Au cours de la dernière décennie, la cosmologie est entrée dans une ère de grande précision, et constitue désormais un champ d’expérimentation précieux et unique pour tester les théories de la physique fondamentale, depuis la théorie de la gravitation jusqu’aux lois de la physique microscopique. Parmi les questions auxquelles cette science est confrontée, une des plus importantes est celle du contenu énergétique de l’Univers. Savoir exactement de quoi est composé l’Univers et en quelles proportions permet non seulement de lui donner un âge, de décrire son évolution passée et future, mais également de trancher scientifiquement la question de sa finitude ou celle de sa fin. Et inversement, une évolution supposée d’un Univers à géométrie donnée n’admet qu’un contenu énergétique fixé. C’est cette équivalence entre contenu énergétique et propriétés spatio-temporelles de l’Univers qui a conduit les cosmologistes aux deux découvertes parmi les plus mystérieuses et les plus prometteuses de l’histoire de la physique moderne : l’existence de la matière noire et de l’énergie sombre. Alors que la matière noire est inévitable pour expliquer à la fois les fluctuations angulaires du rayonnement fossile, la formation et les propriétés des galaxies, l’énergie sombre a quant à elle été invoquée originellement pour rendre compte de l’accélération de l’expansion cosmique observée dans les derniers milliards d’années de son histoire. Le modèle de concordance de la cosmologie avance que cette énergie sombre est l’oeuvre de la constante cosmologique introduite par Einstein pour tenter d’incorporer le principe de Mach en relativité générale. Or l’interprétation habituelle de la constante cosmologique comme énergie du vide quantique conduit à un désaccord historique entre la théorie et l’expérience de plusieurs dizaines d’ordres de grandeur ! De plus, l’énergie du vide est supposée constante partout et toujours. Dès lors, comment se fait-il qu’elle devienne observable précisément aujourd’hui ? Ceci laisserait croire que nous vivons à une époque fort particulière, voire privilégiée, de l’histoire cosmique. Est-ce une formidable coïncidence ou est-ce autre chose ?

Figure 1 : Diagramme de Hubble des supernovae lointaines et prédictions théoriques pour le modèle de concordance (Ωm=0.3, ΩΛ=0.7 ; pointillés) et le modèle de matière noire anormalement pesante (trait plein). Les deux modèles rendent compte du diagramme de Hubble des supernovae lointaines avec une précision remarquable. (En bleu, les données de la collaboration SNLS et en rouge les données du HST ; cf. P. Astier et al., Astron. Astrophys. 447 (2006) et Riess A.G. et al., ApJ 607 (2004), 665-687). Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Figure 1 : Diagramme de Hubble des supernovae lointaines et prédictions théoriques pour le modèle de concordance (Ωm=0.3, ΩΛ=0.7 ; pointillés) et le modèle de matière noire anormalement pesante (trait plein). Les deux modèles rendent compte du diagramme de Hubble des supernovae lointaines avec une précision remarquable. (En bleu, les données de la collaboration SNLS et en rouge les données du HST ; cf. P. Astier et al., Astron. Astrophys. 447 (2006) et Riess A.G. et al., ApJ 607 (2004), 665-687). Cliquer sur l’image pour l’agrandir En vue de surmonter ces difficultés, les auteurs de cette recherche ont proposé l’hypothèse AWE (pour « Abnormally Weighting Energy ») dans laquelle le secteur sombre de la matière cosmique viole le principe d’équivalence aux échelles cosmologiques. Ce principe, également introduit par Einstein, suppose que toutes les formes d’énergie produisent et subissent la gravitation de la même manière. Il est très précisément satisfait (à une précision de 1 pour 1000 milliards) en laboratoire, c’est-à-dire aux échelles locales. Que se passerait-il si, toutefois, la validité du principe d’équivalence dépendait de l’échelle considérée ? En d’autres termes, qu’adviendrait-il si le principe d’équivalence pouvait être rigoureusement vérifié aux échelles locales où justement matière noire et énergie sombre sont fort peu présentes et si au contraire il était violé aux échelles cosmologiques où matière noire et énergie sombre dominent. Les auteurs ont précisément montré que ceci pouvait naturellement apparaître, si un ensemble de particules, la matière noire par exemple, ne couplait pas à la gravitation de la même manière que la matière ordinaire. Ces particules de fait admettraient alors une nouvelle constante de la gravitation de Newton alors que la constante de gravitation de Newton associée à la matière ordinaire, celle qui est observée, deviendrait dépendante de la concentration en matière noire à l’échelle considérée.

Figure 2 : Vraisemblance de divers paramètres cosmologiques pour le modèle de matière noire anormalement pesante (à partir des données de SNLS). Le maximum de vraisemblance est obtenu pour un âge d’environ 16 milliards d’années (contre 13 milliards d’années pour le modèle de concordance), Ωm=0.05, ΩAWE=0.14 et ΩDE=0.76. Ce résultat permet d’identifier a posteriori, et avec l’analyse des supernovae seulement, la matière ordinaire aux baryons, la matière AWE à la matière noire froide et l’énergie noire aux termes dus à la variation du couplage gravitationnel. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Figure 2 : Vraisemblance de divers paramètres cosmologiques pour le modèle de matière noire anormalement pesante (àpartir des données de SNLS). Le maximum de vraisemblance est obtenu pour un âge d’environ 16 milliards d’années (contre 13 milliards d’années pour le modèle de concordance), Ωm=0.05, ΩAWE=0.14 et ΩDE=0.76. Ce résultat permet d’identifier a posteriori, et avec l’analyse des supernovae seulement, la matière ordinaire aux baryons, la matière AWE àla matière noire froide et l’énergie noire aux termes dus àla variation du couplage gravitationnel. Cliquer sur l’image pour l’agrandir Nous savons que la concentration en matière noire est infime aux échelles sub-galactiques. La violation du principe d’équivalence attendue à cette échelle y est donc extrêmement ténue. Toutefois, il n’en sera pas de même aux échelles cosmologiques où la matière noire domine le contenu énergétique de l’Univers. A ces échelles, la matière ordinaire ressent alors une expansion cosmique de plus en plus importante, au fur et à mesure que sa constante de gravitation s’adapte à la domination de la matière noire. L’expansion cosmique résultante est donc accélérée jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint où la constante de gravitation aux échelles cosmologiques est différente de sa valeur dans le système solaire. Le mécanisme d’énergie sombre ainsi construit possède des propriétés remarquables et très prometteuses. (i) Il ne nécessite pas de pressions négatives comme c’est le cas avec la constante cosmologique ou toute autre généralisation comme par exemple la quintessence. (ii) Il permet d’expliquer naturellement la coïncidence cosmique grâce au mécanisme de stabilisation de la constante de gravitation durant l’ère cosmique dominée par la matière. (iii) Il rend compte des données observationnelles sur les supernovae lointaines (cf. Figure 1) en prédisant indépendamment la proportion de matière ordinaire et de matière noire telle qu’elle est donnée par ailleurs en analysant le rayonnement fossile. Ceci suggère une explication à la remarquable adéquation du modèle de concordance tout en prédisant également un âge de l’Univers en accord avec les observations (voir Figure 2). Enfin, (iv) ce mécanisme se termine de lui-même dans le futur par une expansion cosmique décélérée décrite par le traditionnel modèle cosmologique d’Einstein-de Sitter (Figure 3). Mais, avant tout, cette hypothèse permet de réduire l’énergie sombre à une nouvelle propriété de la gravitation : la pesanteur anormale induite par la matière noire.

Figure 3 : Evolution passée et future de l’expansion cosmique dans les deux modèles de la figure 1. Alors que la constante cosmologique conduit à une expansion exponentielle jamais décélérée dans l’avenir, le modèle AWE conduit à un Univers purement matériel en expansion décélérée après un rééquilibrage de la constante de gravitation aux échelles cosmologiques. Ce rééquilibrage est visible dans le facteur d’expansion par les oscillations dans la courbe en trait plein. La pesanteur anormale de la matière noire allonge d’environ 2 milliards d’années l’âge de l’Univers par rapport à une constante cosmologique. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Figure 3 : Evolution passée et future de l’expansion cosmique dans les deux modèles de la figure 1. Alors que la constante cosmologique conduit àune expansion exponentielle jamais décélérée dans l’avenir, le modèle AWE conduit àun Univers purement matériel en expansion décélérée après un rééquilibrage de la constante de gravitation aux échelles cosmologiques. Ce rééquilibrage est visible dans le facteur d’expansion par les oscillations dans la courbe en trait plein. La pesanteur anormale de la matière noire allonge d’environ 2 milliards d’années l’âge de l’Univers par rapport àune constante cosmologique. Cliquer sur l’image pour l’agrandir Pour en savoir plus : Les auteurs : Jean-Michel Alimi est directeur de recherches au C.N.R.S. et directeur du Laboratoire Univers et Théories (LUTh) de l’Observatoire de Paris. André Füzfa est chargé de Recherches F.N.R.S. au Groupe d’Applications des Mathématiques aux SCiences du COsmos (GAMASCO, Université de Namur, Belgique) et chercheur associé au Laboratoire Univers et Théories de l’Observatoire de Paris. Références : A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’Dark Energy as a Born-Infeld Gauge Interaction Violating the Equivalence Principle’, Phys. Rev. Lett. 97, 061301 (2006) A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’Non-Abelian Einstein-Born-Infeld-Dilaton Cosmology’, Phys.Rev. D73 (2006) 023520 J.-M. Alimi, A. Füzfa, ’Is Dark Energy Abnormally Weighting ?’, Proceedings of the International Workshop "From Quantum to Cosmos : Fundamental Physics Research in Space", held in Washington, DC, USA, May 2006 A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’Is Dark Energy Abnormally Weighting ?’, Proceedings of the SF2A 2006 Conference, held in Paris, France, June 2006, astro-ph/0609099 A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’An Awesome Hypothesis for Dark Energy : The Abnormally Weighting Energy’, Proceedings of the 11th Marcel Grossmann Conference, held in Berlin, Germany, July 2006, gr-qc/0702085

Référence Toward a Unified Description of Dark Energy and Dark Matter from the AWE Hypothesis André Füzfa (FNRS, Belgique), Jean-Michel Alimi (LUTh, Obs-Paris) Phys Rev D

Contact Jean-Michel Alimi (Observatoire de Paris, LUTh et CNRS )

Dernière modification le 22 février 2013

In the past decade, cosmology has entered an era of high precision, and in the future it may become a unique laboratory to test theories of fundamental physics, from gravitation laws to microphysics. Amongst the many questions raised by this science in turmoil, one of the most important is indisputably the one of the energy content of the Universe. Knowing what the Universe is precisely made of, and in which proportions, allows not only to determine its age but also to reconstruct the history, to predict its past and future. In fact in the attempt to solve this question cosmologists have made two of the most promising discoveries in the history of modern physics : the existence of dark matter and dark energy. While dark matter is unavoidable to explain at the same time the angular fluctuations of the cosmic microwave background and the formation and the properties of galaxies, dark energy has been originally invoked to account for the observed recent acceleration of the cosmic expansion. The so-called concordance model of cosmology assumes that this dark energy is in fact the cosmological constant once introduced by Einstein himself as an attempt to incorporate Mach’s principle within general relativity. However, the usual interpretation of the cosmological constant in terms of quantum vacuum fluctuations is in disagreement with observed value by a few dozens orders of magnitude ! Furthermore, as the vacuum energy is assumed constant everywhere at all times, it is hard to explain how it became dominant only a few billion years ago. This would mean that we live in a very particular, and even privileged, epoch of cosmic history. Is this an extraordinary coincidence ? Yet this anthropic consideration is quite deceiving for scientists.

Figure 1 : Diagramme de Hubble des supernovae lointaines et prédictions théoriques pour le modèle de concordance (Ωm=0.3, ΩΛ=0.7 ; pointillés) et le modèle de matière noire anormalement pesante (trait plein). Les deux modèles rendent compte du diagramme de Hubble des supernovae lointaines avec une précision remarquable. (En bleu, les données de la collaboration SNLS et en rouge les données du HST ; cf. P. Astier et al., Astron. Astrophys. 447 (2006) et Riess A.G. et al., ApJ 607 (2004), 665-687). Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Figure 1 : Hubble Diagram of far-away supernovae and theoretical predictions for the concordance model (Ωm=0.3, ΩΛ=0.7 ; dashed line) and the AWE dark matter model (solid line). Both models account fairly for observed data. (In blue, data from the SNLS collaboration and in red data from the HST gold sample ; cf. P. Astier et al., Astron. Astrophys. 447 (2006) and A.G. Riess et al., ApJ 607 (2004), 665-687). Click on the image to enlarge it To overcome these difficulties, the authors have proposed the AWE Hypothesis (« Abnormally Weighting Energy ») in which the dark sector of cosmic matter violates the equivalence principle on cosmological scales. This principle, as well introduced by Einstein, assumes that all kind of energies produce and undergo the same form of gravity. This principle is extremely well tested (to a part out of a thousand billion) in laboratories, i.e. at local scales in contrast what would happen if violation of the equivalence principle would be scale-dependant ? In other words, what would happen if the equivalence principle was rigorously verified at local scales, where dark matter and dark energy are present in tiny amount, but is violated on cosmological scales where dark matter and dark energy are dominant ? The authors have precisely shown that this could naturally happen if some particles, those of dark matter for instance, do not couple to gravitation in the same way as ordinary matter. These particles would therefore see gravitational fields with a gravitational strength different from ordinary matter. The authors have answered these questions by showing how at a given scale the gravitational strength becomes dependent on dark matter concentration.

Figure 2 : Vraisemblance de divers paramètres cosmologiques pour le modèle de matière noire anormalement pesante (à partir des données de SNLS). Le maximum de vraisemblance est obtenu pour un âge d’environ 16 milliards d’années (contre 13 milliards d’années pour le modèle de concordance), Ωm=0.05, ΩAWE=0.14 et ΩDE=0.76. Ce résultat permet d’identifier a posteriori, et avec l’analyse des supernovae seulement, la matière ordinaire aux baryons, la matière AWE à la matière noire froide et l’énergie noire aux termes dus à la variation du couplage gravitationnel. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Figure 2 : Likelihood of various cosmological parameters for the AWE dark matter model (from SNLS data). The maximum likelihood is obtained for an age of about 16 billion years (against 13 billions for the concordance model), and corresponds to a model with Ωm=0.05, ΩAWE=0.14 et ΩDE=0.76. This result allows identifying from supernovae alone, and a posteriori, ordinary matter to baryons, AWE to cold dark matter and dark energy to terms resulting from the variation of the gravitational strength. Click on the image to enlarge it If the amount of dark matter at sub-galactic scales is negligible, so is the amplitude of this effect. This is not the case on cosmological scales where dark matter dominates the energy content of the Universe. Our team has shown that over such cosmic distances, ordinary matter has experienced a stronger cosmic expansion, as its own gravitational coupling strength has been adapting to the dark matter domination. This change in the matter gravitational coupling results in an accelerating cosmic expansion until equilibrium is reached such that the gravitational coupling on cosmological scales stabilizes at a value which differs from the one measured in our Solar system. The resulting dark energy mechanism exhibits key features which appear very promising. (i) First, it does not require the existence of negative pressures such as in the case of the cosmological constant or other proposed models like quintessence. (ii) It allows explaining naturally the cosmic coincidence as result of the stabilization mechanism of the gravitational constant during the matter-dominated era. (iii) It fairly accounts for the Hubble diagram of type Ia supernovae (Figure 1) by predicting independently the amount of ordinary matter and dark matter as obtained by the detailed analysis of cosmic microwave background anisotropies. This suggests an explanation to the remarkable adequacy of the concordance model while predicting an age of the Universe which is compatible with existing observations (Figure 2). Finally, (iv) in the future this mechanism leads to a decelerated cosmic expansion described by the well-known Einstein-de Sitter cosmological model (Figure 3). Most important is the AWE hypothesis allows reducing dark energy as a new property of gravitation : the anomalous gravity of dark matter.

Figure 3 : Evolution passée et future de l’expansion cosmique dans les deux modèles de la figure 1. Alors que la constante cosmologique conduit à une expansion exponentielle jamais décélérée dans l’avenir, le modèle AWE conduit à un Univers purement matériel en expansion décélérée après un rééquilibrage de la constante de gravitation aux échelles cosmologiques. Ce rééquilibrage est visible dans le facteur d’expansion par les oscillations dans la courbe en trait plein. La pesanteur anormale de la matière noire allonge d’environ 2 milliards d’années l’âge de l’Univers par rapport à une constante cosmologique. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Figure 3 : Past and future evolution of cosmic expansion for the models plotted in figure 1. While the cosmological constant leads to an eternal exponential expansion in the future, the AWE Dark Matter ends up with a matter-decelerated expansion when its balancing action on the large-scale gravitational coupling becomes negligible. This balancing action can be seen as the future oscillations in the scale factor (solid line). The age of the Universe is about 3 billion years older for the AWE hypothesis than for the concordance model. Click on the image to enlarge it Further information : The authors : Jean-Michel Alimi is Research director at CNRS and head of the Laboratory Universe and Theories (LUTh) at the Observatory of Paris. André Füzfa is F.N.R.S. post-doctoral Research Fellow at GAMASCO (University of Namur, Belgium) and associated researcher at the Observatory of Paris.

References : A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’Dark Energy as a Born-Infeld Gauge Interaction Violating the Equivalence Principle’, Phys. Rev. Lett. 97, 061301 (2006) A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’Non-Abelian Einstein-Born-Infeld-Dilaton Cosmology’, Phys.Rev. D73 (2006) 023520 J.-M. Alimi, A. Füzfa, ’Is Dark Energy Abnormally Weighting ?’, Proceedings of the International Workshop "From Quantum to Cosmos : Fundamental Physics Research in Space", held in Washington, DC, USA, May 2006 A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’Is Dark Energy Abnormally Weighting ?’, Proceedings of the SF2A 2006 Conference, held in Paris, France, June 2006, astro-ph/0609099 A. Füzfa, J.-M. Alimi, ’An Awesome Hypothesis for Dark Energy : The Abnormally Weighting Energy’, Proceedings of the 11th Marcel Grossmann Conference, held in Berlin, Germany, July 2006, gr-qc/0702085

Reference Toward a Unified Description of Dark Energy and Dark Matter from the AWE Hypothesis André Füzfa (FNRS, Belgique), Jean-Michel Alimi (LUTh, Obs-Paris) Phys Rev D

Contact Jean-Michel Alimi (Observatoire de Paris, LUTh et CNRS )

Dernière modification le 4 mars 2013