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Est-ce que notre description du Cosmos est correcte?

traduction: Maugou     relecture : Ouser

 

Par: Marius Millea de Cosmology@Home

16 février 2016

 

Est-ce que notre meilleure description du cosmos, le modèle ΛCDM, est correcte?

 

(NDT: article en français sur le modèle ΛCDM, l'article wikipedia en français est assez succinct: Modèle ΛCDM)

 

Aujourd'hui, nous sommes heureux de publier officiellement une nouvelle application sur Cosmology@Home (appelée planck_param_sims), permettant à quiconque de contribuer à l'analyse actuelle des données du satellite Planck et d'aider à mieux comprendre notre cosmos! Le résumé en une phrase de cette application: c'est un peu comme transformer votre ordinateur en une table de mixage et jouer au DJ avec les échos du Big Bang! Alors qu'est-ce que cela signifie exactement, et comment ces résultats contribuent à la science? Découvrez-le dans ce post, avec l'aide de nos principaux collaborateurs sur ce projet.

 

 

Peut-être le but le plus recherché dans la cosmologie moderne, au moins à court terme, est de briser le modèle Λ-cold-dark-matter (ou ΛCDM pour faire court). Nous entendons par là, de trouver un morceau de données que ΛCDM ne parvient pas à expliquer.

 

 

 

"- Le modèle ΛCDM est notre meilleure et plus simple description actuelle de la façon dont l'Univers évolue dans le temps et l'espace. Il utilise la relativité générale d'Einstein pour décrire la gravité et le soi-disant «modèle standard» pour décrire la façon dont les particules interagissent entre elles.

Pour décrire correctement les observations, elle postule que l'Univers a commencé par une période d'expansion exponentielle appelée "l'inflation", et est composé de:

"matière baryonique", la matière ordinaire connue que nous expérimentons tous les jours autour de nous, dont les propriétés microscopiques sont bien connues et étudiées;

"rayonnement", à savoir les photons et les neutrinos, bien connus et des particules qui se déplacent plus vite (ou presque) que la vitesse de la lumière observée;

"Cold Dark Matter" (CDM, matière sombre et froide :) ), un type de matière qui reste encore à comprendre, dont les effets gravitationnels sont observés dans notre Univers, mais dont les propriétés microscopiques sont encore inconnues;

"Énergie sombre" (Λ), une forme non encore bien comprise de l'énergie qui est responsable de l'expansion accélérée de l'Univers observé aujourd'hui.

 

Il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons toujours pas à propos de ce modèle, cependant. Par exemple, penser au fait que nous n'avons jamais vu directement ou détecté l'un ou l'autre des deux éléments clés (à partir desquels le modèle tire son nom, Λ et CDM) qui, ensemble, constituent 95% de la teneur en énergie de l'Univers. Leur nature est encore un mystère complet!"

-Silvia Galli

 

Alors pourquoi les scientifiques cherchent-ils des failles dans cette explication, ce modèle ΛCDM, que nous avions nous-même bâti? La réponse est que nous savons qu'à un certain niveau, il est une approximation, et trouver les failles nous oriente dans la direction pour trouver une explication fondamentale plus profonde. Cela pourrait signifier des indices quant à la nature de la matière noire, l'énergie noire, ou même de la phase «inflationniste» au début de l'histoire de l'Univers.

 

A ce jour, la meilleure source de données que nous avons pour tester le modèle ΛCDM, ce sont des observations du fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background ou CMB). Le CMB est le rayonnement micro-onde émis par le plasma chaud qui était présent peu de temps après le Big Bang, et qui imprègne et voyage à travers l'Univers depuis. Dans un certain sens, il est l'écho du Big Bang.

 

 

Le CMB est le moyen le plus direct que nous avons de la mesure de l'Univers très tôt. Ses propriétés générales sont une image directe des fluctuations quantiques qui ont ensemencé toute la structure observable dans l'Univers et donc nous permet de sonder les mécanismes qui ont créé l'univers et la structure en lui à l'origine des temps. Les caractéristiques détaillées nous renseignent sur la composition de l'Univers, y compris la fraction de la matière noire et de la matière ordinaire. Comme la lumière à micro-ondes a voyagé à travers 13,8 milliards d'années d'expansion cosmique, elle nous parle de la géométrie globale de l'Univers et contient des indices importants sur la récente expansion accélérée, supposée être entraînée par l'énergie sombre.

-Ben Wandelt

 

Voici une animation de ce à quoi ressemble le CMB dans le ciel. Les points rouges représentent les régions où le rayonnement est plus chaud et les tâches bleues où le rayonnement est plus froid. Ces motifs contiennent une mine d'informations sur l'Univers.

lien vidéo: https://giant.gfycat.com/SnoopyGorgeousHalibut.mp4

 

Les meilleures mesures du CMB proviennent d'un satellite lancé en 2009 appelé Planck (soit dit en passant, nous tous mentionnés dans cet article faisons partie de la collaboration qui a conçu, lancé et est en train d'analyser les données de ce satellite).

 

"- Planck est un satellite expressément conçu pour étudier les fluctuations infimes de la température du CMB sur l'ensemble du ciel, la troisième mission semblable jamais réalisée (après COBE et WMAP). Il est un projet de l'Agence spatiale européenne (ESA) avec des instruments fournis par deux consortiums scientifiques financés par les états membres de l'ESA et dirigés par des chercheurs principaux de France et d'Italie, les réflecteurs du télescope fournis grâce à une collaboration entre l'ESA et un consortium scientifique dirigé et financé par le Danemark, et des contributions supplémentaires de la NASA (USA). Nommé en l'honneur du lauréat du prix Nobel allemand Max Planck (1858-1947), le satellite emploie 74 détecteurs refroidis à près de zéro absolu, pour mesurer les fluctuations du CMB avec une précision fixée par les limites astrophysiques fondamentales."

-Martin Blanc

 

 

Pour analyser la structure des points chauds et froids dans le CMB mesurés par Planck, nous transformons ces données en ce qu'on appelle un «spectre de puissance", illustré ci-dessous.

 

 

 

Le spectre de puissance nous dit combien de structures il y a dans la carte à une échelle donnée. C'est similaire à l'égaliseur de votre stéréo; si les barres sur la gauche de l'égaliseur sont grandes, votre musique a beaucoup de basses (à savoir beaucoup de structure dans les basses fréquences) alors que, si les barres de droite sont de grande taille, votre musique a beaucoup d'aigus (les hautes fréquences). De même ici, les points de données sur la gauche représentent les basses fréquences à grandes échelles, et les points de données sur la droite des hautes fréquences à petites échelles (en fait, certains de nos collaborateurs ont pris l'analogie de la musique dans toute sa conclusion et fait une applet Web qui vous permet d'écouter le CMB comme si il était un son).

 

Si vous jouez avec les boutons graves et aigus de votre chaîne stéréo, vous pouvez déformer la sonorité de votre musique, mais vous serez probablement toujours en mesure de reconnaître la chanson. Le test clé que nous effectuons, avec cette nouvelle application planck_param_sims, est de jouer avec l'analogie "basse et aiguë" sur les données de Planck, recueillant les combinaisons qui ne conservent que des échelles particulières. Ensuite, nous demandons, est-ce que ça sonne encore comme le modèle ΛCDM? Notre système est un peu plus sophistiqué qu'un autoradio. Nous sommes en mesure de filtrer la musique de différentes façons, comme si nous avions une table de mixage géante, et que nous jouions avec des configurations différentes des curseurs et le filtrage de la musique pour ne garder que certaines régions du spectre. Nous avons environ 100 différentes configurations que nous regardons. Nos critères pour "sonne encore comme ΛCDM" sont un peu plus sophistiqués aussi. Nous pouvons utiliser les valeurs des paramètres du modèle.

 

"- Nous prenons comme paramètres de ΛCDM, la densité baryonique moyennée spatialement (la masse volumique de la matière atomique ordinaire), la densité de matière totale moyennée spatialement (y compris la matière noire), la valeur de la constante cosmologique, l'amplitude des fluctuations de densité primordiales sur une échelle particulière de longueur, un paramètre (le "tilt") qui décrit comment cette amplitude dépend de l'échelle de la longueur, et la probabilité qu'un photon du CMB a eu son dernier événement de diffusion, pas dans l'univers primitif, mais dans le milieu intergalactique ré-ionisé. Ce sont tous les paramètres dont nous avons besoin pour calculer les spectres de puissance prédits par le modèle de ΛCDM. Si le modèle de ΛCDM est correct, alors ses paramètres déduits d'une région particulière des données devrait être compatible avec les paramètres déduits d'une autre. S'il y a des degrés de liberté supplémentaires dans l'univers, au-delà de ceux du modèle ΛCDM, alors nous pourrions nous attendre à ce que différentes régions aboutissent à différentes valeurs des paramètres de ΛCDM."

-Lloyd Knox

 

 

Alors, est-ce que différentes régions des données sont supposées donner exactement les mêmes valeurs de paramètres à n'importe nombre de décimales? Non. Il y a de nombreuses raisons pour que nous attendions quelques différences, notamment le bruit aléatoire des mesures des détecteurs de Planck. Les tâches, qui tournent sur vos ordinateurs, effectuent des simulations afin de nous aider à comprendre exactement le niveau de différences attendues que nous devrions voir. Ensuite nous comparons cela avec les données réelles. Si les différences sont semblables, alors ΛCDM réussit un nouveau test de précision et nous restons admiratifs de la façon dont ce modèle simple fonctionne. Si, toutefois, on ne voit pas la cohérence, alors nous sommes très heureux parce que cela signifie que nous avons trouvé quelque chose d'intéressant! La possibilité la plus intéressante est bien sûr que nous obtenions des indices qui mettent le modèle en panne, ce qui pourrait amener à une nouvelle et meilleure compréhension de notre Univers.

 

Conclusion

 

Nous ne savons pas vraiment quel résultat nous obtiendrons. Un calcul de ces différences attendues n'a jamais été fait à cette échelle, ni à cette précision. Une partie de la raison est que c'est une tâche coûteuse en calcul. L'analyse des données de Planck, une fois, n'est pas anodin, la faire pour environ 100 configurations différentes de filtres, et simuler ce processus des milliers de fois, l'est encore beaucoup moins! C'est bien sûr là où vous, en tant que bénévoles, entrez en jeu. Avec votre aide, nous serons en mesure de tracer cette répartition des changements. La première phase de ce calcul ne devrait prendre que quelques semaines à quelques mois. Selon ce que nous trouverons, nous pourrons étendre de diverses manières. Je suis impatient de voir ce que nous allons trouver!

 

source de l'article traduit: http://www.cosmologyathome.org/planck_param_sims.php