Constante cosmologique, énergie du vide ?

1. Constante cosmologique,énergie du vide ? Alain Bouquet

2. L’âge d’or de la cosmologie • Les données viennent de sources de plus en plus variées XMM • Elles sont de plus en plus précises • Elles confirment la théorie du big bang • Dans les grandes lignes • Dans les détails Energie noire, constante cosmologique, etc.

3. Matière noire 25% Gaz chaud 4% Energie noire 70% Etoiles & planètes 0.5% Neutrinos 0,5% Lumière 0,05% Etonnante composition… Energie noire, constante cosmologique, etc.

4. Masse et énergie déforment l’espace et le temps La relativité générale est un jeu d’enfant Courbure = densité d’énergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) Energie noire, constante cosmologique, etc.

5. Expansion Varie avec l’expansion Constante Varie avec l’expansion Constante Courbure spatiale + 1 = Energie de la matière + énergie du vide Courbure temporelle courbure temporelle courbure temporelle Un jeu d’enfant… Courbure = Energie Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide + constante cosmologique Wk+ 1 =Wm+ WL Energie noire, constante cosmologique, etc.

6. Wk : Courbure de l’espace Wm : Energie de la matière WL : Energie noire ou constante cosmologique Triangle cosmique Quelque soit le point à l’intérieur du triangle équilatéral, la somme des trois distances reste constante et égale au coté du triangle Toute solution cosmologique peut ainsi être représentée par un point dans ce triangle Wm + WL + Wk = 1 Energie noire, constante cosmologique, etc.

7. Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30% Rayonnement cosmologique Wk : Courbure de l’espace Wm : Energie de la matière Amas et galaxies Supernovae WL : Energie noire ou constante cosmologique Triangle cosmique Chaque observation cosmologique mesure une certaine combinaison des paramètres Energie noire, constante cosmologique, etc.

8. Supernovae Une supernovae est une étoile qui explose : pendant quelques semaines, elle est presque aussi brillante que la galaxie-hôte. On la détecte en comparant deux images prises à quelques semaines d’intervalle : © Cerro Tololo / Adam Riess On connaît sa luminosité absolue, on mesure sa luminosité apparente: la comparaison donne la distance Energie noire, constante cosmologique, etc.

9. Luminosité apparente Décalage vers le rouge Supernovae et expansion La variation de la luminosité apparente (distance) en fonction du décalage vers le rouge indique si l’expansion ralentit ou accélère Energie noire, constante cosmologique, etc.

10. Supernovae et expansion La variation de la luminosité apparente (distance) en fonction du décalage vers le rouge indique si l’expansion ralentit ou accélère [0.3,0.7] [0.0,0.0] [1.0,0.0] [0.3,0.0] Energie noire, constante cosmologique, etc.

11. Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide Rythme d’expansion Accélération de l’expansion : domination de l’énergie du « vide » Présence d’une vraie constante cosmologique Domination du « vide » des champs connus Domination du « vide » d’un nouveau champ, par ex. quintessence Interprétations Energie noire, constante cosmologique, etc.

12. La constante cosmologique La forme la plus générale de l’équation d’Einstein Courbure = Energie contient une constante a priori arbitraire, la constante cosmologique. Sa présence modifie la loi de gravitation de Newton, en ajoutant à la force attractive (qui diminue avec la distance entre les masses) une force répulsive qui augmente avec la distance. Comme ceci n’est pas observé, elle ne doit devenir importante que sur des distances plus grandes que la taille des amas de galaxies. Son effet est donc purement cosmologique : elle (sur)compense à très grande échelle l’attraction mutuelle des masses. Energie noire, constante cosmologique, etc.

13. Constante cosmologique Energie du vide Rigoureusement constante Normalement constante Une constante… variable • Coïncidence : • Sa valeur a juste la valeur nécessaire pour qu’elle devienne importante précisément aujourd’hui. • A quoi devons-nous ce privilège ? Energie noire, constante cosmologique, etc.

14. Quand il y a des vagues, il y a des particules Le vide, c’est quand il n’y a pas de vagues L’énergie du « vide » La mécanique quantique nous apprend que les ondes sont aussi des particules, et vice-versa : tous deux sont des aspects différents du même champ. Le « vide » correspond à l’absence de particules, qui ne sont que des excitations localisées d’un champ. Energie noire, constante cosmologique, etc.

15. Un champ presque uniforme de particules Du vide et des particules Quand il n’y a pas de particules, il reste le champ sous-jacent, dont l’énergie n’a aucune raison d'être nulle ! En général, celle-ci n’a pas d’importance car on ne mesure que des différences d’énergies entre deux états, avec ou sans particules… … sauf en gravitation où toute énergie compte ! Energie noire, constante cosmologique, etc.

16. Energie du vide Champ Varier l’énergie du vide ? Faire varier l’énergie du vide au fil du temps est déjà utilisé dans les modèles d’inflation : on peut reprendre l’idée pour l’univers actuel Energie noire, constante cosmologique, etc.

17. L’énergie du « vide » ? • Pour accélérer l’expansion, l’énergie du « vide » a deux inconvénients : • coïncidence avec la densité de la matière précisément aujourd’hui; • la théorie donne naturellement une valeur 1040 à 1060 fois trop élevée. Accélération cosmologique : échelle de longueur ~ taille de l’univers visible L ~ 1026 m = échelle de masse-énergie M1 ~ 10-32 eV (= 1/L) Théorie des champs : échelle de masse-énergie M2 ~ 109 eV (QCD) ~ 1028 eV (= 1/LPlanck) • Mécanismes compensateurs invoqués : • supersymétrie (supercordes), mais nécessairement imparfaite • quintessence (mécanisme astucieux pour que l’énergie du « vide » suive en permanence celle de la matière) ad hoc ? Energie noire, constante cosmologique, etc.

18. L’énergie du vide est-elle la solution? Quelle que soit l’expansion de l’univers, il est toujours possible de trouver un champ et l’énergie du vide ad hoc : aucune prédictivité Aucune forme proposée n’a de justification indépendante, et aucune n’est une théorie des champs viable La (vraie) constante cosmologique doit être préalablement mise à zéro Les observations sont compatibles avec matière + constante, alors que toute l’idée d’exploiter l’énergie du vide est précisément de changer la « constante » Energie noire, constante cosmologique, etc.

19. Dimensions supplémentaires ? Une fluctuation quantique ? Retour à la constante cosmologique L’univers visible a un volume fini limité par un horizon de surface L2 Fluctuation d’énergie (DE)2 L2 =L2/L4Planck Fluctuation de densité Dr = DE/L3 = 1/L2L2Planck qui va bien… au lieu de 1/L4Planck qui pose problème © T. Padmanabhan Energie noire, constante cosmologique, etc.

20. Méditons sur les mystères de l’univers Energie noire, constante cosmologique, etc.