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Posté par Adrien le Lundi 05/09/2016 à 00:00
De nouvelles contraintes sur la cosmologie et la gravité grâce aux vides cosmiques
Une équipe internationale de scientifiques, dont deux chercheuses du Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS/Aix-Marseille Université), a mis en évidence de nouvelles contraintes sur la relativité générale – la théorie de la gravitation d'Einstein – à l'aide des vides cosmiques. Les vides cosmiques sont des zones de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) où la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et possède...) est très faible, l'espace y est donc quasiment vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). S'appuyant sur les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) du programme de relevés Sloan digital sky survey (SDSS-III), les chercheurs ont validé une nouvelle fois les prédictions de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) générale. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters du 25 août 2016.

La matière dans l'univers est organisée dans l'espace en quatre types de structures: amas, murs, filaments, et vides cosmiques. Ces derniers occupent près de 75 % du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de l'univers. Leur contenu en matière, sombre ou lumineux, est concentré de manière prédominante sur leur bord. Le reste de la matière contenue dans la partie centrale de ces vides est attiré vers cette frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut...), ce qui entraîne une diminution de la quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques élémentaires. L'unité qui lui correspond est la mole.) avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Ces vides comportent néanmoins quelques galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.) qui permettent d'illuminer leur comportement dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :). Ces caractéristiques font de ces objets des "laboratoires" de choix pour étudier la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) ainsi que l'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers et exerçant une pression négative se comportant comme une force gravitationnelle répulsive. L'énergie sombre pourrait expliquer...).

Les vides cosmiques: composants majeurs du volume de l'univers encore peu exploités Depuis une dizaine d'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) des chercheurs de la collaboration ont développé de nouvelles techniques d'analyse qui permettent d'exploiter ces régions particulières de l'Univers, afin d'extraire des informations cosmologiques, et plus particulièrement des contraintes sur la physique de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sombre. Ces techniques s'appuient sur la vitesse (On distingue :) apparente totale des galaxies qui s'échappent d'un vide cosmique "moyen". Cette vitesse est induite par deux phénomènes physiques. Une partie est due à la vitesse d'expansion de l'Univers qui dépend de l'éloignement du vide considéré depuis l'observateur (aussi nommé effet "Alcock-Paczynski"). L'autre partie provient des mouvements engendrés par le contenu matériel du vide cosmique lui-même, c'est-à-dire principalement l'expulsion de la matière vers la limite du vide (effet "Kaiser").


Image illustrant les grandes structures de l'Univers obtenue grâce à une simulation à "N-corps" (simulation d'un système dynamique de particules auto-gravitantes). Les régions brillantes sont riches en matière. On peut remarquer la filamentation prononcée de la matière. Les vides cosmiques sont aussi clairement visibles (régions noires/sombres) © N. Hamaus/Ludwig Maximilian University of Munich.

De nouvelles contraintes sur la gravitéLes chercheurs ont appliqué cette technique aux galaxies composant le Sloan Digital sky survey III, un relevé profond de plus d'un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui...) de galaxies du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) de l'hémisphère Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). En mesurant soigneusement les caractéristiques moyennes des vides cosmiques qui y ont été identifiés, les chercheurs ont pu réaliser des mesures aboutissant à des contraintes sur les paramètres cosmologiques et du couplage entre la matière et le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravité. Ces contraintes vont au-delà de celles existantes tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en restant complémentaires. Elles donnent accès à de l'information sur la physique du Cosmos à une échelle de l'ordre de quelques dizaines de millions d'années-lumière. Les autres indicateurs du champ de gravité en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) s'appuient sur des échelles de l'ordre du milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent...) d'années-lumière (comme, par exemple, pour le fond diffus cosmologique) ou au contraire quelques milliers d'années-lumière (pour les galaxies).

Par ailleurs, cette nouvelle méthode permet de tester la gravité dans des environnements isolés et peu denses. Les résultats confirment le succès de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie...) à rendre compte des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...). De futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) relevés profonds de galaxies (comme ceux attendus d'Euclid) permettront d'obtenir des contraintes sans précédent sur la relativité dans des régimes encore inexplorés à l'aide des vides cosmiques, notamment grâce aux 50 millions de galaxies et à une couverture en volume 10 fois plus grande.


Profil moyen de densité de matière pour un vide cosmique (couleurs d'arrière-plan, de bleu, indiquant la densité la plus faible, à rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.), correspondant à la densité la plus élevée), auquel sont superposées des lignes de niveaux de densité pour illustrer la déformation induite par la vitesse d'échappement des objets situés à l'intérieur © N. Hamaus/Ludwig Maximilian University of Munich).

Référence N. Hamaus et al., "Constraints on Cosmology and Gravity from the Dynamics of Voids", Physical review letters 117, 091302, 25 août 2016.

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Source: CNRS-IN2P3