Jean-Pierre Luminet et l'inflation

[Lansberg]

....je n'ai pas le temps de le faire vraiment moi-même

Dommage, un petit résumé de tout ça ce serait sympa
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[physeb2]

Bonjour a toutes et a tous,

je viens de lire le fil et j'ai eu assez mal aux yeux. J'adhere complètement avec la liste proposée par mtheory qui contient toutes les réponses les plus poussées et completes. Je n'apporterait rien a celles-ci mais le niveau de certains commentaires ne me laisse peu de doute sur l'impossibilité de lire ces références. Pour cela je me permet d'apporter quelques petites clarifications:

- L'Inflation est partie integrante du modele standard de la cosmologie. C'est une pièce fondamentale sans quoi une grande partie des études de la cosmologie n'auraient pas grand fondement. L'étude des perturbations (perturbations de température et de polarisation du CMB, spectre de puissance des galaxies: BAO et RSD, étude de la fonction de masse des amas de galaxies.... ). Pour vous convaincre tres simplement que l'inflation fait partie du modele standard, il suffit de voir que 2 des 7 paramètres du modele standard le plus simple (vanilla Lambda-CDM) sont n_s et A_s qui sont l'indice spectral et l'amplitude des perturbations scalaires de l'inflation.

- L'inflation n'est pas un patch, elle fut introduite en premier lieu par Alan Guth (voir liste proposée par mtheory) pour comprendre l'absence des défauts topologiques et en particulier des monopoles magnétiques. Il faut savoir que ces objets contribueraient pour la partie de courbure laquelle se dilue plus lentement que les autres quantités énergétiques (sauf énergie noire). La dilution de ces effets s'accompagne donc d'une prédiction d'une courbure tres faible de l'Univers observable, c'est le role d'introduire la phase d'expansion extreme initiale. Le fait que cela explique le problème de l'horizon ce n'est pas exact. En fait, l'homogénéité du CMB necesite d'assumer une zone petite homogénéités avant l'inflation. Cela reste une condition initiale nécessaire. C'est donc un déplacement a plus petite échelle du problème. En revanche, l'inflation avec un champs scalaire te donne 'gratuitement' une explication des perturbations initiales et du fait que ces perturbations commencent dans un état congelé a la sortie de l'inflation. Cela implique que les perturbations commencent a évoluer quand elles rentrent dans leur horizon causal ce qui explique qu'elles soient corretees. Sans cela il n'y aurait pas les pics de corrélations dans le CMB ou le spectre de puissance des galaxies. De plus, l'inflation te prédit debut 80's que tu dois avoir des perturbations non-causales qui seront observées entre 1989 et 1992 par COBE. Cette observation a fait pleuré pas mal de cosmologues. Ca s'appelle la confirmation d'une théorie comme modele le plus robuste qu'on ait a l'heure actuelle. Cela ne signifie pas que c'est la vérité, cela n'a aucun sens de penser cela d'aucune théorie physique, mais ce n'est en aucun cas un vulgaire patch.

-Refuter l'inflation avec la formation des galaxies n'est vraiment pas une chose aisée. Au mieux tu trouve des galaxies trop massives trop tôt sans phénomène de collision d'halos ce qui te conduira a une nécessité de non-gaussianite plus grande dans tes conditions initiales. Mais cela est deja sacrement restreint par les perturbations de températures. En dehors du Cold-spot il n'y a pas tellement de fluctuations qui laissent penser a de telles queues de distributions. De plus, la formation des galaxies est un processus tres complexe qui rend le travail de liaison avec les implications cosmologiques tres compliquees. On se réfère a la connection halo - galaxy, au problème de modélisation du biais des galaxies (qui dépend de chaque type de galaxie a chaque epoque) qui se trouve plus precisemment dans ce qui se nomme 'Assembly bias'. Il y aura des observations des observatoires comme CHIME ou SKA sur l'émission a 21cm de l'Univers post CMB avant la formation des galaxies qui sera bien plus importante pour titiller l'inflation.

Pour finir j'ai également lu qu'il n'y a pas besoin de comprendre la cosmologie pour se forger une opinion sur l'inflation, je me porte en faux sur ce point. Il est indispensable de comprendre la cosmologie et ses nécessités observationnelles pour comprendre l'importance de l'inflation et la difficulté que cela represente pour les théories nouvelles de la remplacer. Je ne suis pas marier avec l'inflation et comme pour toute la physique j'espere sans avec enthousiasme une preuve qui requiere un changement de compréhension. Cependant il faut respecter l'inflation pour ce qu'elle est. Certainement pas un vulgaire patch.

[ordage]

Bonjour

Le problème n'est pas de savoir si c'est une rustine, mais si c'est bien le phénomène qui s'est produit, et pour cela, la physique étant une science expérimentale, des vérifications expérimentales s'imposent.

Le souci, c'est que ce phénomène, décrit par champ scalaire taillé sur mesure, se serait produit dans un contexte énergétique que nous sommes incapable de reproduire, donc pouvant faire appel à une physique qui nous est inconnue et qui risque de le rester, ce qui fait que cela reste spéculatif, sauf à identifier des fossiles qui seraient prédits par l'inflation.

Dire qu'il résout bien le problème, c'est intéressant, mais il ne faut pas s'en étonner, il a été taillé sur mesure pour cela.

Cela ne l'élimine pas pour autant, puisqu'on ne connait pas la physique qui s'appliquait à l'époque de l'inflation, mais ce n'est, pour l'instant, qu'une (séduisante) hypothèse plausible.

Bachelard disait que la physique est une métaphysique impure car elle doit rendre des comptes à l'expérience (Le nouvel esprit scientifique).

Cordialement

[Lansberg]

... des vérifications expérimentales s'imposent.

d'où la mission SPHEREX, d'où la recherche sur les OG primordiales et les modes-B, d'où la recherche sur la détection du fond diffus de neutrinos...

[physeb2]

Bonjour Ordage,

pour qu'un modele fasse partie du modele standard de la cosmologie c'est bien qu'il ait passé les preuves observationnelles. Je ne comprends pas tres bien l'accusation d'overfitting qui est faite.Il faut remettre les choses dans leur contexte temporel. La théorie de l'inflation nait fin des années 1970 et prend la forme standard vers 1981 avec le modele de Starobinski (Pour faire tres court). A cette époque il n'y a pas de mesure precise sur la courbure de l'Univers, le consensus est que l'Univers est doiné par la matière et que le courbure tiendra a dominer tot ou tard et provoquer un big crunch.

Donc le fait que l'inflation prédise une courbure de l'Univers extrêmement plate n'est pas un ajustement car les mesures precises de celle-ci viendront bien plus tard.
Les implications sur les perturbations sont enormes:
1- L'inflation prédit des perturbations adiabatiques. Cela veut dire que les quantités relatives entre les différents composants énergétiques (et les différents types de particules) sont conservés. Quand il y a une sur-densité, c'est une sur-densité de tout les constituants. Cela a une implication sur le spectre de puissance attendu pour les perturbations de temperatures, en particulier le premier pic de compression maximal (i.e. premier pic du spectre de temperature CMB) doit correspondre a la taille de l'horizon sonore (aussi horizon causal car plasma)
2- L'inflation predit la presence de perturbations plus grande que l'horizon causal. Cela est assez incensé non? Et bien ce fut confirmé 10 ans plus tard par COBE et avec bien plus de precisions avec les observations postérieurs. Si cela n'est pas un passage de la falsification par l'observation je ne comprends pas.
3- L'inflation predit une anti-correlation des pics température et de polarisation, ce qui est parfaitement confirmé depuis l'observation de QUAD en 2004 puis par les observations ultérieures.

On parle donc de plusieurs tests de falsifications observationnels qui ont été passé. Certainement pas de modele créé sur mesure pour reproduire ce que l'on savait déjà.

Pour ce qui est de continuer a verifier jusqu'a trouver une inconsistance avec les observations c'est le travail normal de la recherche sur tout les modeles. Aucun modele physique n'est 'vrai' et tend a être invalidé par les observations a un moment donné. Cela ne veut pas dire qu'il faille les traiter comme des hypotheses séduisantes. Si un modele permet reproduire la realité a la precision requise par les observations et qu'aucun autre modele vient le supplanter alors il est le modele standard du moment. Cela vaut pour la relativité générale et la mécanique quantiques qui sont pourtant les modeles les plus robustes de l'histoire de la physique.

Mon point est seulement d'expliquer que l'inflation n'est pas une simple hypothèse faite sur mesure pour rendre compte d'observations. Elle a passé avec grand succès la falsification sur plusieurs predictions. Si la théorie quantique a boucle de gravitation nous donne une explication plus satisfaisante tout en produisant des predictions nouvelles qui se confirment je serai le premier heureux. Ca ne fera pas de l'inflation une hypothèse du passé mais un modele qui fut supplanter tout comme la gravitation de Newton le fut. Cela n'en reste pas moins un modele important de l'histoire de la physique.

[ordage]

Bonjour Physeb2
Sans vouloir polémiquer, dans les années 70, le modèle "standard" était un univers " d'Einstein" dominé par la matière et "critique" ce qui posait le problème des conditions initiales compte tenu du modèle cosmologique en vigueur qui amplifiait l'écart à la platitude avec le temps . Pour le fond cosmologique on n'avait pas de données ( le premier satellite COBE, de précision très limitée, a été lancé en 1989).

C'était ce problème de "platitude" qu'on cherchait à résoudre par l'inflation à l'époque. Vu le nombre de versions, cela a été laborieux, difficile de trouver une processus (un profil de champ scalaire et sa justification physique) qui fait démarrer l'inflation puis qui l'arrête.

L'importance qu'on apporte au problème de platitude de l'espace qui résulte d'un certain feuilletage de l'espace-temps (dans les coordonnées RW) me laisse un peu perplexe car la relativité qui sous-tend la cosmologie est une théorie de l'espace-temps, qui n'accorde pas de caractère physique à l'espace et au temps mais seulement à l'espace-temps.
Dans d'autres coordonnées qui seraient tout aussi valides, la section spatiale pourrait être non plate, en particulier quand il y a une constante cosmologique.
Par exemple un espace-temps de De Sitter en coordonnées RW a 3 solutions, une avec une section spatiale plate (k=0), une avec une section spatiale positive (k=1), une avec une section spatiale négative (k=-1), toutes ces solutions décrivant le même espace-temps.

Après quand on a eu des données sur le CMB, d'autres problèmes, certains ayant un caractère physiques, que les modèles actuels ont été révélés.

Dans les points que tu évoques que je ne les connais pas tous, je te fais confiance, manifestement tu connais le sujet et je conviens que c'est à porter au crédit de l'hypothèse.
Et merci pour tes informations.

Cordialement

[physeb2]

Bonjour Ordage,

oui le modele était bien un Univers Einstein-de Sitter, c'est a dire dominé par la matière. Cependant la courbure n'était en générale pas negligée dans les articles car il n'était pas sûr que la composante soit totalement négligeable. Mais tu as entièrement raison qu'il y avait déjà une restriction sur le faite que la courbure ne dominait pas. Cependant on était encore sur l'incertitude entre modele bottom-up et top-down pour la formation des structures donc les contraintes sur les paramètres étaient loins d'être follichons

Pour ce qui est de la partie fondamentale de comment commence l'inflation c'est le mystère. C'est d'ailleurs une des raisons pour laquelle une explication plus fondamentale (par exemple QLG) serait importante. La maniere qu'elle se termine est un art du dessin du potentiel du champs scalaire. Sur tout cela je suis entièrement d'accord et je pense que personne n'attend que l'inflation soit la théorie ultime (d'ailleurs je pense qu'aucune n'est ultime et qu'il est dangereux de penser le contraire).
Mon point est de défendre que l'inflation n'est pas du tout a mettre sur le meme plan de comparaison que la théorie des cordes par exemple. Cette dernière n'a jamais fourni aucune prediction falsifiable. Donc je ne voulais pas laisser dire qu'il s'agit d'une rustine car bien qu'imparfaite c'est une théorie qui a predit des choses plutôt insensées qui se sont vérifiées par la suite.

Pour la notion de courbure, je comprends ton étonnement mais c'est bien comme cela qu'elle est introduite dans la Relativité Generale meme. Pas seulement pour la cosmologie. Je ne suis pas gravitologue donc je ne m'aventurerai pas a faire une explication qui seraient certainement mauvaise.

Pour les observations du CMB, je ne veux pas utiliser d'argument d'autorité. Ce genre d'argument est le pire qu'il soit et le fait que j'ai travaillé pas mal d'années sur le sujet ne me donne aucun droit. Je pourrai essayer d'expliqué les différents points qui t'intriguent si tu es intéressé.

[ordage]

Bonjour Ordage,



Pour la notion de courbure, je comprends ton étonnement mais c'est bien comme cela qu'elle est introduite dans la Relativité Generale meme. Pas seulement pour la cosmologie. Je ne suis pas gravitologue donc je ne m'aventurerai pas a faire une explication qui seraient certainement mauvaise.

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Bonjour
Dans l'équation d'Einstein, qui définit un espace-temps pour l'univers (modélisé par une variété), c'est la courbure (intrinsèque) spatio-temporelle (4D) qui est utilisée, comme en témoigne le membre de gauche comportant le tenseur de Ricci (4D) et le scalaire de Ricci. Mathématiquement on peut définir des courbures pour tous types d'espaces ou espace-temps à n dimensions, mais en relativité qui est une théorie géométrique de la gravitation c'est un espace-temps 4D qu'on utilise. Les "composantes" de ces tenseurs 4D sont des fonctions d'une métrique 4D et de ses dérivées, par exemple celle de RW, mais n'importe qu'elle autre décrivant le même espace-temps ferait l'affaire. L'espace, qu'on va appeler "section spatiale" qu'on estime plat, résulte d'un feuilletage de cet espace-temps en temps et espace dans cette métrique. Ce feuilletage pourrait donner des résultats différents pour l'espace dans une autre métrique compatible. C'est en cela que le caractère objectif des propriétés de l'espace n'est pas assuré. Dès la relativité restreinte, Minkowski l'avait bien compris quand il déclarait que seul l'espace-temps avait un caractère physique, l'espace et le temps, séparément,, étant réduit à n'en donner que des ombres (référence à l'allégorie de la caverne de Platon).

Concernant l'inflation, le ne connais que les bases, la dilatation des fluctuations quantiques par l'inflation qui (en théorie) donne un spectre de puissance invariant d'échelle des fluctuations, ce qu'on observe, à peu près, dans le CMB, la différence étant d'ailleurs interprétée par des hypothèses. Aussi comment l'inflation résout le problème de l'horizon se comprend bien. Que l'inflation résolve le problème de la platitude est évident. Pour le reste, en autres ce que caractérise la polarisation, les défauts topologiques, je n'y connais pas grand chose. Des explications sont bienvenues en ce qui me concerne.
Cordialement

[externo]

Bonjour
L'espace, qu'on va appeler "section spatiale" qu'on estime plat, résulte d'un feuilletage de cet espace-temps en temps et espace dans cette métrique. Ce feuilletage pourrait donner des résultats différents pour l'espace dans une autre métrique compatible. C'est en cela que le caractère objectif des propriétés de l'espace n'est pas assuré.
Cordialement

"L'espace section spatiale qu'on estime plat" provient du découpage piloté par le temps cosmique, temps propre des observateurs comobiles. Or ce temps cosmique représente un découpage du temps qui est privilégié pour une raison qui me paraît évidente.

[Pio2001]

Bonjour Physeb2,
Je vois que tu connais bien le sujet.
J'ai une question à propos de l'inflation : je lis dans mes livres d'introduction à l'astrophysique que l'inflation aurait débuté à un certain moment (lorsque la masse volumique de la matière ordinaire est devenue plus petite que la masse volumique de l'énergie noire). Or ceci a été vigoureusement contesté dans ce forum, où on (je ne me rappelle plus qui) nous a indiqué que d'après de cours de cosmologie d'Alan Guth, l'inflation n'a pas de début. C'est un processus naturel de l'expansion de l'espace, et nous nous trouvons en ce moment dans une zone de l'univers où l'inflation a localement cessé.

Ma question est donc : est-ce qu'on considère que l'inflation a été précédée d'une phase d'expansion normale ?

[physeb2]

Bonjour Pio2001 et Ordage,

pour les explications je prendrai le temps de le faire bien dans un futur proche. Ca va prendre un peu de temps et j'ai certaines deadlines urgentes a m'occuper en ce moment.

Pour ta question Pio2001, la premiere partie est en effet incorrecte. Dans la théorie de l'inflation il n'y a pas de matière ordinaire, ni de matière noire avant que le champs d'inflation se désintègre (phase de reheating). Pour l'énergie noire c'est difficile d'en parler car on n'a aucune idée a son sujet et si elle est conforme aux restrictions actuelles elle devait être totalement négligeable si existante durant cette période. La seconde partie stipulant qu'il n'y a pas de debut n'est pas non plus correcte. On évalue le "temps" mais surtout le nombre d'expansion (e-fold number dans la literature) et donc si il est nécessaire d'avoir un debut. Il y a des restrictions sur la temperature de l'Univers après disintegration du champs d'inflaton, on ne peut pas diluer infiniment l'Univers pour arriver aux observations.

Je vais faire une petite réponse qui essaye de concilier les deux questions brièvement:
La theorie de l'inflation propose que les particules du modele standard ainsi que la matière noire des modèles thermiques (il y a des modèles de matière noire non-thermique qui ne suivit pas cette regle) proviennent de la désintégration de l'inflaton. Pour cela, les perturbations de densité de matière suivent les perturbations originelles du champs d'inflation. Les proportions entre les différentes composante énergétiques sont conservées en tout point, c'est ce qu'on nomme les perturbations adiabatiques. L'evolution de celles-ci s'observe dans les perturbations de temperature du CMB puis dans la distribution des galaxies ou de quelque autre traceur dans l'Univers plus tardif.
Pour ce qui est des conditions du commencement de la phase d'inflation ce n'est pas simple a dire dans le sens où on ne connais pas l'Univers avant. Donc normalement nous ne disons rien sur cela. On a des conditions initiales avec le champs qui existe et une homogénéités a suffisante dans un volume qui deviendra plus grand que l'Univers observable. Sinon il n'y a pas d'homogénéités et isotropie de temperature du CMB sur tout le ciel. Donc on voit que le probleme de l'horizon n'est pas totalement solutioné par l'inflation car on a besoin de supposer une homogeneité initiale qui ne s'explique pas.

Sonc si on suit la theory de l'inflation, oui on est bien dans un endroit et un temps où l'inflation s'est arrêtée. D'ailleurs les modèles qui tentent d'expliquer l'inflation initiale et l'expansion tardive (que l'on attribue a l'énergie noire dans le modele standard) ne fonctionnent pas. Il est en particulier difficile de conserver un quantité de champs scalaire d'inflaton sans que cela provoque des conflits avec les observations.

Tout ce que je dis est bien évidemment en assumant que l'inflation est valide.

[Pio2001]

Merci pour les explications !