Les nouvelles contraintes sur l'inflation apportées par WMAP

Publié par Michel le 03/04/2008 à 00:00
Source et illustrations: Observatoire de Paris
Une nouvelle analyse des données du satellite WMAP et des grandes structures apporte des contraintes intéressantes à la théorie de l'inflation.

Les ondes gravitationnelles primordiales sont une prévision robuste de l'inflation car elles sont produites par le même mécanisme qui a produit les fluctuations primordiales de 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 référence est l'eau pure...) observées dans 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 fond cosmologique (CMB) et des grandes structures (LSS).

Récemment, une équipe de théoriciens de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant...) ainsi que Claudio Destri de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Milano-Bicocca a effectué une nouvelle analyse de toutes les données disponibles du CMB et des LSS comprenant les données de WMAP et Sloan, et favorise un modèle d'inflation où existent des ondes gravitationnelles primordiales: le rapport r entre ces ondes et les fluctuations de densité est non nul dans leur modèle. Jusqu'à présent, seulement des limites supérieures ont été trouvées pour ce rapport, la dernière étant r < 0,20 dans les résultats WMAP à 5 ans (mars 2008). Dans le cadre de leur modèle, l'équipe obtient le potentiel d'inflation qui donne les meilleurs ajustements aux données ainsi que la valeur la plus probable pour le rapport r= 0,055. Cette valeur pourrait être mesurée dans les prochaines observations du CMB.

Les données de WMAP ont joué un rôle essentiel en établissant le modèle standard de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Ce modèle explique aujourd'hui un grand ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de mesures cosmologiques et astronomiques effectuées sur un grand domaine de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) et d'outils d'observation (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...): anisotropies du CMB, abondance des éléments légers, observations des grandes structures (LSS) et propriétés des amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de galaxies, même si la frontière entre groupe et amas n'est pas clairement...), mesures de la constante de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un...), accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant la...) de l'expansion d'univers mesurée par les supernovae, et d'autres mesures. La concordance de ces données implique que notre univers est plat, avec des perturbations cosmologiques décrites par la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) de relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une...) d'Einstein dans trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou...) spatiales. Notre univers est actuellement dominé par 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.) noire (72%) équivalente à une constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie...), complétée par de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment indétectable,...) (environ 23,4 %), et des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...) (4,6 %), avec des fluctuations de densité engendrées par un processus initial gaussien, invariant d'échelle, et adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans qu'aucun échange de chaleur n'intervienne entre le système étudié...) (inflation). L'énergie noire agit comme une forme d'anti-gravité et est responsable de l'accélération actuelle de l'expansion de l'univers. La 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...) noire est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à...) des atomes, n'émet pas de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) et elle n'est détectée que par gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). L'inflation est l'étape primordiale de l'expansion accélérée de l'univers, dans laquelle sa taille croît d'un facteur 10^26. L'inflation dure approximativement 10^-34 secondes et se termine au redshift 10^28.

Les fluctuations du CMB sont expliquées par l'inflation et le modèle de concordance. Les fluctuations quantiques microscopiques à l'échelle de l'inflation de 10^-27 cm évoluent en fluctuations macroscopiques aujourd'hui, aux échelles de 1000 Mpc = 10^27 cm. Une telle transition entre fluctuations microscopiques et macroscopiques est le caractère propre de l'inflation.

L'inflation est décrite par un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un pseudoscalaire, qui est...) (l'inflaton) qui contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du facteur d'échelle de l'univers. L'inflation résout des problèmes importants de la théorie standard du Big-Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui...), et fournit un mécanisme générique pour engendrer des perturbations scalaires (densité) et tensorielles (onde gravitationnelle).

Les ondes gravitationnelles primordiales sont une prévision robuste de l'inflation car elles sont produites par le même mécanisme qui a produit les fluctuations primordiales de densité observées dans les données du fond cosmologique (CMB) et des grandes structures (LSS). Récemment, l'équipe a effectué une nouvelle analyse avec MCMC (Monte Carlo et chaînes de Markov) de toutes les données disponibles du CMB et des LSS comprenant les données de WMAP et Sloan. Cette nouvelle analyse est réalisée dans la nouvelle approche de l'inflation comme théorie efficace dans l'esprit de Ginsburg-Landau, i.e. avec des potentiels trinomiaux du quatrième degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) dans le champ d'inflaton. L'approche de Ginsburg-Landau est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une...) puissant dans la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) de particules élémentaires (physique des mésons pi) et la physique de la matière condensée (superconductivité et transitions de phase). Dans cette nouvelle analyse, la forme précise du potentiel inflationaire est construite en ajustant les données de WMAP et de LSS.

L'équipe dérive des formules explicites pour les observables de CMB et les étudie: l'indice spectral ns des fluctuations de densité, le rapport r des fluctuations tensorielles / scalaires, et l'indice courant d ns / d ln k . Ces formules analytiques ont été présentées en tant que contraintes dures sur ns et r dans le programme numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information...) de l'analyse MCMC. Cette analyse de données diffère dans cet aspect crucial de toutes les analyses de données précédentes, en particulier de l'analyse de l'équipe WMAP (mars 2008).

Dans le cadre de leur modèle, les nouveaux résultats de l'équipe sont les suivants:

- Les données indiquent fortement la brisure (spontanée ou explicite) de la symétrie des potentiels d'inflation
- Le potentiel trinomial d'inflaton avec deux minima (c'est à dire le puits de potentiel double) répond naturellement à cette exigence et fournit le meilleur ajustement aux données
- Le potentiel symétrique d'inflaton avec seulement un minimum (potentiel avec le terme quadratique positif) est presque certainement éliminé (au CL de 95%)
- Le potentiel trinomial préféré d'inflation est un double puits, fonction paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) du champ avec un couplage quartique modéré y avec les valeurs les plus probables: ns ~ 0,958 r ~ 0,055 . Cette valeur de r est à la portée des prochaines observations du CMB
- Une limite inférieure pour r est trouvée: r > 0,016 (95% CL) et r > 0,049 (68% CL). Ceci prouve que la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de fluctuations tensorielles (ondes gravitationnelles primordiales) est non nulle, dans ce modèle. C'est un résultat important car jusqu'à présent seulement des limites supérieures pour r ont été trouvées, la dernière étant r < 0,20 (CL de 95%). De plus, la limite inférieure sur r sera encore précisée avec l'utilisation de WMAP 5 et les prochaines données du CMB.

La Figure 1 montre r vs. ns pour des valeurs fixes du paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) h d'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) du potentiel d'inflaton. Les courbes rouges correspondent au potentiel à minimum simple tandis que les courbes noires correspondent au potentiel à puits double: la région de forme banane ((ns,r)) trouvée par l'équipe.


Figure 1: Inflation trinomiale. Graphe de r vs. ns
pour des valeurs fixes du paramètre d'asymétrie (h) du potentiel.
Les courbes rouges correspondent au potentiel à minimum simple
tandis que les courbes noires correspondent au potentiel à puits double.
Les régions de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) correspondent à 12%, 27%, 45%, 68 % et 95% de niveaux
de confiance (CL) selon WMAP et les données Sloan.
Les couleurs sont plus claires pour des CL plus élevés.
L'inflation à puits double couvre la région en forme de banane entre les courbes noires,
pour lesquelles les valeurs les plus probables de r sont non nulles.
Des limites inférieures pour r sont déduites de l'analyse:
r > 0,016 (95% CL) et r > 0,049 (68% CL).

La Figure 2 montre les distributions de probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de...) marginalisées (normalisées pour avoir un maximum égal à un) des paramètres cosmologiques les plus appropriés. Les courbes solides bleues représentent la nouvelle analyse, les pointillés rouges celle de l'équipe WMAP. La différence est marquée pour les observables ns et r. Pour les autres paramètres cosmologiques, les deux analyses concordent.


Comparaison des distributions de probabilité marginalisées
des paramètres cosmologiques les plus appropriés,
entre la présente analyse du CMB et LSS par l'équipe,
incluant l'inflation (courbes bleues solides)
et l'analyse précédente par l'équipe WMAP (courbes rouges pointillées).
La différence est marquée pour les observables ns et r.
Pour les autres paramètres cosmologiques, les deux analyses concordent.

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