Jean-Paul Baquiast 23/06/2016
Thomas Buchert est professeur d'astrophysique au Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, dépendant de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon. Il a déjà publié, seul ou avec des collègues, un nombre remarquable d'articles concernant les grandes discussions actuelles en astrophysique. On en trouve les références sur son site (voir ci-dessous)
Depuis quelques années, il a abordé un problème de plus en plus à l'ordre du jour en cosmologie. On pourrait le résumer de la façon suivante. Si l'on considère, en application du Principe dit Cosmologique, que l'Univers est identique à lui-même, quelque soit le point et l'époque de l'observation, les observations astrophysiques récentes ne permettent pas d'expliquer d'une part la force de la gravité permettant d'assurer la cohésion des galaxies et d'autre part la vitesse d'expansion de l'univers, laquelle se serait brutalement accélérée il y a environ 5 milliards d'années.
La force de gravité résultant des équations de la Relativité générale d'Einstein devrait être uniforme en quelque temps et en quelque lieu que ce soit dans l'univers. Or il est aujourd'hui constaté que cette force, telle qu'elle avait été évaluée dans les modèles d'univers précédents, serait insuffisante pour maintenir les systèmes cosmologiques (galaxies, amas de galaxies et même systèmes solaires) dans la forme que l'on observe. Dans ces systèmes, la force centrifuge résultant de leur rotation aurait du depuis longtemps provoqué leur dispersion. Pour expliquer que ce ne soit pas le cas, les théoriciens ont imaginé l'existence d'une matière noire, invisible avec nos instruments, présentes au sein des galaxies et constituées de particules qui n'ont pas encore été découvertes. Celles-ci, additionnées aux particules de la matière ordinaire, constitueraient une masse suffisante pour d'opposer aux effets centrifuges de la rotation.
Il devrait être de même de la vitesse d'expansion de l'univers, constatée quelques instants après le Big Bang dans l'hypothèse de l'inflation cosmologique et qui devrait en principe ralentir progressivement. Or l'on constate que l'expansion, loin de ralentir, s'est depuis accélérée, pouvant conduire d'ailleurs à un univers de plus en plus dispersé et de moins en mois dense, au contraire de l'hypothèse dite du Big Crunch. Mais là encore il faudrait découvrir l'énergie qui à l'échelle de l'univers, serait responsable de cette expansion accélérée. Comme les modèles explicatifs actuels ne permettent pas de le faire, la force en question a été nommée énergie noire.
Dans des articles précédents, nous avons évoqué ces deux hypothèses, matière noire et énergie noire, tout en constatant que les cosmologistes s'accommodent faute de mieux du vide explicatif mettant en défaut la force de gravité. On pourrait penser que tous les efforts de la cosmologie, théorique et observationnelle, devraient être appliqués pour résoudre ce double mystère, mais à l'impossible nul n'est tenu. Le mystère demeure.
La MOND
Il existe cependant depuis quelques années des hypothèses selon lesquelles la force de gravité, contrairement à ce qu'implique le principe cosmologique, ne serait pas uniforme dans l'univers. On parle souvent de MOND ou Modified Newtonian dynamics. Nous avons mentionné précédemment un certain nombre d'articles et même d'ouvrages développant cette hypothèse et ses conséquences. En résumant beaucoup, la MOND exploite l'idée présentée par Einstein et depuis abondamment vérifié, que la masse courbe l'espace environnant. Dans un univers où les masses se sont de moins en moins uniformément réparties, comme le montrent les observations du fond diffus cosmologique ou fond diffus micro-ondes, les dernières en date venant d'être produites par le satellite Planck, on peut imaginer que des gravités différentes, résultant de masses et de courbures d'espace différentes, se seraient progressivement installées.
Dans de tels « sous-espaces », si l'on peut se permettre le terme, les forces de gravité seraient de plus en plus fortes selon la concentration des masses. Point ne serait alors besoin d'imaginer une matière noire assurant la cohésion des galaxies et amas de galaxies. La gravité modifiée y régnant du fait de leur masse globale serait suffisante. De même, les vides de masse s'étant en parallèle formés progressivement ne permettraient plus en leur sein la convergence des rayons lumineux. Dans ce cas, des courbures négatives pourraient être observéés, à l'opposé des courbures positives ou nulles attribuées à un univers où les rayons convergeraient ou resteraient parallèles. A l'observation, au moins dans les vides, l'univers pourrait paraître plus grand qu'il ne l'est. Point ne serait besoin dans ce cas d'imaginer une énergie noire responsable de cette expansion.
La question qui reste posée, dans ces deux cas, concerne le poids relatif de cette gravité modifiée au niveau global de l'univers ou des structures que celui-ci contient. S'agirait-il d'effets finalement marginaux ne permettant pas d'expliquer la matière noire et l'énergie noire, ou au contraire d'effets résultant de ce que l'on pourrait appeler une nouvelle lois fondamentale de l'univers, s'ajoutant à toutes les autres? Par ailleurs, pourquoi l'expansion se serait-elle accélérée il y a 5 milliards d'années?
Les backréactionnistes
Les physiciens défendant l'hypothèse des effets marginaux sont encore en majorité. Ils se nomment en s'inspirant des termes anglais des antibackréactionistes. Autrement dit, ils refusent que les modifications de gravité envisagées dans les hypothèse de la MOND puissent avoir des effets en retour (backreaction) suffisants pour expliquer la matière noire et l'énergie noire. On cite parmi eux Stephen Green et Robert Wald qui ont présenté en 2004 des modèles mathématiques visant à le prouver. Mais de telles mathématiques sont discutables et demanderaient des moyens computationnels considérables pour les développer.
D'autres cosmologistes, considérant comme erronée l'hypothèse de la matière noire et de l'énergie noire, observent que les effets en retour de modification de la gravité découlant des inhomogénéités de l'univers (backreaction) commencent à se faire de plus en plus entendre. Ils se nomment eux-mêmes des « backreactionnistes ». Parmi ceux-ci, l'un des plus éloquent est le Pr. Thomas Buchert précité. Il a présenté avec des collègues plusieurs articles dont le plus récent date de 2015. Il y affirme que l'effet des inhomogénéités de l'univers peuvent produire des réactions en retour suffisantes pour produire les effets attribués aux prétendues matière noire et énergie noire.
Les uns et les autres attendent la réalisation de modèles mathématiques d'univers suffisamment fins pour intégrer les effets des inhomogénéités observées dans les observations satellitaires actuelles du fond diffus micro-ondes ou pouvant provenir d'observations futures. Les travaux en ce sens sont en cours, mais ne permettent pas encore de départager les antibackréactionnistes et leurs adversaires backréactionnistes. Il n'est pas impossible cependant que dans les mois ou les années qui viennent, les backréactonnistes comme Thomas Buchert se voient confortés dans leurs hypothèses. Les concepts mystérieux de matière noire et d'énergie noire disparaitraient alors, ce qui serait satisfaisant au regard d'une certaine rationalité scientifique. Mais il faudrait expliquer alors en détail les causes et les formes des modifications de gravité envisagées.
Sources
* https://arxiv.org/abs/1505.07800
Is there proof that backreaction of inhomogeneities is irrelevant in cosmology?
T. Buchert, M. Carfora, G.F.R. Ellis, E.W. Kolb, M.A.H. MacCallum, J.J. Ostrowski, S. Räsänen, B.F. Roukema, L. Andersson, A.A. Coley, D.L. Wiltshire
No. In a number of papers Green and Wald argue that the standard FLRW model approximates our Universe extremely well on all scales, except close to strong field astrophysical objects. In particular, they argue that the effect of inhomogeneities on average properties of the Universe (backreaction) is irrelevant. We show that this latter claim is not valid. Specifically, we demonstrate, referring to their recent review paper, that (i) their two-dimensional example used to illustrate the fitting problem differs from the actual problem in important respects, and it assumes what is to be proven; (ii) the proof of the trace-free property of backreaction is unphysical and the theorem about it fails to be a mathematically general statement; (iii) the scheme that underlies the trace-free theorem does not involve averaging and therefore does not capture crucial non-local effects; (iv) their arguments are to a large extent coordinate-dependent, and (v) many of their criticisms of backreaction frameworks do not apply to the published definitions of these frameworks. It is therefore incorrect to infer that Green and Wald have proven a general result that addresses the essential physical questions of backreaction in cosmology.
* Autres sources provenant de Thomas Buchert
http://cdsads.u-strasbg.fr/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=2005CQGra..22L.113B&db_key=PHY&data_type=HTML&format=&high
=41163951fb16303
A system of effective Einstein equations for spatially averaged scalar variables of inhomogeneous cosmological models can be solved by providing a 'cosmic equation of state'. Recent efforts to explain dark energy focus on 'backreaction effects' of inhomogeneities on the effective evolution of cosmological parameters in our Hubble volume, avoiding a cosmological constant in the equation of state. In this letter, it is argued that if kinematical backreaction effects are indeed of the order of the averaged density (or larger as needed for an accelerating domain of the universe), then the state of our regional Hubble volume would have to be in the vicinity of a far-from-equilibrium state that balances kinematical backreaction and average density. This property, if interpreted globally, is shared by a stationary cosmos with effective equation of state {\bf p}_{\bf \rm eff} = -1/3 {\boldsymbol \varrho}_{\bf \rm eff} . It is concluded that a confirmed explanation of dark energy by kinematical backreaction may imply a paradigmatic change of cosmology.
Références
*Thomas Buchert http://www.galpac.net/members/buchert_fr.html
* Pages cosmologie http://www.cosmunix.de/
*Articles sur arxiv http://arxiv.org/a/buchert_t_1.html
* Principe cosmologique Wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_cosmologique
* Inflation cosmique Wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/Inflation_cosmique
* MOND Wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_MOND
