École de Cosmologie IX
Energie noire et gravitation

Cours & Séminaires

    De la constante cosmologique à l'énergie noire (pdf)  F. Bernardeau (CEA/DSM/IPhT)

    1.  Constante cosmologique : perspective historique 2. La constante cosmologique comme contre-effets des fluctuations de métrique ?

    Résumé : L'objectif de cette présentation est de donner quelques perspectives historiques sur l'introduction de la constante cosmologique dans la théorie de la relativité générale et la manière dont sa perception a évoluée au cours des dernières décennies. Cette présentation s'attachera à rappeler les raisons qui nous amènent à réintroduire la constante cosmologique ou plutôt à ce qu'il est maintenant convenu d'appeler l'énergie noire et à souligner les questions que l'existence d'une telle constante pose. On verra c'est en fait toute la construction de la cosmologie moderne que nous sommes finalement contraints de revisiter, du principe cosmologique à notre compréhension de la physique des hautes énergies. Après avoir dressé le tableau des différentes pistes qui s'offrent à nous, je m'attacherai à explorer plus avant des solutions géométriques que la relativité générale pourrait offrir.


    The effect of non-linear structure formation as an alternative to dark energy (ppt) S. Rasanen (Univ. de Génève)

       1.  Brief overview of the observations
       2. The effect of inhomogeneity/anisotropy on the expansion rate
       3. Understanding acceleration due to structure formation physically
       4. Evaluating the magnitude of the effect of structure formation on the expansion rate
       5. Conclusions

    Résumé : Observations of the late-time universe are inconsistent with  homogeneous and isotropic models of the universe with ordinary matter  and gravity. This is usually interpreted as evidence of an exotic matter component or modified gravity. However, the formation of non-linear structures affects the expansion of the universe, and it has a preferred timescale near the observed acceleration era. I will review the possibility that structure formation could explain the observations without any new physics.

    • Ellis G F R, "Relativistic cosmology: its nature, aims and problems", 1984, in: "The invited papers of the 10th international conference on general relativity and gravitation", p 215
    • Ellis G F R and Stoeger W, "The 'fitting problem' in cosmology", 1987, Class. Quant. Grav 4, 1697
    • Buchert T and Ehlers J, "Averaging inhomogeneous cosmologies", astro-ph/9510056
    • Buchert T, "On average properties of inhomogeneous fluids in general relativity I: dust cosmologies", gr-qc/9906015
    • Rasanen S, "Accelerated expansion from structure formation", astro-ph/0607626 (There is a concise 6-page version with the main details: astro-ph/0605632.)
    • Rasanen S, "Evaluating backreaction with the peak model of structure formation", arXiv:0801.2692 (There is a concise 6-page version with the main details: arXiv:0805.2670.)


    MOND et les Galaxies. (pdf) F. Combes (LERMA)

       1. Courbes de rotation
       2. Vitesse d'echappement
       3. Dynamique des galaxies, stabilité, barres, spirales
       4. Interactions de galaxies, fusions et formation d'étoiles
       5. Distribution des satellites, warps, accrétion
       6.  Groupes compacts de galaxies
       7. Amas de galaxies
       8. Les rencontres entre amas
       9. Evolution en fonction du redshift

    Résumé : La théorie de gravité modifiée MOND, proposée par Milgrom en 1983, est une des théories qui représente le mieux la physique des galaxies, en particulier les courbes de rotation, sans aucune matière noire, et avec un seul paramètre ou fonction mu(x) de transition entre régime Newtonien et MONDien. Nous montrerons comment la dynamique des galaxies peut tester cette proposition: en effet, la stabilité des galaxies est complètement modifiée, puisque les baryons dans le disque sont complètement auto-gravitants, et ne bénéficient pas de la stabilisation d'un halo de matière noire plus ou moins sphérique. Nous examinerons la fréquence des barres et la confrontation avec les statistiques venues des observations. Les interactions de galaxies ne se passent pas du tout comme dans le modèle CDM, la friction dynamique étant moins efficace. La forme à 3D des potentiels gravitationnels est aussi un test de la théorie. Les groupes et les amas de galaxies constituent aussi des terrains de probation des théories de gravité modifiée, et nous envisagerons l'évolution au cours du temps de Hubble.

        *  Site web
              o The MOND pages (S. McGaugh) http://www.astro.umd.edu/~ssm/mond/ (and extensive literature in it)
        * Article de revue
              o Modified Newtonian Dynamics as an Alternative to Dark Matter. Sanders, R.H., & McGaugh, S.S. 2002, ARA&A, 40, 263
        * Dynamique des galaxies
              o Evolution of spiral galaxies in modified gravity. Tiret  & Combes, 2007, A&A   464, 517
              o Tidal dwarf galaxies as a test of fundamental physics.  Gentile, G., Famaey, B., Combes, F., Kroupa, P., Zhao, H. S., Tiret, O.2007 A&A 472 L25


    Accélération cosmique et théories f(R) de la gravitation. (pdf) N. Deruelle (APC)

    Résumé : L'objet de cet exposé sera de présenter succinctement les caractères principaux des théories de la gravitation fondées sur un lagrangien fonction de la courbure (et non simplement  linéaire en R comme en théorie d'Einstein). J'insisterai en particulier sur l'équivalence de ces théories avec les théories scalaires-tenseurs (ou  la gravité est représentée par une métrique et un champ scalaire). Je survolerai ensuite les différents modèles cosmologiques déduits de ces théories qui ont été proposés ces dernières annees dans le but d'"expliquer" l'énergie noire. Comme nous le verrons la plupart de ces modèles sont réfutés car ils sont en contradiction flagrante avec les tests de la gravitation dans le système solaire.

    • "Problems with Modified Theories of Gravity, as Alternatives to Dark Energy", Norbert Straumann, arXiv:0809.5148v1 [gr-qc] 30 Sep 2008
    • "f(R) gravity: successes and challenges", Valerio Faraoni, arXiv:0810.2602v1 [gr-qc] 15 Oct 2008
    • Notes de Cours de Gilles Esposito-Farese sur le site http://luth2.obspm.fr/IHP06/  (cliquer sur "Courses", puis sur "Gravitation: theories and experiments". Le cours de  Gilles Esposito-Farese  est en "Part 2".


    Physique des Particules et Energie Noire. (pdf) J. Martin (IAP)

    Résumé : Dans ce cours, je discuterai s'il est possible de comprendre l'énergie noire, en particulier le champs de quintessence, du point de vue de la physique des particules. Comme il n'existe pas de candidat en physique des particules standard, j'etudierai cette question dans le cadre des extensions supersymetriques du modele standard qui représentent les scénarios les plus naturels au-dela du modèle standard. Je montrerai en particulier que, étant donné les propriètés "astrophysiques" de l'énergie noire, la construction d'un tel modèle apparait très difficile.

    •     Energie Noire : Weinberg S, Rev Mod Phys 61, 1 (1989) hep-th/0603057
    •     Quintessence : Ratra B and Peebles PJE, PRD 37 3406 (1988)
    •     Quintessence et physique des particules : arXiv:0802.1601, hep-th/0605228, astro-ph/0606306, astro-ph/0410190, astro-ph/9912046, astro-ph/9905040
    •     SUSY models : Nilles HP, Phys. Rept 101, 1 (1984), hep-ph/9709356


    Les thématiques de matière noire et énergie noire sont-elles deux aspects d'un même problème ?. (pdf) C. Boehm  (LAPTh)

       1. Preuves de l'existence de la matière noire.
       2. Nature de la matière noire (physique des particules vs modification de la gravité).
       3. Tentative de connexion matière noire-énergie sombre.
       4. Expériences de physique des particules et astroparticules en cours et à venir: peuvent-elles répondre à la question d'une possible connexion entre ces deux substances.
       5. Conclusion et perspectives.

    Résumé : L'existence de deux substances inconnues et de nature differente dans l'Univers pose le problème de leur origine. Sont-elles deux aspects d'un même problème ou bien deux substances totalement différentes? Dans ce cours je présenterai les travaux visant a les connecter et discuterai la validité d'une telle approche en fonction des résultats des expériences de physique des particules et astroparticules en cours et à venir.

    • Detecting dark matter-dark energy coupling with the halo mass function.
    • P.M. Sutter, P.M. Ricker . Apr 2008. 5pp. arXiv:0804.4172 [astro-ph]
    • Dark Interactions and Cosmological Fine-Tuning.
    • Miguel Quartin, Mauricio O. Calvao, Sergio E. Joras, Ribamar R.R. Reis, Ioav Waga . Feb 2008. 12pp. Published in JCAP 0805:007,2008. e-Print: arXiv:0802.0546 [astro-ph]
    • Dynamics of dark energy with a coupling to dark matter.
    • Christian G. Boehmer (University Coll. London) , Gabriela Caldera-Cabral (Portsmouth U., ICG) , Ruth Lazkoz (Basque U., Bilbao) , Roy Maartens (Portsmouth U., ICG) . Jan 2008. 11pp. Published in Phys.Rev.D78:023505,2008.  e-Print: arXiv:0801.1565 [gr-qc]
    • Dark energy and dark matter.
    • D. Comelli (INFN, Ferrara) , M. Pietroni, A. Riotto (INFN, Padua) . DFPD-TH-03-05, Feb 2003. 4pp.  Published in Phys.Lett.B571:115-120,2003. e-Print: hep-ph/0302080
    • Probing the Coupling between Dark Components of the Universe.
    • Zong-Kuan Guo, Nobuyoshi Ohta (Kinki U., Osaka) , Shinji Tsujikawa (Gunma Coll. Tech.) . KU-TP-012, Feb 2007. 8pp.
    • Published in Phys.Rev.D76:023508,2007. e-Print: astro-ph/0702015
    • A New generalized Chaplygin gas as a scheme for unification of dark energy and dark matter.
    • Xin Zhang, Feng-Quan Wu , Jingfei Zhang (Liaoning Normal U. & Beijing, Inst. High Energy Phys.) . Nov 2004. 11pp.
    • Published in JCAP 0601:003,2006. e-Print: astro-ph/0411221


    La quête du cinquième élément : des indices astrophysique en faveur de l’énergie noire (pdf1, pdf2, pdf3). A. Blanchard (LATT)

       1. Les données classiques en faveur de l'énergie noire et le modèle de Concordance.
       2. Biais potentiels sur les observations astrophysiques.
       3. Un outil cosmologique : les amas de galaxies.
       4. Fraction de baryons
       5. Evolution de la fraction de baryons
       6. Evolution de l'abondance des amas
       7. Einstein de Sitter: Une alternative possible ?
       8. Autres alternatives ?
       9. Conclusions

    Résumé : Les observations actuelles issues de données astrophysiques indiquent que l'univers en dans une phase d'expansion accélérée.  L'existence d'un terme d'accélération a de profondes conséquences pour la  physique fondamentale. Or il semble que seules les données astrophysiques seront à même de mieux comprendre cette nouvelle composante de l'Univers. Il est donc essentiel de s'assurer de la robustesse dans l'interprétation des données astrophysiques. Ce cours présentera donc une lecture critique des principales évidences astrophysiques en faveur de la constante cosmologique.

    •     An alternative to the cosmological ``concordance model'', Blanchard, A.; Douspis, M.; Rowan-Robinson, M.; Sarkar, S. A&A, 412, 35
    •     Multiple inflation and the WMAP ``glitches''. II. Data analysis and cosmological parameter extraction, Hunt, Paul; Sarkar, Subir, PhRvD, 76, l3504
    •     Confronting Lemaitre–Tolman–Bondi models with observational cosmology, Garcia-Bellido, Juan; Haugbølle, Troels, JCAP, 04, 003


    Accélération cosmique et gravité massive (pdf) C. Deffayet (IAP)

    Résumé : Nous commencerons par présenter les propriétés du modèle le plus simple pour un spin 2 massif, la théorie de Pauli-Fierz, puis nous discuterons certaines propriétés des extensions non-linéaires de cette théorie qui font intervenir deux métriques (théories bi- et multi-métriques). Enfin nous nous tournerons vers le modèle de "gravité branaire induite" (ou modèle DGP). Nous présenterons les principales caractéristiques de ces modèles de "gravité massive" (au sens large): discontinuité de van Dam-Veltman-Zakharov, auto-couplage fort, mécanisme de Vainshtein ainsi que leur intérêt cosmologique.


    Gravitation Newtonienne modifiée et Théorie des champs (pdf)G. Esposito-Farese  (IAP)

       1.  Introduction au modèle phénoménologique MOND
       2. À la recherche de modifications de la relativité générale
       a. La relativité générale
       b. Des idées qui ne marchent pas
       c. Dérivées d'ordres supérieurs
       d. Théories scalaire-tenseur
       e. K-essence
       f. MOND comme une k-essence
       3. Le problème de la déflexion de la lumière
       a. Couplage conforme
       b. Un faux théorème d'impossibilité
       c. Couplage difforme
       d. Modèles stratifié
       4.  Difficultés des modèles stratifiés
       a. Stabilité
       b. Invariance de Lorentz locale
       c. Rayonnement Tcherenkov gravitationnel
       d. Pulsars binaires
       5.   Nouvelles pistes
       a. Couplage non-minimal à la courbure
       b. Théorie scalaire-tenseur non-minimale
       c. L'anomalie Pioneer
       d. Modèles Einstein-éther
       e. Modèles de matière noire
       6.  Conclusions

    Résumé : Une modification de la loi de gravitation à grande distance, comme le modèle phénoménologique MOND proposé par Milgrom en 1983, permet d'expliquer les courbes de rotation des galaxies sans faire appel à l'existence de matière noire. Il est toutefois très difficile de prédire une telle physique dans une théorie des champs cohérente, stable et au problème de Cauchy bien posé. Nous discuterons des divers types de modification de la relativité générale qui ont été envisagés, et soulignerons leurs succès et leurs difficultés aussi bien du point de vue expérimental que théorique. Les modèles les moins satisfaisants reviennent à définir une théorie des champs différente pour chaque galaxie. Les plus prometteurs reproduisent la phénoménologie de MOND mais au prix d'ajustements fins de certaines fonctions, et présentent à la fois des instabilités génériques et des incompatibilités avec les tests précis de la gravitation effectués dans le système solaire ou avec les pulsars binaires. Nous soulignerons aussi que certains modèles ont été rapidement éliminés dans la littérature pour de mauvaises raisons, mais qu'ils ne résistent pourtant pas à d'autres arguments, comme le comportement des équations des champs à l'intérieur de la matière. Une classe d'entre eux permet néanmoins de reproduire l'anomalie des sondes Pioneer (si elle est confirmée) dans un cadre cohérent de théorie des champs. Nous mentionnerons pour finir quelques idées récentes qui pourraient permettre d'éviter les problèmes récurrents des modèles reproduisant MOND, bien que cela reste à démontrer.

    • M. Milgrom, Astrophys. J. 270, 365 (1983)
    • R.H. Sanders and S.S. McGaugh, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 40, 263 (2002), astro-ph/0204521
    • J.D. Bekenstein, Phys. Rev. D 70, 083509 (2004), astro-ph/0403694
    • R.H. Sanders, Mon. Not. R. Astron. Soc. 363, 459 (2005), astro-ph/0502222.
    • J.-P. Bruneton and G. Esposito-Farèse, Phys. Rev. D 76 (2007) 124012, arXiv:0705.4043 [gr-qc].
    • T. Jacobson, "Einstein-aether gravity: A Status report", arXiv:0801.1547 [gr-qc].


    Un modèle pour l’énergie noire : le gas de Chaplygin (pdf) U. Moschella (Univ. dell'Insubria)

    Je présenterai un modèle unifié pour l'énergie et la matière noire qui traite un fluide « exotique » que l’on nomme « Gaz de Chaplygin ». Je discuterai les raisons théoriques qui motivent l’utilisation d’un tel modèle ainsi que ses prédictions observables.


    Energie du vide : régularisation, renormalisation et ambiguïtés (pdf) A.  Folacci (SPE, Univ. de Corte)

    Résumé : Nous présenterons le statut actuel du concept d’énergie du vide pour les théories quantiques des champs en espace-temps de Minkowski et en espace-temps courbe. Nous exposerons les processus de régularisation et de renormalisation du tenseur d’impulsion-énergie d’un champ défini sur un espace-temps courbe quelconque (méthode utilisant l’action effective de DeWitt-Schwinger et « méthode Hadamard » de Wald) et nous discuterons plus particulièrement des ambiguïtés géométriques de la définition d’une énergie du vide. Nous conclurons  qu’en l’absence d’une théorie quantique de la gravitation, il est difficile de parler, d’un point de vue théorique, de l’énergie du vide.

    • B. DeWitt “The Global Approach to Quantum Field Theory” (Oxford University Press, 2003)
    • R. Wald  “Quantum Field Theory in Curved Space-time and Black Hole Thermodynamics” (Univ. of Chicago Press, 1994)
    • Y. Decanini and A. Folacci, PhysRevD 78, 044025 (2008)

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