Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

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

Séminaire - Florent Leclercq - L'énergie noire avec Euclid

Intervenant(s) :

Yann Rasera

Observatoire de Paris

Résumé :

L'énergie noire représente l'un des plus grands mystères de la science actuelle : est-ce une constante cosmologique, un fluide exotique ou la manifestation d'une modification des lois de la gravité à grande échelle ? Pour répondre à cette question cruciale, il nous faut à la fois développer des théories explorant différents scénarios dans le cadre de la relativité générale et au-delà, mais aussi effectuer des relevés profonds de galaxies, dont la distribution est sensible à la nature de l'énergie noire.

Mais ce n'est malheureusement pas suffisant. Il est, en effet, crucial de construire un pont robuste entre théories et observations. À l'heure actuelle, l'outil le plus précis à notre disposition est la simulation numérique. Dans ce séminaire, j'exposerai ainsi l'apport fondamental des simulations numériques à la problématique de la nature de l'énergie noire.

Grâce à des modélisations de la formation des grandes structures de l'Univers, les scientifiques réalisent des expériences « in-silico », en variant les propriétés de l'énergie noire et en étudiant leurs conséquences sur la distribution des galaxies. En explorant des centaines d'univers simulés correspondant à autant de modèles d'énergie noire et en les comparant aux observations, les cosmologistes cherchent ceux qui sont compatibles avec le nôtre. Cette démarche leur permet de tirer des indices précieux dans notre quête de la compréhension de la nature de l'énergie noire.

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

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

07 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Perspectives à dix ans

Intervenant :

Françoise Combes

Professeur du Collège du France

Résumé

Le satellite Euclid, lancé en juillet 2023 par l'Agence spatiale européenne, va observer une grande partie du ciel pendant six ans, et identifier plus de dix milliards de galaxies à différentes époques. Il va utiliser plusieurs outils comme les lentilles gravitationnelles, les oscillations acoustiques baryoniques, le taux de croissance des structures, des amas de galaxies, les distorsions espace-redshift, pour lever le voile sur le secteur noir de l'Univers. Plusieurs expériences complémentaires vont suivre : le télescope Vera Rubin au Chili, ou le SKA, qui utiliseront des outils semblables, avec d'autres cibles. SKA va utiliser les sources radio, et la raie HI-21cm, cibles différentes des longueurs d'onde visible et infrarouge d'Euclid. La théorie de l'inflation pourrait être confirmée par la détection des ondes gravitationnelles primordiales, soit dans le fond cosmologique et les perturbations du mode-B, avec le rapport des perturbations tenseur/scalaire, soit par le réseau de pulsars avec SKA.

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

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

Séminaire - Yann Rasera - Nature de l'énergie noire : éléments de réponse dans les simulations cosmologiques

Intervenant(s) :

Yann Rasera

Observatoire de Paris

Résumé :

L'énergie noire représente l'un des plus grands mystères de la science actuelle : est-ce une constante cosmologique, un fluide exotique ou la manifestation d'une modification des lois de la gravité à grande échelle ? Pour répondre à cette question cruciale, il nous faut à la fois développer des théories explorant différents scénarios dans le cadre de la relativité générale et au-delà, mais aussi effectuer des relevés profonds de galaxies, dont la distribution est sensible à la nature de l'énergie noire.

Mais ce n'est malheureusement pas suffisant. Il est, en effet, crucial de construire un pont robuste entre théories et observations. À l'heure actuelle, l'outil le plus précis à notre disposition est la simulation numérique. Dans ce séminaire, j'exposerai ainsi l'apport fondamental des simulations numériques à la problématique de la nature de l'énergie noire.

Grâce à des modélisations de la formation des grandes structures de l'Univers, les scientifiques réalisent des expériences « in-silico », en variant les propriétés de l'énergie noire et en étudiant leurs conséquences sur la distribution des galaxies. En explorant des centaines d'univers simulés correspondant à autant de modèles d'énergie noire et en les comparant aux observations, les cosmologistes cherchent ceux qui sont compatibles avec le nôtre. Cette démarche leur permet de tirer des indices précieux dans notre quête de la compréhension de la nature de l'énergie noire.

Françoise Combes

Collège de France

Galaxies et cosmologie

Année 2024-2025

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

06 - Le secteur sombre de l'Univers : matière et énergie noires - Constante cosmologique ou champs scalaires

Intervenant :

Françoise Combes

Professeur du Collège du France

Résumé

Une constante cosmologique est toujours possible, d'après les observations actuelles : fonds cosmologique micro-onde, relevés de galaxies, etc. Mais le problème d'ajustement fin est trop contraignant, et ne permet pas de faire le lien avec l'inflaton, champ scalaire de la première époque de l'Univers. Un grand nombre de théories font appel à un champ scalaire, une quintessence avec une énergie noire dynamique dans le temps. Il existe deux grands types de solution, selon l'équation d'état P= w x densité: soit un dégel w=-1 au départ, puis w croît en restant inférieure à -0.7 ; soit une congélation, où w tend asymptotiquement vers -1. Les théories de gravité modifiée, pour rendre compte de l'énergie noire sont multiples : Soit f(R), Tenseur-scalaire, Tenseur-vectoriel, Formalisme général de Horndeski, Théorie holographique, issue du problème de l'information autour des trous noirs.

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

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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

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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

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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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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.