Cosmologie Gémellaire 4: Structure à grande échelle. Le modèle didactique des pombs sur une membrane et des balles de ping-pong dessous

Ci-après, un modèle didactique destiné à illustrer le phénomène des instabilités gravitationnelles conjointes. Imaginons une sorte de piscine. A mi hauteur, sous l'eau, on disposerait une toile, horizontale, souple, d'un poids négligeable. Au dessus on place des balles, dotées d'une certain poids, qui vont donc peser sur la toile. En dessus on dispose une quantité égale de balles de ping pong, de même volume. Celles-ci, sensibles à la poussée d'Archimède, vont aussi exercer une pression sur la toile, mais en sens inverse. On peut aussi s'arranger pour que toutes les billes soient de même diamètre....S'il existe la même distribution, uniforme, de balles pesantes de de balles de ping-pong, de part et d'autre, la résultante des forces exercées sur la toile sera partout nulle et celle-ci restera horizontale (la courbure sera nulle). Mais le hasard peut faire que des balles pesantes se rassemblent, quelque part. Elles vont donc creuser la toile et, ce faisant, chasser les balles de ping pong plus loin. Schématiquement, en opérant une coupe, la surface prendra l'allure ci-après :

Des balles pesantes se rassemblent, et creusent la toile.Elles chassent les balles de ping-pong, qui se rassemblent tout autour.
...Intuitivement, on imagine que les deux phénomènes, loin de s'opposer, ce conjuguent. La présence de cette anneau de balles en surnombre, autour de la cuvette, va accentuer son creusement, donc le "confinement" de ces balles denses. ...L'instabilité gravitationnelle pourrait être évoquée, avec une seule population, en disposant des balles pesantes sur un matelas de mousse suffisamment souple. Que quelques unes d'entre elles s'assemblent par hasard, quelque part, et elles vont créer une cuvette, une dépression, dans laquelle leurs voisines auront tendance à descendre. On appelle ceci un phénomène d'accrétion.
...Si on prenait une toile et que l'on dispose dessous, seulement, des balles de ping-pong, ce système-là serait aussi instable. Que des balles de ping pong se rassemblent en un endroit quelconque de la toile, elles vont inciter leurs voisines à les y rejoindre. Avec ce modèle à deux populations, les balles pesantes et les balles de ping pong, on a deux effets conjugués, qui évoque le phénomène d'instabilités gravitationnelles conjointes . Ce modèle a aussi l'avantage d'illustrer la symétrie qui existe entre les deux sous-systèmes....Si on reprend le système à deux populations, cela donnerait ceci :

Des balles de ping-pong se rassemblent se rassemblent, et bombent la toile.
Elles chassent les balles pesantes aux alentours.  On a donc cherché à tester cette idée en partant de deux distributions :
- Matière froide, densité r
- Ghost matter de densité r * @ 64 r , plus chaude : La vitesse moyenne d'agitation thermique dans le ghost universe V*th étant quatre fois plus élevée que dans le nôtre, paramètres issus de l'étude des expansions conjointes des deux univers, [voir sur le site: Geometrical Physics, 3, section 3 et figure 5 ].
...Les calculs ont été effectués à travers des simulations numériques 2d avec deux fois 5000 points-masses. Ils ne sont qu'indicatifs. Il faudrait effectuer des calculs en 3d et, pour ce faire, pouvoir gérer un nombre beaucoup plus important de points-masses, ce que notre système n'était pas capable de faire. Il ne faut donc pas prendre ces résultats 2d à la lettre.
...Qualitativement, la ghost matter mène le jeu. Elle donne naissance à des conglomérats, assez rapidement (son temps d'accrétion, inversement proportionnel à la racine carré de la densité est plus 
court). Ces conglomérats (clumps) chassent alors notre propre matière dans l'espace résiduel en lui donnant ainsi sa configuration lacunaire. Voir : J.P.Petit, P.Midy and and F.Landsheat : Matter ghost matter astrophysics. 5 : Results of numerical 2d simulations. VLS. About a possible schema for galaxies' formation. [ Voir sur le site: Geometrical Physics A, 8 , 1998. ]

Les deux, superposés :

...L'intérêt est que cette distribution est alors stable. Les grumeaux de ghost matter stabilisent la distribution lacunaire matière et, inversement, celle-ci emprisonne ces grumeaux dans ses "mailles". Ceci expliquerait la grande stabilité obtenue (de l'ordre de l'âge de l'univers).Les 'mailles" de matière feraient alors office de barrière de potentiel vis à vis des éléments de ghost matter, issus des conglomérats et accélérés lors de collisions (au sens anglo-saxon de "encounter", c'est à dire interaction binaire entre deux points-masses de ghost matter).
Remarque (février 2000) :
Tous ces résultats de calcul datent de six ans. Comment on pu l'apprendre par ceux qui auraient lu mes livres, toutes ces simulations, fort intéressantes et prometteuses, ont été faites en 93-94, d'abord par mon collègue et ami Pierre Midy, sur "un vieux Cray", puis par "Fred", un jeune chercheur qui a préféré rester anonyme, ce en quoi je lui donne parfaitement raison. Les calculs avaient alors été effectués "en perruque" sur le puissant ordinateur gérant les données d'un accélérateur de particules Européen. Puis Fred avait changté de labo et dans sa nouvelle unité de telles choses n'étaient plus envisageables. L'approche simulation numérique fut donc abandonnée pendant six longues années. Mais tout récemment un fait nouveau est intervenu. Primo les machines ont fait de tels progrès en six années (vitesse et surtout capacité en mémoire vive) que des calculs qui n'étaient envisageables que sur de puissantes unités, affectées à la recherche, sont devenus à la portée de ... simples particuliers. Deux hommes, précisément des ingénieurs en retraite, mais passionnés d'astrophysique et de cosmologie, se sont donc manifestés. En programmant eux mêmes leurs machines ils avaient fait d'assez jolies simulations, en perturbant une "galaxie numérique 2d", constituée par 3000 points-masses par un "compagnon de passage", constitués par 300 points. Bref le schéma calssique conduisant à la forme spiralée de "la galaxie des chiens de chasse", alias M51. Quand on voit ces images on se dit tout de suite "cela correspond à ce qu'on savait faire il y a hui-dix ans dans les milieux recherche, avec de puissants moyens de calcul". Bien sûr, la structure spirale ne perdurait pas. Elle disparaissait quand le compagnon perturbateur s'éloignait (aspect que l'on connaissait de longue date). Nos deux ingénieurs, mis en appêtit par ces résultats encourageants, démarchèrent donc auprès de six astrophysiciens connus, en leur demandant "des directives", mais aucun d'eut la courtoisie de leur répondre. J'étais donc le septième astrophysicien qu'ils contactaient. Vous imaginez bien que j'ai été au contraire ravi de ce renfort et j'ai aussitôt branché ces nouveaux collaborateurs sur de nouvelles simulations. Apparemment ils s'en sortent fort bien et si tout se passe bien nous aurons "des résultats frais" dans les mois qui suivront". Attente passionnante, car le but n'est rien d'autre que de simuler la naissance d'une galaxie. Affaire à suivre.