mise à jour le 20
Novembre 2005
CONFÉRENCE DE
YANNICK MELLIER
De l'IAP et
Observatoire de Paris LERMA
"L'UNIVERS SOMBRE TRAQUÉ PAR LES EFFETS DE
LENTILLE GRAVITATIONNELLE COSMOLOGIQUE"
Organisée par la
SAF
Dans ses locaux
rue Beethoven, Paris
Le Samedi 19 Novembre 2005 à 15H00
à l'occasion de la réunion de la commission de cosmologie.
Photos : JPM pour
l'ambiance.
BREF COMPTE RENDU
Yannick Mellier avant sa conférence
consultant la revue de la SAF.
Bravo encore à
Claude Picard Président de la Commission
de Cosmologie de faire venir des pointures pareilles et bravo à mes
cinquantaine de collègues qui se déplacent un Samedi après midi pour assister à
une telle représentation!
Quelle superbe
analyse de la question nous a donnée Y Mellier grand spécialiste des lentilles
gravitationnelles, il est tombé dedans quand il était petit cela se voit. Il a
passé sa thèse sur le sujet et est responsable d'une équipe à l'IAP.
Il est aussi et
surtout PI (Principal Investigator ou responsable comme on dit en français) du
projet Terapix (Traitement Élémentaire, Analyse et Réduction des PIXels)
utilisant la MEGACAM à Hawaï; PI du projet Descart pour cartographier la
matière noire et co-PI du survey au CFHT d'Hawaï, bref un grand chef!
Sa spécialité : le
weak lensing (effet gravitationnel faible) et le shear lensing (cisaillement
gravitationnel) qu'il nous introduit aujourd'hui.
Public très nombreux pour assister à cette
conférence.
Tout commence par
la structure de l'Univers telle qu'on l'envisage aujourd'hui.
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Que remarque-t-on?
La composante
photon est négligeable dans notre Univers; nous possédons peu d'informations
sur les neutrinos, la composante de matière baryonique (nous, les cafards et
les étoiles) est très faible : moins de 5% de l'ensemble!!!
25% serait une
matière non baryonique qui nous est inconnue (matière noire ou sombre suivant
les traductions) et 70% serait une énergie sombre ou noire dont nous ne
connaissons ni la nature ni les propriétés!!!
Ce n'est pas
très satisfaisant.
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Que sait on encore
des dernières connaissances :
D'après l'étude du
bruit de fond cosmologique (CMB) l'Univers est plat.
L'étude des Super
Novas Ia montre qu'il est en expansion accélérée.
L'analyse des
structures (galaxies amas…) montre aussi qu'on est dominé par une
matière/énergie inconnue.
L'Univers devient
lumineux vers 380.000 ans.
Les fluctuations
de densité de matière à l'origine et la gravité favorisent l'accrétion de
matière et donnent naissance aux étoiles et galaxies. (photo NASA/WMAP).
Rôle essentiel
joué par les paramètres cosmologiques : la fraction de chaque composant de
l'Univers.
On construit
mathématiquement un Univers que l'on soumet ensuite aux observations puis on
recorrige le modèle etc..
Actuellement on
pense que les densités de matière sont les suivantes :
Ωmatière
: 25% ΩΛ
(énergie noire) : 70%
Nous avons
quelques problèmes de physique fondamentale à résoudre :
·
Quelle est la
nature de la matière noire?
·
Quelle est la
nature de l'énergie noire? Nous n'avons aucune connaissance actuellement
·
Problème de
la fameuse constante cosmologique qui est très différente entre théorie et
mesure
·
Paradoxe de
la coïncidence : pourquoi sommes nous juste à l'époque de la transition
matière/énergie (en effet 0,25 et 0,7 sont des chiffres très proches.
·
Y aurait il
plusieurs types d'énergie noire?
Bref, un physicien
normalement constitué pourrait se poser la question suivante :
Aurait-on tout
faux?
Comment peut on
accéder à la composition de l'Univers? Il faut modéliser et effectuer une
approche empirique de l'énergie du vide (ou énergie noire). À cet effet on va
considérer cette énergie du vide comme un fluide parfait et donc on peut
définir son équation d'état.
(c'est un fluide
sans vitesse dans un Univers en expansion).
L'équation d'état
d'un tel fluide peut s'écrire :
P
= [w0 + w(z) ] ρ
Avec P la pression
, le terme entre crochets étant une constante dont une partie pourrait dépendre
du temps au travers du facteur z de redshift et ro la densité.
w s'appelle le
paramètre d'équation d'état, il est sans dimension (on passe sous silence en
fait le c2 qui est sous entendu).
On effectue des
simulations numériques en faisant varier les différentes proportions et en
utilisant des calculateurs super puissants qui peuvent traiter 10 milliards de
particules.
On regarde comment
l'Univers qui était homogène au début se comporte et comment l'accrétion va se
faire.
Il y a bien sûr
compétition entre gravité et expansion.
L'énergie noire
modifie le taux d'expansion de l'Univers (c'est une force repoussante par
opposition à la gravité).
L'énergie noire
modifie le taux de croissance des structures.
Le rôle de
l'énergie noire et de la matière noire change avec le temps.
Plus l'Univers est
grand et plus la densité de matière décroît (en 1/r3), et plus
l'énergie sombre décroît mais moins vite.
Yannick Mellier
nous présente maintenant une vue sur comment sonder les Univers avec énergie
noire.
La lumière n'est
pas forcément un traceur de la matière, par exemple une vue de la Terre la nuit
ne donne pas d'indication sur la densité de population. (mais donne quand même
d'autres indications)
Et il introduit la
notion de cosmic shear (cisaillement gravitationnel) et son avantage.
Le cisaillement gravitationnel
cosmologique (cosmic shear)
analyse la statistique des distorsions gravitationnelles induites par les
grandes structures de l'univers. Ces propriétés sont interprétées pour
déterminer des paramètres cosmologiques et sonder le spectre de puissance de la
matière et son évolution temporelle.
Ce champ de déformation est dû aux effets
de lentille gravitationnelle induits par les concentrations de matière
présentes sur les lignes de visée. La mesure de ces
effets permet aujourd’hui de cartographier la distribution de matière noire sur
d’immenses fractions du ciel.
Voici le principe
de ces lentilles gravitationnelles et notamment les distorsions faibles (dessin
Mellier & Bernardeau)
Clic sur l'image
pour avoir plus de résolution.
Notre conférencier
nous donne une analogie de ces lentilles gravitationnelles que je viens d'essayer
et ça marche :
Utiliser le culot
d'une bouteille (je me suis sacrifié j'ai été obligé de finir ma bouteille de
Beaujolais nouveau! Mais attention en cassant la bouteille, cela ne marche
jamais comme dans les films!) que vous interposez exactement entre votre oeil
et une bougie par exemple (source ponctuelle le plus possible).
Et bien on voit
les phénomènes décrits sur l'image ci-contre.
L'amplitude de la
déformation dépend de l'amplitude du champ de gravité donc de la masse
(baryonique et noire) située derrière la lentille.
Suivant que l'on
est dans l'axe ou décentré on peut voir plusieurs images de l'objet.
De même la gravité devrait déformer légèrement la forme des galaxies,
elles ne sont plus "rondes" mais un peu "elliptiques".
C'est grâce à cette
méthode que l'on s'aperçoit de l'énorme quantité de matière invisible (noire)
contenue dans l'Univers
Étant donné le
grand nombre de masses pouvant faire lentille, ce que l'on voit dans le ciel
est donc déformé, et représente une image similaire à celle que donnerait de la
limaille de fer autour d'un aimant.
On voit ici à
gauche une simulation montrant la distribution de matière noire dans l'univers
sur une profondeur de 1 milliard d'années lumière. Les zones plus claires ont
une densité de matière noire plus importante. Les lignes jaunes correspondent à
certains trajets lumineux qui en l'absence de matière devraient être en ligne
droite. Ce que l'on voit dans le ciel est donc bien déformé!!
La méthode des
distorsions gravitationnelles faibles (ou weak lensing) est une méthode récente
d'étude de l'Univers et de ses structures , la France est leader dans ce
domaine grâce notamment à la Megacam
montée au CFHT.
C'est le rôle de
l'étude menée à Hawaï et qui s'appelle le CFHTLS (CFHT Legacy Survey) à Mauna
Kea à 4200m d'altitude.
C'est le projet
qui s'appelle Terapix (Traitement Élémentaire, Analyse et Réduction des PIXels)
commencé en2003 c'est un logiciel qui aide la traitement des images de cette
super caméra de 400 millions de pixels!
Soit 100.000
galaxies par photo!!
500 nuits
d'observation sont dédiées à cette étude et les premiers résultats commencent à
arriver : 20.000 images Megacam obtenues.
Il y a une ligne
de communication dédiée entre Hawaï et l'IAP à Paris pour le traitement des
données.
Le dépouillement
de ces mesures à commencé et permet de déterminer quels modèles cosmologiques
tiennent la route ou pas.
Ces mesures
donnent des contraintes (des bornes ou des limites) sur les densité de matière
qui sont représentées sur les deux diapos suivantes.
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Échelle
verticale constante cosmologique échelle horizontale densité de matière, la
courbe jaune correspond au plus grand indice de confiance (90%).
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Échelle
verticale : l'énergie sombre (négatif car opposé à la gravité) échelle
horizontale : densité de matière.
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De tout cela, le "cosmic shear"
permet de déduire les intervalles autorisés des paramètres cosmologiques
compatibles avec le cisaillement gravitationnel observé (son amplitude en
fonction de l'échelle angulaire):
on trouve Ωm = 0.3 +/- 0.05 et
–0,4< w 0<-0.8 . Ces
valeurs confirment parfaitement celles déduites par les autres méthodes.
On en déduit que le modèle qui
suppose une densité de matière de l'ordre de 0,2 à 0,3 est valide.
Les mesures
continuent et se termineront en 2008.
Pour conclure et
en avant première Yannick Mellier nous montre la première carte de matière
noire du ciel relevée à Hawaï.
La surface
représentée ici est de 2° par 2° (4 fois la Lune), certaines zones (noires)
n'ont pas de données.
On voit les
filaments de matière noire.
Plus c'est blanc
et plus c'est noir!!!
Merci Mr Mellier
de nous avoir emmené aussi loin et bonne continuation dans votre travail.
POUR
ALLER PLUS LOIN
Le site superbe de WMAP pour tout
savoir simplement et clairement sur la cosmologie : OBLIGATOIRE un must!
Le site du CFHTLS.
Le site de Terapix à l'IAP : de très bons
articles, toutes les pages sont bonnes à consulter.
Probing the Universe with weak lensing par Yannick Mellier : 54 pages au format
pdf, très complet mais très théorique.
Les
distorsions gravitationnelles pour cartographier l'Univers par Y Mellier et
F Bernardeau document pdf de 10 pages en français. Un très bon résumé abordable
par tous.
Programme de
cosmologie par l'INSU (Institut National des Sciences de l'Univers) : clair
Cours
de cosmologie du LAOG (Grenoble)
Le programme national de cosmologie à l'IAP et
l'INSU et IN2P3.
La
matière noire n'est pas si invisible que ça article de Infoscience tous publics
en français
JC Boulay sur la
matière noire ; un grand classique. J'adore!
L'énigme de la
matière noire par Alain Bouquet que nos lecteurs connaissent bien.
Présentation Power Point un peu épaisse : 7,7MB mais absolument à voir. J'en ai
effectué le
résumé et tiré la substantifique moelle aux rencontres de la Villette.
CFHT dark matter
LSST cosmic shear
(cisaillement gravitationnel en anglais) : simple même si la mise en page est
disons ..spéciale.
Les lentilles
gravitationnelles à l'IAP
Un nouvel
Univers par F Combes : le point sur matière et énergie noire clairement
fait.
BAO : Baryon Accoustic Oscillations : pour initiés.
Bon ciel à tous
Jean Pierre Martin SAF Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com
