Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

Séminaire -Silvia Galli - Les contraintes du fond diffus cosmologique

Intervenant(s) :

Silvia Galli

IAP, Paris

Résumé :

Le fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background, CMB) est la lumière la plus ancienne que nous puissions observer, émise environ 380 000 ans après le Big Bang. Les observations du CMB révèlent de minuscules fluctuations de température. Ces anisotropies contiennent une mine d'informations sur la nature et la structure de l'Univers. Elles nous permettent de mesurer avec une précision inégalée des paramètres cosmologiques fondamentaux, tels que la densité de matière noire et d'énergie sombre. Le CMB est également un outil précieux pour tester les théories de la physique fondamentale. Il est sensible à un large éventail de phénomènes, allant des masses des neutrinos à la nature de la gravité. Les contraintes les plus strictes sur le CMB proviennent actuellement des données recueillies par le satellite Planck de l'ESA. Planck a permis de tester nos modèles de l'Univers avec une précision extrême, répondant à de nombreuses questions mais laissant également quelques mystères fondamentaux non résolus. Les expériences actuelles et futures sur le CMB, telles que le télescope du pôle Sud (SPT), l'observatoire Simons, CMB-S4, Litebird et d'autres, continueront de nous fournir des informations précieuses sur l'origine, l'évolution et la composition de notre cosmos.

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

05 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Contraintes sur l'énergie noire

Résumé

Plus de 95 % du contenu de l'Univers est noir ou inconnu : outre les 25 % faits de matière noire exotique, depuis vingt-cinq ans nous savons que l'expansion est accélérée, à cause de l'énergie noire qui représente 70 % du contenu. Les contraintes astrophysiques sont obtenues avec les meilleures sondes, les supernovae Ia, ensuite les sursauts gamma, les lentilles gravitationnelles fortes, ou les ondes gravitationnelles émises par les fusions de trous noirs. Pour l'instant, une constante cosmologique, comme introduite par Einstein, pourrait expliquer les observations. Toutefois, l'énergie du vide quantique a toujours une densité 50 à 100 ordres de grandeur supérieure à celle de l'énergie sombre de l'Univers. Si l'énergie noire est dynamique, elle pourrait être reliée à l'inflation des premiers instants de l'Univers. Ou bien faut-il faire appel à une gravité modifiée, qui pourrait aussi être compatible avec la mécanique quantique ? Il existe plusieurs tentatives : gravité uni-modulaire, super-symétrie (SUSY), théorie des cordes, holographie, gravité quantique à boucles.

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

Séminaire - Julien Lavalle - Nouvelles particules et détection indirecte

Intervenant(s) :

Julien Lavalle

LUPM-Montpellier

Résumé :

Notre compréhension des observations cosmologiques actuelles et de la formation des grandes structures de l'Univers (galaxies et au-delà) repose en partie, dans le modèle cosmologique standard, sur l'existence d'un fluide effectif de matière noire froide dans lequel les perturbations imprimées durant les phases très primordiales de l'Univers pourraient croître sous l'effet de la gravité, permettant ainsi la naissance et l'évolution des galaxies. Une question fondamentale demeure : quelle est la nature de ce fluide, et comment a-t-il été produit, si tant est qu'il s'agisse réellement d'une nouvelle forme de matière ? Des développements théoriques en physique des particules dite « au-delà du modèle standard » proposent des scénarios plausibles caractérisés par l'existence de nouvelles particules suffisamment stables pour jouer le rôle de la matière noire.

Dans ce séminaire, nous présenterons les classes de scénarios les plus prometteuses (WIMPs, axions ou scalaires légers, neutrinos stériles, etc.), et expliquerons comment les observations ou expériences présentes ou futures pourront les mettre en évidence ou les exclure. Nous verrons comment ces scénarios peuvent, sous certaines conditions, rendre aussi compte de potentielles anomalies aux petites échelles affectant la matière noire froide dans sa description la plus épurée. Enfin, nous nous demanderons dans quelle mesure ces nouvelles particules pourraient coexister avec d'hypothétiques trous noirs primordiaux, autres candidats potentiels à la matière noire.

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

04 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Candidats possibles pour la matière noire

Résumé

Il existe plusieurs contraintes cosmologiques pour trouver des candidats, venant des galaxies, des amas, mais aussi des contraintes de physique quantique, fermions ou bosons. La physique des particules nous indique une grande variété des candidats : les WIMPS, avec interaction faible, provenant de la super-symétrie (SUZY), dont la particule la plus stable est le neutralino ; les neutrinos stériles, qui pourraient avoir une masse de l'ordre de quelques keV ; les trous noirs primordiaux ; les axions, ou particules semblables aux axions, de masse de l'ordre de 10**(-21) eV. Uniquement des limites supérieures sont obtenues dans les expériences de détection directe ou indirecte. Une autre piste est celle de la gravité modifiée.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

Séminaire - Nabila Aghanim - Distribution de la matière à grande échelle

Intervenant(s) :

Nabila Aghanim

IAS-Orsay

Résumé :

Les avancées théoriques et observationnelles de l'astrophysique et de la cosmologie moderne nous permettent de savoir que l'Univers, aujourd'hui, est composé d'une fraction très faible (~5%) de matière ordinaire, le reste étant composé de constituants dont on ignore encore la nature, la matière noire et l'énergie noire.

Les observations révèlent que la matière à grande échelle est agencée en une gigantesque toile cosmique peuplée de galaxies. Elle est faite de vides, de murs et de filaments cosmiques à l'intersection desquels les nœuds renferment les structures gravitationnelles les plus grandes, amas de galaxies.

La distribution de la matière dans la toile cosmique est le résultat de la croissance hiérarchique des structures durant l'évolution de l'Univers depuis le Big Bang. Les relevés cosmologiques, en cartographiant le ciel, nous révèlent ainsi la distribution spatiale de la matière à travers l'histoire de l'Univers. Nous arpenterons la toile cosmique pour découvrir ce que la distribution de la matière à grande échelle nous apprend sur l'histoire croisée de l'évolution des structures et de l'Univers.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

03 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des groupes et amas

Résumé

Dans le Groupe local, la meilleure estimation de la masse est donnée par le théorème du Viriel. Les groupes compacts posent le problème de leur durée de vie. En fait, ils ne sont pas compacts depuis longtemps, selon les simulations. Dans les amas de galaxies, il y a plusieurs méthodes pour déterminer la masse : le Viriel, mais les vitesses des galaxies sont longues à obtenir ; l'équilibre hydrostatique du gaz chaud, émetteur X (si équilibre) ; les lentilles gravitationnelles fortes ; le cisaillement gravitationnel. Dans les cas de collisions violentes entre deux amas, il peut y avoir séparation entre matière noire et gaz, qui contient l'essentiel des baryons. Nous décrirons les relations d'échelle qui relient la luminosité, la température, et la masse des amas.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

Séminaire - Jonathan Freundlich - Défis à l'échelle des galaxies et alternatives à la matière noire froide

Intervenant(s) :

Jonathan Freundlich

Observatoire de Strasbourg

Résumé :

Le modèle cosmologique standard avec matière noire froide permet de rendre compte avec précision du fond diffus cosmologique et des structures à grande échelle de l'Univers, tandis que les simulations numériques fondées sur ce modèle reproduisent avec succès de nombreuses propriétés observées des galaxies. Cependant, certaines tensions persistent entre le modèle et les observations, ce qui pourrait en indiquer les limites.

En particulier, la relation de Tully-Fisher baryonique et des corrélations à plus petite échelle pourraient indiquer un couplage plus important entre matière baryonique et champ gravitationnel que ne le prévoit le modèle standard. De plus, les simulations ne s'accordent pas sur la répartition de la matière noire au sein des halos, et les observations révèlent une diversité inattendue des courbes de rotation des galaxies ainsi que la présence de plans de satellites, difficiles à expliquer dans le cadre du modèle. Par ailleurs, les simulations peinent à reproduire l'abondance des barres centrales dans les galaxies spirales et le contenu en gaz de ces galaxies.

Ces défis pourraient trouver une solution en affinant notre compréhension des processus de formation et d'évolution des galaxies. Toutefois, il se pourrait que les difficultés rencontrées soient de nature plus fondamentale. Des alternatives à la matière noire froide, comme la matière noire tiède, floue ou auto-interagissante, ou encore des modifications de la gravité, ont été proposées pour tenter de résoudre ces problèmes. Ces modèles offrent des perspectives intéressantes, mais soulèvent eux-mêmes de nouvelles questions.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

02 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - La matière noire à l'échelle des galaxies

Résumé

Dans les galaxies massives, la matière noire n'est sensible que dans les parties externes, c'est un halo noir. Le meilleur traceur pour les parties externes est le gaz atomique HI-21cm, qui trace la masse totale. Dans les parties internes, il faut faire appel aux raies du gaz ionisé (Halpha, NII) à haute résolution spatiale, de même que la raie de CO, traceur du gaz moléculaire, qui permettent dans les galaxies de faible masse de révéler une densité constante avec le rayon, et non une cuspide, comme prédit par le modèle standard CDM. Les courbes de rotation dépendent surtout des baryons ; il existe une courbe universelle en fonction du rayon normalisé au rayon effectif. La relation d'échelle de Tully-Fisher baryonique montre que les baryons et la matière noire sont intimement couplés.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

Séminaire - Vincent Vennin - Inflation et trous noirs primordiaux

Intervenant(s) :

Vincent Vennin

ENS-Paris

Résumé :

La théorie du Big Bang décrit un Univers en expansion, dans lequel de grandes structures se forment par effondrement gravitationnel. Ce sont les galaxies, filaments, murs et vides cosmiques qui nous entourent. Les embryons de ces structures sont les fluctuations quantiques du vide, modelées lors d'une phase d'expansion accélérée appelée « inflation ». Cette hypothèse radicale, qui suppose que tout élément structuré (galaxie, étoile, planète, être humain, etc.) procède de fluctuations quantiques dans l'Univers primordial, a été remarquablement confirmée par les mesures du fonds diffus cosmologique, lumière fossile que l'Univers a laissé échapper dans ses tout premiers instants. La possibilité que certaines de ces fluctuations anormalement grandes s'effondrent en trous noirs « primordiaux » a récemment reçu une attention accrue, car ces trous noirs pourraient constituer la matière noire de l'Univers. Nous reviendrons sur ces éléments clés de la cosmologie primordiale, et soulignerons quelques questions ouvertes qui constituent autant de pistes de recherche à explorer.

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires

01 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Les observations du secteur noir

Résumé

L'énergie sombre, ou la constante cosmologique Lambda, a été introduite par Einstein en 1917, pour décrire un modèle d'Univers statique. Très vite, Wolfgang Pauli essaie de l'interpréter comme l'énergie du vide quantique, extrapolé à l'Univers, mais s'aperçoit que les ordres de grandeur sont très loin de convenir. Plus tard, la masse manquante découverte dans les amas par F. Zwicky et dans les galaxies par V. Rubin donne lieu à de la matière noire exotique en 1984. De nombreuses expériences tentent de la détecter de façon directe ou indirecte depuis quarante ans. L'énergie sombre est redécouverte en 1998 par l'accélération de l'expansion. Des pistes pour résoudre la nature du secteur sombre seront mentionnées.

Françoise Combes

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Galaxies et cosmologie

Année 2023-2024

Séminaire : Étoiles et trous noirs - Les amas globulaires

Intervenant(s)

Paola di Matteo

Obs-Paris

Résumé :

Les amas globulaires sont des systèmes formés de centaines de milliers, voire de millions, d'étoiles, tenues ensemble par la gravité. Longtemps considérés des systèmes très simples, formés d'étoiles ayant toutes le même âge et les mêmes propriétés chimiques, ils révèlent aujourd'hui une complexité qui reste encore inexpliquée. Dans notre Galaxie, plus de 150 amas globulaires sont recensés. Ils nous aident à comprendre la formation et l'évolution de la Voie lactée, ainsi que la façon dont la matière visible et noire y sont distribuées.