j'ai trouvée qui quantifie l'effet de la "backreaction", sur la base des observations récentes des inhomogénéités moyennes de l'univers local (vides cosmiques et amas)
• Towards physical cosmology: geometrical interpretation of Dark Energy, Dark Matter and Inflation without fundamental sources : pour aller plus loin, à propos des conséquences éventuelles de cette théorie. Le champ scalaire virtuel qui émerge de la théorie pourrait être un bon candidat au titre d'inflaton. Mais ça me semble plus spéculatif, donc on en parlera peut-être dans une autre discussion.

Et, pour rappel, cette publication présentant les résultats d'une simulation numérique de l'évolution de l'univers basée sur le même principe, qui avait donné lieu à un article sur FS : Concordance cosmology without dark energy

C'est à propos de l'accélération de l'expansion que les résultats semblent aujourd'hui les plus significatifs. Elle pourrait n'être que l'effet de la "backreaction" des inhomogénéités de la distribution de matière dans l'univers, sur la courbure moyenne obtenue lorsqu'on fait cette opération sur un volume assez grand (correspondant à l'échelle à laquelle l'univers commence à paraître homogène). Je vous propose donc de limiter la discussion au problème de l'"énergie noire", puisque c'est le seul pour lequel le lien a été fait entre le modèle théorique et les observations.
-----

[mmanu_F]

Salut,

un petit coup d'oeil complémentaire dans la revue de référence sur l'énergie noire peut être intéressant (p. 79, 80 § D. Acceleration due to the backreaction of cosmological perturbations), pour :

• quelques contre-arguments (Wald)
• un phénomène que l'on retrouve extrêmement souvent dans cette branche de la physique : l'effet peut être réinterprété en terme de champ scalaire.

En bonus, ça m'a aussi rappellé le Unruh et al. du début de l'année et l'absence quasi-complète (et prévisible pour ce qui me concerne) d'intérêt qui a suivi.

[yves95210]

Salut,

un petit coup d'oeil complémentaire dans la revue de référence sur l'énergie noire peut être intéressant (p. 79, 80 § D. Acceleration due to the backreaction of cosmological perturbations), pour :

• quelques contre-arguments (Wald)
• un phénomène que l'on retrouve extrêmement souvent dans cette branche de la physique : l'effet peut être réinterprété en terme de champ scalaire.

En fait l'article que j'ai cité présente une publication dont le but est de répondre aux arguments de Green et Wald, et dont voici l'abstract :

No. In a number of papers, Green and Wald argue that the standard FLRW model approximates our Universe extremely well on all scales, except close to strong-field astrophysical objects. In particular, they argue that the effect of inhomogeneities on average properties of the Universe (backreaction) is irrelevant. We show that this latter claim is not valid. Specifically, we demonstrate, referring to their recent review paper, that (i) their two-dimensional example used to illustrate the fitting problem differs from the actual problem in important respects, and it assumes what is to be proven; (ii) the proof of the trace-free property of backreaction is unphysical and the theorem about it fails to be a mathematically general statement; (iii) the scheme that underlies the trace-free theorem does not involve averaging and therefore does not capture crucial non-local effects; (iv) their arguments are to a large extent coordinate-dependent, and (v) many of their criticisms of backreaction frameworks do not apply to the published definitions of these frameworks. It is therefore incorrect to infer that Green and Wald have proven a general result that addresses the essential physical questions of backreaction in cosmology.

J'ai passé pas mal de temps (avec mes maigres compétences en RG) pour comprendre le principe de la backreaction dans le formalisme de Buchert, et son application à l'estimation de son ordre de grandeur dans l'univers récent (voir les liens que j'ai donnés). Tout ça m'a l'air de tenir pas mal la route.

En bonus, ça m'a aussi rappellé le Unruh et al. du début de l'année et l'absence quasi-complète (et prévisible pour ce qui me concerne) d'intérêt qui a suivi.

ça me dit quelque-chose, mais je ne me rappelle plus les détails. Faudrait que je recherche, à moins que tu aies un lien.

[mmanu_F]

En fait l'article que j'ai cité présente une publication dont le but est de répondre aux arguments de Green et Wald

ça me dit quelque-chose, mais je ne me rappelle plus les détails. Faudrait que je recherche, à moins que tu aies un lien.

Les contre-contre-arguments de Wald sont effectivement suggérés aussi dans mon lien (je n'ai aucune connaissance du sujet, je transmets seulement).

Le point qui me parait cependant le plus pertinent, c'est le deuxième de ma liste, et c'est par là que je commencerais si je m'intéressais à la question.

Pour Unruh, j'avais regroupé quelques unes de mes reflexions à chaud ici (et ses maintenant 4 citations toujours aussi anecdotiques).

[A voir en vidéo sur Futura]

[yves95210]

Les contre-contre-arguments de Wald sont effectivement suggérés aussi dans mon lien (je n'ai aucune connaissance du sujet, je transmets seulement).

Le point qui me parait cependant le plus pertinent, c'est le deuxième de ma liste, et c'est par là que je commencerais si je m'intéressais à la question.

Oui : voir la 3e publication de Buchert que j'ai citée et les conclusions qu'il tire de la modélisation de l'effet de la backreaction par un champ scalaire virtuel qui pourrait entre autres être le fameux inflaton - qui ne serait alors qu'une conséquence de la RG, sans avoir besoin de faire appel à une nouvelle théorie physique. L'idée me plaît bien...

Mais je ne souhaitais pas m'aventurer trop loin dans cette discussion, en évitant d'aborder les sujets qui me semblent plus spéculatifs. C'est pour ça que j'ai mis l'accent sur la possibilité de résoudre l'énigme de l'"énergie noire", à propos de laquelle d'une part le calcul un peu à la louche de Buchert dans la 2e publication en lien dans mon message, d'autre part la simulation numérique déjà évoquée sur FS (et sur le forum) ont l'air de pas trop mal coller avec les observations.

[yves95210]

Pour Unruh, j'avais regroupé quelques unes de mes reflexions à chaud ici (et ses maintenant 4 citations toujours aussi anecdotiques).

Merci.
Je me rappelle à peu près de quoi il s'agit - mais c'était un peu trop compliqué pour que je sois capable de comprendre suffisamment bien pour me faire un avis... Je m'étais donc contenté de celui de Sabine Hossenfelder, plutôt sceptique.

[Gilgamesh]

La question que ça me pose c'est de quelle façon on concilie ça avec la platitude de l'Univers (mesurée sur le CMB) ? Dans le cadre de LambdaCDM on rajoute les 70% de cte cosmo qui expliquent à la fois la platitude et l'accélération de l'expansion. C'est la conjonction des deux qui donnent de la force au modèle. Si on veut expliquer l'accélération sans cet ingrédient, comment on s'y prend pour avoir une univers critique ?

[yves95210]

La question que ça me pose c'est de quelle façon on concilie ça avec la platitude de l'Univers (mesurée sur le CMB) ? Dans le cadre de LambdaCDM on rajoute les 70% de cte cosmo qui expliquent à la fois la platitude et l'accélération de l'expansion. C'est la conjonction des deux qui donnent de la force au modèle. Si on veut expliquer l'accélération sans cet ingrédient, comment on s'y prend pour avoir une univers critique ?

Lis au moins l'introduction du papier "Virialisation-induced curvature as a physical explanation for dark energy", ou si tu n'as pas le temps, va directement à la page 3 et à l'équation 1.3. Je pense que tu comprendras plus vite que si j'essaie de te l'expliquer (et puis j'ai la flemme d'écrire les équations en Latex, et pas trop le temps juste maintenant).
En résumé, l'effet de la backreaction apparaît comme un terme supplémentaire dans la somme des Omega. En postulant Lambda=0 comme Buchert le fait plus loin dans le document, c'est finalement ce terme qui remplace la densité d'énergie noire pour aboutir au même résultat.

[invite0eb9ce15]

Bonjour,
Etant très intéressé par ce sujet et l'échange qu'il génère, pourriez-vous donner votre opinion concernant ce texte :
http://www.lacosmo.com/MatiereNoire.html#s9
Merci et cordialement.

[yves95210]

Bonjour,
Etant très intéressé par ce sujet et l'échange qu'il génère, pourriez-vous donner votre opinion concernant ce texte :
http://www.lacosmo.com/MatiereNoire.html#s9
Merci et cordialement.

Bonjour,

J'aime mieux les arguments de Christian Magnan dans ce qui précède (à propos de la matière noire), qu'il résume par : "les équations d’un « univers moyen » ne sont pas assimilables aux « équations moyennes » de l’univers réel." Ainsi que sa remarque sur fait que, les galaxies n'étant pas des objets compacts et étant séparées par des distances peu supérieures à leurs dimensions, leur modélisation sous forme de système isolé dont les vitesses de rotation sont déterminées uniquement par leur contenu sans tenir compte, entre autres des effets de marées dus aux interactions avec leur environnement proche, n'est qu'une idéalisation éventuellement insuffisante pour rendre compte de la "réalité".
Et justement, si vous regardez les équations de Buchert et l'expression du terme de backreaction, le carré la trace du tenseur de cisaillement y apparaît avec le signe moins, et dans le cas où les effets de marées sont non négligeables, ce terme peut prendre des valeurs négatives, devenant alors dans l'équation de Friedmann moyennée un facteur de contraction plutôt que d'expansion - et donc expliquer éventuellement une accélération centripète apparente à l'échelle des galaxies, plus importante que ce qui est calculé à partir de leur masse supposée.
Bref, sur ce sujet, les arguments qualitatifs de Magnan sont possiblement corroborés par les équations de Buchert, qui leur donneraient un fondement théorique. Malheureusement, les travaux de Buchert et de son équipe ne semblent pas avoir aujourd'hui permis d'évaluer précisément cet effet (ça paraît effectivement beaucoup plus complexe que la démonstration qu'il fait à propos de l'accélération de l'expansion, à partir d'une procédure de moyennage à beaucoup plus grande échelle, échelle à laquelle la composante positive du terme de backreaction (carré de la différence entre le taux d'expansion moyen du domaine considéré et le taux d'expansion des zones de sur-densité - nul dans le cas des zones "virialisées") devient prépondérante par rapport à sa composante négative (carré de la trace du tenseur de cisaillement).

Mais les arguments de Magnan réfutant la validité des observations des vitesses d'éloignement des galaxies lointaines, et remettant donc en question la "preuve" de l'accélération de l'expansion, me plaisent moins.
Autant il est vrai que pour des galaxies proches et présentant donc une taille angulaire importante, la distribution des vitesses des étoiles dans la galaxie et la difficulté de déterminer précisément un centre de rotation résulte dans une incertitude importante sur la mesure de la distance de ces galaxies (les exemples qu'il donnent montrent à une incertitude de l'ordre de 15%, ce qui peut paraître énorme). Autant pour des galaxies lointaines, disons par exemple environ 3 milliards d'années-lumière (donc environ 1 milliard de parsecs), d'une part leur taille angulaire est très petite, d'autre part les vitesses propres des étoiles à l'intérieur de ces galaxies et de ces galaxies par rapport au fond comobile, deviennent faibles par rapport à la vitesse d'éloignement globale due à l'expansion (de l'ordre quelques 100 km/s pour les vitesse propres des étoiles à quelques 1000 km/s pour les vitesses propres des galaxies, à comparer avec une vitesse d'éloignement de 70000 km/s). Donc la barre d'erreur devient beaucoup plus petite. Ces barres d'erreur sont systématiquement prises en compte dans l'établissement des courbes, et sur le grand nombre de mesures aujourd'hui à notre disposition, on ne peut pas faire passer une courbe qui ne corresponde pas à une accélération de l'expansion.
En revanche je ne suis pas capable de répondre à l'argument concernant la luminosité supposée constante des supernovas. Je pourrais évoquer le fait que si celle-ci est variable, le fait de disposer d'un échantillon suffisamment grand permet statistiquement de réduire l'incertitude. Mais si leur luminosité dépendait entre autres de l'âge de la galaxie, on pourrait rétorquer qu'il est possible que, plus les supernovas observées sont lointaines moins elles sont lumineuses (intrinsèquement, je ne parle pas là de la luminosité fonction de la distance), et que cela pourrait conduire à une surestimation systématique du taux d'expansion. Si je me rappelle bien cette hypothèse a déjà été évoquée et écartée, mais je ne sais pas pour quelle raison (je n'ai aucune connaissance en astrophysique, mes compétences s'arrêtent à - un peu - de RG).

Curieusement, le site de Christian Magnan, sur lequel j'étais tombé par hasard (et pas par scepticisme à priori) a été l'une de mes premières lectures lorsque j'ai commencé à m'intéresser à la cosmologie et avait contribué à éveiller mon intérêt pour le sujet et mon scepticisme vis-à-vis de certains "dogmes" - en fait ça a eu un côté positif, car ça m'a poussé à approfondir la question pour pouvoir me faire ma propre idée. Mais depuis j'ai un peu progressé et avec un peu plus de recul, certains de ses arguments me paraissent abusifs, et certaines de ses positions (pas toutes, cf. ci-dessus) aussi dogmatiques, voire idéologiques, que celles qu'il dénonce.
Mais il écrit très bien

[viiksu]

J'aurai deux questions:

Pourquoi y a t'il un consensus assez important sur l'énergie du vide et la matière noire?
Pourquoi des structures de 500 millions d'années lumière telles que le grand mur ne remettent pas en cause le principe d'isotropie et d'homogénéité de l'univers? Ce n'est pas rien presque 1% de l'univers accessible.

[invite0eb9ce15]

Bonjour,

J'aime mieux les arguments de Christian Magnan dans ce qui précède (à propos de la matière noire), qu'il résume par : "les équations d’un « univers moyen » ne sont pas assimilables aux « équations moyennes » de l’univers réel." Ainsi que sa remarque sur fait que, les galaxies n'étant pas des objets compacts et étant séparées par des distances peu supérieures à leurs dimensions, leur modélisation sous forme de système isolé dont les vitesses de rotation sont déterminées uniquement par leur contenu sans tenir compte, entre autres des effets de marées dus aux interactions avec leur environnement proche, n'est qu'une idéalisation éventuellement insuffisante pour rendre compte de la "réalité".
Et justement, si vous regardez les équations de Buchert et l'expression du terme de backreaction, le carré la trace du tenseur de cisaillement y apparaît avec le signe moins, et dans le cas où les effets de marées sont non négligeables, ce terme peut prendre des valeurs négatives, devenant alors dans l'équation de Friedmann moyennée un facteur de contraction plutôt que d'expansion - et donc expliquer éventuellement une accélération centripète apparente à l'échelle des galaxies, plus importante que ce qui est calculé à partir de leur masse supposée.
Bref, sur ce sujet, les arguments qualitatifs de Magnan sont possiblement corroborés par les équations de Buchert, qui leur donneraient un fondement théorique. Malheureusement, les travaux de Buchert et de son équipe ne semblent pas avoir aujourd'hui permis d'évaluer précisément cet effet (ça paraît effectivement beaucoup plus complexe que la démonstration qu'il fait à propos de l'accélération de l'expansion, à partir d'une procédure de moyennage à beaucoup plus grande échelle, échelle à laquelle la composante positive du terme de backreaction (carré de la différence entre le taux d'expansion moyen du domaine considéré et le taux d'expansion des zones de sur-densité - nul dans le cas des zones "virialisées") devient prépondérante par rapport à sa composante négative (carré de la trace du tenseur de cisaillement).

Mais les arguments de Magnan réfutant la validité des observations des vitesses d'éloignement des galaxies lointaines, et remettant donc en question la "preuve" de l'accélération de l'expansion, me plaisent moins.
Autant il est vrai que pour des galaxies proches et présentant donc une taille angulaire importante, la distribution des vitesses des étoiles dans la galaxie et la difficulté de déterminer précisément un centre de rotation résulte dans une incertitude importante sur la mesure de la distance de ces galaxies (les exemples qu'il donnent montrent à une incertitude de l'ordre de 15%, ce qui peut paraître énorme). Autant pour des galaxies lointaines, disons par exemple environ 3 milliards d'années-lumière (donc environ 1 milliard de parsecs), d'une part leur taille angulaire est très petite, d'autre part les vitesses propres des étoiles à l'intérieur de ces galaxies et de ces galaxies par rapport au fond comobile, deviennent faibles par rapport à la vitesse d'éloignement globale due à l'expansion (de l'ordre quelques 100 km/s pour les vitesse propres des étoiles à quelques 1000 km/s pour les vitesses propres des galaxies, à comparer avec une vitesse d'éloignement de 70000 km/s). Donc la barre d'erreur devient beaucoup plus petite. Ces barres d'erreur sont systématiquement prises en compte dans l'établissement des courbes, et sur le grand nombre de mesures aujourd'hui à notre disposition, on ne peut pas faire passer une courbe qui ne corresponde pas à une accélération de l'expansion.
En revanche je ne suis pas capable de répondre à l'argument concernant la luminosité supposée constante des supernovas. Je pourrais évoquer le fait que si celle-ci est variable, le fait de disposer d'un échantillon suffisamment grand permet statistiquement de réduire l'incertitude. Mais si leur luminosité dépendait entre autres de l'âge de la galaxie, on pourrait rétorquer qu'il est possible que, plus les supernovas observées sont lointaines moins elles sont lumineuses (intrinsèquement, je ne parle pas là de la luminosité fonction de la distance), et que cela pourrait conduire à une surestimation systématique du taux d'expansion. Si je me rappelle bien cette hypothèse a déjà été évoquée et écartée, mais je ne sais pas pour quelle raison (je n'ai aucune connaissance en astrophysique, mes compétences s'arrêtent à - un peu - de RG).

Curieusement, le site de Christian Magnan, sur lequel j'étais tombé par hasard (et pas par scepticisme à priori) a été l'une de mes premières lectures lorsque j'ai commencé à m'intéresser à la cosmologie et avait contribué à éveiller mon intérêt pour le sujet et mon scepticisme vis-à-vis de certains "dogmes" - en fait ça a eu un côté positif, car ça m'a poussé à approfondir la question pour pouvoir me faire ma propre idée. Mais depuis j'ai un peu progressé et avec un peu plus de recul, certains de ses arguments me paraissent abusifs, et certaines de ses positions (pas toutes, cf. ci-dessus) aussi dogmatiques, voire idéologiques, que celles qu'il dénonce.
Mais il écrit très bien

Bonjour,
Pour ma part, et ça n'engage que moi, ce qui est bien peu, je croirais plus facilement aux "mauviettes" qu'à l'énergie noire, laquelle, à mon avis, relève du paradigme des épicycles par son caractère un peu trop ad hoc.
Je suis très sensible à la remarque de Magnan affirmant que si on peut considérer à grande échelle l'Univers comme homogène et isotrope, on le peut moins sur des régions restreintes surtout lorsque les distances nous en séparant sont estimées avec une grande imprécision.
Son doute concernant la luminosité intrinsèque pratiquement constante pour les supernovae de type 1a me semble suffisamment pertinent pour être pris en considération.
Bref, je ne crois pas trop au Big rip !
Cordialement.

[invite6486d7bd]

La coïncidence que l'expansion de l'Univers semble avoir commencé à accélérer à l'époque où des structures complexes non linéaires ont émergé a conduit nombre de chercheurs à remettre en question certaines hypothèses de base de la cosmologie standard.

En particulier, la croissance de structures à des échelles inférieures à 500 millions d'années-lumière conduit-elle à une évolution cosmique moyenne significativement différente de celle d'un modèle spatialement homogène et isotrope de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW)?

Après tout, ce modèle conserve une courbure spatiale uniforme partout, et découple son évolution de celle de la matière, ce qui n'est pas une conséquence des équations d'Einstein.

Mon sentiment sur la question, c'est qu'on a pris le problème à l'envers.
Pour ma part, si je pose en hypothèse que l'expansion constante (à toute échelle) est la cause de tout et non pas une conséquence de quoi que ce soit.
Alors, elle est la cause de l'apparition de la matière et de l'énergie.

Ce qui amène indirectement à :
Elle est la cause du champ gravitationnel.
Elle est la cause du champ électromagnétique.

Vu sous cet angle, l'accélération de l'expansion mesurée à grande échelle (et non pas à l'échelle locale...) est effectivement, à mon avis, une conséquence prévisible de la présence de structures du vide.

[yves95210]

Pourquoi y a t'il un consensus assez important sur l'énergie du vide et la matière noire?

Sur le premier point, le consensus le plus large porte sur l'accélération de l'expansion, qui permet d'expliquer l'observation de la luminosité des supernovas lointaines, et donc de leur distance : celle-ci est plus grande que celle calculée d'après leur redshift dans l'hypothèse où l'expansion serait en train de ralentir (ce qui est forcément le cas dans une solution des équations de Friedmann sans constante cosmologique).
Le fait que cette accélération soit causée par l'énergie du vide est sans-doute accepté de manière moins unanime, ne serait-ce que parce qu'on ne comprend pas vraiment comment ça pourrait marcher, à cause de l'énorme différence d'ordre de grandeur (10⁶⁰) entre la densité d'énergie du vide calculée à partir de la physique quantique et la valeur de la constante cosmologique calculée à partir des observations.

Sur le deuxième point il s'avère que la présence d'une masse considérable de matière inobservable rend bien service non seulement pour expliquer de manière un peu ad hoc les courbes de rotation des galaxies, mais aussi les vitesses de déplacement des galaxies dans les amas, la masse des amas déduite des effets de lentille gravitationnelle et la formation des structures à partir des anisotropies du CMB.
Sur certains de ces problèmes, des théories de gravitation modifiée font aussi bien (voire mieux au niveau des galaxies), mais pas sur tous ; et il faut bien avouer que, si on veut que ces théories soient compatibles avec la relativité, cela les rend bien compliquées (avec la nécessité d'ajouter des champs de nature tout aussi inconnue que celle de la matière noire), et guère séduisante - même si la simplicité d'une théorie n'est pas forcément un critère scientifique.

(Gilgamesh pour compléter ou corriger si nécessaire)

Pourquoi des structures de 500 millions d'années lumière telles que le grand mur ne remettent pas en cause le principe d'isotropie et d'homogénéité de l'univers? Ce n'est pas rien presque 1% de l'univers accessible.

Mais justement, c'est bien l'objet de cette discussion, et la thèse des chercheurs qui ont cosigné l'article cité dans mon premier message.
Le fait que l'effet de la backreaction soit significatif est encore controversé (voir la référence aux critiques de Wald dans le message de mmanu, critiques auxquelles ces chercheurs répondent dans cet article et dans les publications auxquelles il fait référence), mais la validité des équations de Buchert (établies dans sa publication de 1999) ne semble pas l'être.

Finalement, la phrase de C. Magnan dans la page citée par brhmagupta ("Les équations d’un « univers moyen » ne sont pas assimilables aux « équations moyennes » de l’univers réel") résume bien l'idée. D'ailleurs je ne sais pas s'il en est l'auteur, il me semble avoir vu la même phrase (en anglais) ailleurs.
Les équations d'un "univers moyen" auxquelles il fait référence sont les équations de Friedmann, basées sur des densités de matière, rayonnement et courbure identiques en tout point de l'espace, et donc identiques à leurs valeurs moyennes.
Il y a une échelle à partir de laquelle on peut effectivement considérer l'univers comme homogène et isotrope. Disons que si on prend un cube de 2 milliards d'années-lumière de côté n'importe où dans l'univers observable, on va y retrouver à peu près la même distribution de zones de sous- et de sur-densité et la même densité moyenne de matière. Mais à l'intérieur de ce volume, si on applique les équations de Buchert en moyennant le taux d'expansion sur les zones de sous-densité d'une part et de sur-densité d'autre part et en tenant compte du terme de backreaction que fait apparaître cette opération, on obtient des équations de Friedmann modifiées (les équations moyennes de l'univers réel !), qui contiennent un terme de courbure spatiale (négative) supplémentaire, assimilable à une constante cosmologique.

[yves95210]

Pour ma part, et ça n'engage que moi, ce qui est bien peu, je croirais plus facilement aux "mauviettes" qu'à l'énergie noire, laquelle, à mon avis, relève du paradigme des épicycles par son caractère un peu trop ad hoc.

Mais l'important en science n'est pas les croyances personnelles ni les arguments esthétiques.

Il y a un fait (en l'occurrence l'accélération de l'expansion) observé, ou plutôt déduit par calcul de certaines observations. Vous pouvez contester la validité des observations - ce que vous faites plus loin - ou celle du modèle sur lequel est basé ce calcul (en l'occurrence la cosmologie standard basée sur la métrique FLRW d'un univers parfaitement homogène et isotrope et sur une solution des équations de Friedmann) - ce que vous faites aussi ci-dessous. Soit dit en passant, vous n'avez pas besoin de contester les deux points à la fois pour considérer que l'accélération de l'expansion est un mythe. Là vous en faites beaucoup, au point qu'on pourrait vous soupçonner de faire preuve d'un a priori idéologique
Mais admettez que ceux qui ne contestent aucun de ces deux points soient convaincus que l'expansion de l'univers est accélérée, et qu'il doit donc y avoir quelque-chose qui l'accélère ; c'est l'origine de l'expression énergie noire.

Ensuite (et c'est l'objet de cette discussion) il semble bien qu'en contestant le deuxième point, certains arrivent cependant à construire une théorie permettant d'expliquer ces observations :

Je suis très sensible à la remarque de Magnan affirmant que si on peut considérer à grande échelle l'Univers comme homogène et isotrope, on le peut moins sur des régions restreintes

Il n'est pas le seul à l'avoir remarqué. C'est l'objet des travaux auxquels je faisais référence dans mon premier message, et dont l'origine remonte au moins à George Ellis dans les années 80. Mais ces travaux font justement "émerger" des inhomogénéités de l'univers une constante cosmologique qui pourrait avoir le bon ordre de grandeur pour pouvoir se passer de l'hypothèse de l'énergie noire.

Son doute concernant la luminosité intrinsèque pratiquement constante pour les supernovae de type 1a me semble suffisamment pertinent pour être pris en considération.

C'est discutable, et comme je l'ai dit précédemment je ne suis pas expert en la matière et ne m'aventurerai donc pas à essayer d'expliquer pourquoi on considère cette luminosité comme constante. Je sais qu'il existe des arguments théoriques pour cela et qu'une petite recherche sur internet pourrait permettre de les retrouver.

Mais j'ai quand-même un argument : si toutes les SN1a situées à peu près au même redshift n'avaient pas la même luminosité apparente (ou présentaient un écart de luminosité assez faible), je suppose que cela aurait été observé. Dans le cas contraire, on peut en déduire une quasi-constance dans l'espace, à un instant donné dans le référentiel comobile.
En revanche, on ne peut pas en déduire de façon certaine une constance dans le temps puisque cela repose sur le modèle qu'on cherche à valider et ça serait donc une tautologie. Mais on peut néanmoins considérer que si la luminosité intrinsèque des SN1a était variable dans le temps du référentiel comobile, pour être compatible avec les observations il faudrait que cette variation soit la même pour toutes les SN1a. Les plus lointaines "vivaient" dans un univers plus jeune. Elles seraient moins lumineuses que les plus proches, vivant dans un univers plus vieux. La luminosité intrinsèque des SN1a dépendrait donc de l'âge de l'univers au moment où le signal que nous observons a été émis. Si c'est le cas il faudrait que ce soit supporté par une théorie scientifique. Laquelle ?
Encore une fois, je n'ai aucune connaissance sur le sujet, mais je suppose que c'est une hypothèse sur laquelle des scientifiques se sont déjà penchés, puisqu'elle aurait un pouvoir explicatif certain, et que, s'il en était sorti quelque-chose de solide, ça se saurait ; et que si cet variation de luminosité était quantifiable, on pourrait en tenir compte dans l'utilisation des SN1a comme chandelles standard - et réfuter (ou pas) l'hypothèse de l'accélération de l'expansion.

[yves95210]

Mon sentiment sur la question, c'est qu'on a pris le problème à l'envers.
Pour ma part, si je pose en hypothèse que l'expansion constante (à toute échelle) est la cause de tout et non pas une conséquence de quoi que ce soit.
Alors, elle est la cause de l'apparition de la matière et de l'énergie.

Ce qui amène indirectement à :
Elle est la cause du champ gravitationnel.

Il semble pourtant bien, depuis Friedmann et Lemaître, que la gravitation soit la cause de la variation du taux d'expansion.
L'expansion est en revanche responsable de la diminution de la densité moyenne de matière dans l'univers.

Elle est la cause du champ électromagnétique.

C'est sûr que sans énergie il n'y a pas de champ EM... Il n'y a même "rien".

Vu sous cet angle, l'accélération de l'expansion mesurée à grande échelle (et non pas à l'échelle locale...) est effectivement, à mon avis, une conséquence prévisible de la présence de structures du vide.

Qu'est-ce qu'une structure du vide ?

Peut-on en revenir au sujet beaucoup plus terre à terre de cette discussion, c'est-à-dire une théorie physique (et non métaphysique) basée sur la RG, et qui moyennant la prise en compte de l'inhomogénéité de l'univers à une certaine échelle, produit des équations prouvant l'existence d'une backreaction, à partir desquelles on peut prédire entre autres l'accélération de l'expansion ?
Cette dernière ne serait alors qu'une conséquence de la gravitation, sous réserve que l'ordre de grandeur du terme de courbure dû à la backreaction soit le bon.

[invitee6546ae1]

Il y a une échelle à partir de laquelle on peut effectivement considérer l'univers comme homogène et isotrope. Disons que si on prend un cube de 2 milliards d'années-lumière de côté n'importe où dans l'univers observable, on va y retrouver à peu près la même distribution de zones de sous- et de sur-densité et la même densité moyenne de matière.

Même pas forcément.
Certaines observations récentes suggèrent fortement la présence d'un "supervide" de 1,8 millards d'années-lumière de diamètre (qui pourrait d'ailleurs éventuellement correspondre au fameux "point froid" du CMB).

[invite0eb9ce15]

Mais l'important en science n'est pas les croyances personnelles ni les arguments esthétiques.

Il y a un fait (en l'occurrence l'accélération de l'expansion) observé, ou plutôt déduit par calcul de certaines observations. Vous pouvez contester la validité des observations - ce que vous faites plus loin - ou celle du modèle sur lequel est basé ce calcul (en l'occurrence la cosmologie standard basée sur la métrique FLRW d'un univers parfaitement homogène et isotrope et sur une solution des équations de Friedmann) - ce que vous faites aussi ci-dessous. Soit dit en passant, vous n'avez pas besoin de contester les deux points à la fois pour considérer que l'accélération de l'expansion est un mythe. Là vous en faites beaucoup, au point qu'on pourrait vous soupçonner de faire preuve d'un a priori idéologique
Mais admettez que ceux qui ne contestent aucun de ces deux points soient convaincus que l'expansion de l'univers est accélérée, et qu'il doit donc y avoir quelque-chose qui l'accélère ; c'est l'origine de l'expression énergie noire.

Ensuite (et c'est l'objet de cette discussion) il semble bien qu'en contestant le deuxième point, certains arrivent cependant à construire une théorie permettant d'expliquer ces observations :

Il n'est pas le seul à l'avoir remarqué. C'est l'objet des travaux auxquels je faisais référence dans mon premier message, et dont l'origine remonte au moins à George Ellis dans les années 80. Mais ces travaux font justement "émerger" des inhomogénéités de l'univers une constante cosmologique qui pourrait avoir le bon ordre de grandeur pour pouvoir se passer de l'hypothèse de l'énergie noire.


C'est discutable, et comme je l'ai dit précédemment je ne suis pas expert en la matière et ne m'aventurerai donc pas à essayer d'expliquer pourquoi on considère cette luminosité comme constante. Je sais qu'il existe des arguments théoriques pour cela et qu'une petite recherche sur internet pourrait permettre de les retrouver.

Mais j'ai quand-même un argument : si toutes les SN1a situées à peu près au même redshift n'avaient pas la même luminosité apparente (ou présentaient un écart de luminosité assez faible), je suppose que cela aurait été observé. Dans le cas contraire, on peut en déduire une quasi-constance dans l'espace, à un instant donné dans le référentiel comobile.
En revanche, on ne peut pas en déduire de façon certaine une constance dans le temps puisque cela repose sur le modèle qu'on cherche à valider et ça serait donc une tautologie. Mais on peut néanmoins considérer que si la luminosité intrinsèque des SN1a était variable dans le temps du référentiel comobile, pour être compatible avec les observations il faudrait que cette variation soit la même pour toutes les SN1a. Les plus lointaines "vivaient" dans un univers plus jeune. Elles seraient moins lumineuses que les plus proches, vivant dans un univers plus vieux. La luminosité intrinsèque des SN1a dépendrait donc de l'âge de l'univers au moment où le signal que nous observons a été émis. Si c'est le cas il faudrait que ce soit supporté par une théorie scientifique. Laquelle ?
Encore une fois, je n'ai aucune connaissance sur le sujet, mais je suppose que c'est une hypothèse sur laquelle des scientifiques se sont déjà penchés, puisqu'elle aurait un pouvoir explicatif certain, et que, s'il en était sorti quelque-chose de solide, ça se saurait ; et que si cet variation de luminosité était quantifiable, on pourrait en tenir compte dans l'utilisation des SN1a comme chandelles standard - et réfuter (ou pas) l'hypothèse de l'accélération de l'expansion.

Vous avez raison de me reprendre sur mon emploi du verbe "croire". Je dirai donc plutôt que je fais plus confiance à l'hypothèse de la matière noire qu'à celle de l'énergie noire. Pour ce qui concerne la matière noire, il semble bien ne faire aucun doute que cette hypothétique matière noire exerce une influence gravitationnelle sur la matière connue. Aussi, que les physiciens aient imaginé la nouvelle particule "WIMP" (ou toute autre !) me semble plus naturel qu'imaginer une cinquième force pour la seule (à ma connaissance) explication d'un seul phénomène : la supposée accélération de l'expansion.
Cela dit, soyez certain que toute idéologie est absente de mes réflexions.
Cordialement.

[invite6486d7bd]

Qu'est-ce qu'une structure du vide ?

Les inhomogénéités, par exemple la matière et son organisation à des échelles plus grandes.

Il semble pourtant bien, depuis Friedmann et Lemaître, que la gravitation soit la cause de la variation du taux d'expansion.

Certes, mais si vous ne comprenez pas ce qu'est "la gravitation", à savoir qu'elle n'est rien d'autre qu'un effet de l'expansion, vous inversez la cause et l'effet.
Ne vous étonnez donc pas de tourner en rond, d'autant qu'une fois la RG appliquée, vous vous retrouvez de manière indépendante avec le mystère de la matière à petite échelle et que vous ne pouvez pas négliger l'origine de la matière dans vos calculs.
Si l'origine de la matière est aussi un effet de l'expansion, tout se simplifie...
Mais j'arrête de faire de la "métaphysique".

[Gilgamesh]

Certes, mais si vous ne comprenez pas ce qu'est "la gravitation", à savoir qu'elle n'est rien d'autre qu'un effet de l'expansion.

C'est logiquement l'inverse. D'où sort cette affirmation ?

[yves95210]

C'est logiquement l'inverse. D'où sort cette affirmation ?

Bonsoir Gilgamesh,

Please don't feed the troll. Au pire c'est du n'importe quoi, au mieux c'est HS et du domaine de la théorie personnelle. Si l'intéressé le souhaite il peut ouvrir un autre fil pour exprimer ses idées.
J'aimerais bien qu'on puisse discuter sérieusement du sujet que j'ai ouvert.

[invite6486d7bd]

C'est logiquement l'inverse. D'où sort cette affirmation ?

C'est une hypothèse qui permet de répondre à de nombreuses questions, il me semble.
Mais le mieux c'est d'attendre de nouvelles données, il est vrai.
Ce qui serait intéressant ce serait d'avoir le résultat de l'expérience Microscope par exemple, mais rien ne vous empêche dés à présent de vous poser la question de savoir ce qui pourrait bien être à l'origine d'une violation du principe d'équivalence si violation il y avait lieu.

L'égalité entre la masse qui mesure l'inertie et la masse 
qui détermine la gravitation est au fondement 
de la relativité générale d'Einstein. Une expérience récente censée la tester sur des objets quantiques 
divise les spécialistes.

http://www.pourlascience.fr/ewb_page...ique-33030.php

Personnellement je vois bien les implications mais je vous laisse y réfléchir car vous devriez pouvoir trouver la réponse par vous-même.

[invite0eb9ce15]

C'est une hypothèse qui permet de répondre à de nombreuses questions, il me semble.
Mais le mieux c'est d'attendre de nouvelles données, il est vrai.
Ce qui serait intéressant ce serait d'avoir le résultat de l'expérience Microscope par exemple, mais rien ne vous empêche dés à présent de vous poser la question de savoir ce qui pourrait bien être à l'origine d'une violation du principe d'équivalence si violation il y avait lieu.


http://www.pourlascience.fr/ewb_page...ique-33030.php

Personnellement je vois bien les implications mais je vous laisse y réfléchir car vous devriez pouvoir trouver la réponse par vous-même.

Bonjour,
Vous citez la sérieuse revue de vulgarisation "Pour la Science" qui est l'adaptation française du "Scientific American".
C'est bien.
Mais attention, la vulgarisation d'une théorie n'est pas la théorie et bien souvent les analogies, indispensables en vulgarisation, induisent le lecteur en erreur.
C'est en particulier le cas pour une discipline que je connais relativement bien : La mécanique quantique.
Donc, prudence.
Cordialement.

[yves95210]

Bonjour,

Je rappelle que cette discussion n'avait pas pour but de débattre sur le fait que l'expansion est accélérée ou sur l'éventail des hypothèses évoquées pour expliquer cette accélération, mais de parler plus particulièrement d'une de ces hypothèses, des travaux théoriques qui y conduisent et de l'éventuelle succès de ces travaux à prédire des résultats compatibles avec les observations.

Ces travaux s'appuyant uniquement sur la relativité générale et, dans la publication consacrée à l'estimation de l'effet de la backreaction comme explication possible de l'accélération de l'expansion dans un univers sans "énergie noire", les hypothèses qui ne rentrent pas dans ce cadre sont hors-sujet ici, aussi intéressante soient elles.

Ici les ingrédients de la discussion devraient être
- la relativité générale, et plus particulièrement la méthode utilisée par Buchert pour calculer à partir des équations locales de la RG des valeurs moyennes de la courbure dans un domaine compact quelconque, conduisant des équations dans lesquelles apparaît un terme de backreaction,
- les observations concernant les inhomogénéités de l'univers à une échelle inférieure à quelques milliards d'al.

[invite0eb9ce15]

Bonjour,
Vous citez la sérieuse revue de vulgarisation "Pour la Science" qui est l'adaptation française du "Scientific American".
C'est bien.
Mais attention, la vulgarisation d'une théorie n'est pas la théorie et bien souvent les analogies, indispensables en vulgarisation, induisent le lecteur en erreur.
C'est en particulier le cas pour une discipline que je connais relativement bien : La mécanique quantique.
Donc, prudence.
Cordialement.

Je voudrais illustrer par un exemple (hors sujet et je m'en excuse) combien la vulgarisation peut être trompeuse.
J'ai lu, dans un ouvrage de vulgarisation de la mécanique quantique que les "diagrammes de Feynman" sont utilisés pour montrer graphiquement une interaction entre particules.
C'est tout simplement faux : Ces diagrammes ne représentent pas du tout la réalité et Feynman les a inventés uniquement pour aider à la mise en équation de ces interactions.
En voici un exemple simplifié :

[pascelus]

C'est à propos de l'accélération de l'expansion que les résultats semblent aujourd'hui les plus significatifs. Elle pourrait n'être que l'effet de la "backreaction" des inhomogénéités de la distribution de matière dans l'univers, sur la courbure moyenne obtenue lorsqu'on fait cette opération sur un volume assez grand (correspondant à l'échelle à laquelle l'univers commence à paraître homogène). Je vous propose donc de limiter la discussion au problème de l'"énergie noire", puisque c'est le seul pour lequel le lien a été fait entre le modèle théorique et les observations.

Idée séduisante s'il en est, mais...

Les inhomogénéïtés de la distribution de matière dans l'univers étant étroitement corrélées aux inhomogénéïtés du CMB, et les observations de Plank de ce fond diffus nous ayant appris que la platitude de l'univers est avérée jusqu'à le 4e décimale au moins, il me parait surprenant que des hétérogénéités puissent générer des fluctuations du taux d'expansion significatives au delà d'une certaine échelle. Si tel était le cas pourquoi n'en feraient-elles pas autant sur la platitude?

A moins que l'on ne se limite pas à l'univers observable et que l'on postule des inhomogénéïtés au delà de la sphère de hubble? (laquelle ne serait du coup plus une sphère mais un "patatoïde bosselé", avec des anisotropies un jour mesurables?)

[viiksu]

Idée séduisante s'il en est, mais...

Les inhomogénéïtés de la distribution de matière dans l'univers étant étroitement corrélées aux inhomogénéïtés du CMB, et les observations de Plank de ce fond diffus nous ayant appris que la platitude de l'univers est avérée jusqu'à le 4e décimale au moins, il me parait surprenant que des hétérogénéités puissent générer des fluctuations du taux d'expansion significatives au delà d'une certaine échelle. Si tel était le cas pourquoi n'en feraient-elles pas autant sur la platitude?

A moins que l'on ne se limite pas à l'univers observable et que l'on postule des inhomogénéïtés au delà de la sphère de hubble? (laquelle ne serait du coup plus une sphère mais un "patatoïde bosselé", avec des anisotropies un jour mesurables?)

Je suis assez d'accord avec toi, mais quid de gens qui comme Aurélien Barrau et carlo Rovelli ne voit dans l'energie noire qu'un tenseur qui trouve naturellement sa place dans l'équation d'Einstein à cause d'un groupe de Poincaré?

[Nicophil]

Bonjour,

Les inhomogénéïtés de la distribution de matière dans l'univers étant étroitement corrélées aux inhomogénéïtés du CMB,

Je dirais même :
Les anisotropies du fond radio sont étroitement corrélées aux anisotropies de la distribution de matière dans l'univers : moins il y a de matière dans la ligne de visée et plus le CMB est froid ?

[yves95210]

Idée séduisante s'il en est, mais...

Les inhomogénéïtés de la distribution de matière dans l'univers étant étroitement corrélées aux inhomogénéïtés du CMB, et les observations de Plank de ce fond diffus nous ayant appris que la platitude de l'univers est avérée jusqu'à le 4e décimale au moins, il me parait surprenant que des hétérogénéités puissent générer des fluctuations du taux d'expansion significatives au delà d'une certaine échelle. Si tel était le cas pourquoi n'en feraient-elles pas autant sur la platitude?

A moins que l'on ne se limite pas à l'univers observable et que l'on postule des inhomogénéïtés au delà de la sphère de hubble? (laquelle ne serait du coup plus une sphère mais un "patatoïde bosselé", avec des anisotropies un jour mesurables?)

Pas besoin d'accélération de l'expansion pour expliquer la formation des structures à partir des inhomogénéités du CMB, la gravitation de la matière suffit. D'ailleurs ce qui importe est le poids relatif des paramètres de densité. La masse de matière (+ énergie de rayonnement) étant constante, dans l'univers à l'époque du CMB, beaucoup plus petit qu'à l'époque actuelle, on avait Omega_m >> Omega_Lambda, même en supposant l'existence d'une constante cosmologique Lambda non nulle.
Au contraire l'expansion, et qui plus est son accélération, freine la formation des structures, et c'est bien pour ça qu'il ne faut pas que Lambda soit trop grande si on veut arriver à un univers tel que nous l'observons (et dans lequel nous pouvons vivre).

L'effet de l'accélération de l'expansion ne commence à être du même ordre de grandeur que celui de la gravitation de la matière que bien plus tard, à une époque où les grandes structures sont déjà formées. Donc une explication de cette accélération (via la prise en compte des inhomogénéités dans l'univers "récent") comme conséquence de la formation de ces structures n'a rien de contradictoire avec les observations du CMB.

[Nicophil]

L'effet de l'accélération de l'expansion ne commence à être du même ordre de grandeur que celui de la gravitation de la matière que bien plus tard, à une époque où les grandes structures sont déjà formées.

C'est le télescope Hubble qui nous a permis il y a 20 ans de prolonger la courbe distance/redshift. Le résultat en a surpris plus d'un.
Le télescope Webb va nous permettre de prolonger encore la courbe et on ne peut pas exclure une surprise encore plus grande ! Patience...