Tout ce que nous voyons autour de nous (étoiles et galaxies) ne représente pas plus de 4 à 5 % de la masse totale de l'Univers !
Selon les théories cosmologiques modernes, notre Univers est constitué de seulement 5 % de matière ordinaire, dite baryonique, qui forme tous les objets observables ; 25 % de matière noire détectée en raison de la gravité ; et l'énergie noire, représentant jusqu'à 70 % du total.
Les termes énergie noire et matière noire ne sont pas entièrement réussis et représentent une traduction littérale, mais pas sémantique, de l’anglais.
Au sens physique, ces termes impliquent seulement que ces substances n’interagissent pas avec les photons, et elles pourraient tout aussi bien être appelées matière et énergie invisibles ou transparentes.
De nombreux scientifiques modernes sont convaincus que les recherches visant à étudier l’énergie noire et la matière contribueront probablement à répondre à la question mondiale : qu’est-ce qui attend notre Univers dans le futur ?
Des amas de la taille d'une galaxie
La matière noire est une substance qui est très probablement constituée de nouvelles particules encore inconnues dans les conditions terrestres et qui possède des propriétés inhérentes à la matière ordinaire elle-même. Par exemple, il est également capable, comme les substances ordinaires, de se regrouper en amas et de participer à des interactions gravitationnelles. Mais la taille de ces soi-disant amas peut dépasser une galaxie entière ou même un amas de galaxies.
Approches et méthodes d'étude des particules de matière noire
À l'heure actuelle, les scientifiques du monde entier tentent par tous les moyens de découvrir ou d'obtenir artificiellement des particules de matière noire dans des conditions terrestres, en utilisant des équipements ultra-technologiques spécialement développés et de nombreuses méthodes de recherche différentes, mais jusqu'à présent, tous leurs efforts n'ont pas été couronnés. avec succès.
Une méthode consiste à mener des expériences sur des accélérateurs à haute énergie, communément appelés collisionneurs. Les scientifiques, estimant que les particules de matière noire sont 100 à 1 000 fois plus lourdes qu'un proton, supposent qu'elles devraient être générées lors de la collision de particules ordinaires accélérées à des énergies élevées par un collisionneur. L’essence d’une autre méthode consiste à enregistrer les particules de matière noire situées tout autour de nous. La principale difficulté de l’enregistrement de ces particules est qu’elles présentent une très faible interaction avec les particules ordinaires, qui leur sont intrinsèquement transparentes. Et pourtant, les particules de matière noire entrent très rarement en collision avec les noyaux atomiques, et il y a un espoir d'enregistrer ce phénomène tôt ou tard.
Il existe d'autres approches et méthodes pour étudier les particules de matière noire, et seul le temps nous dira laquelle d'entre elles sera la première à réussir, mais dans tous les cas, la découverte de ces nouvelles particules sera la réalisation scientifique la plus importante.
Substance anti-gravité
L'énergie noire est une substance encore plus inhabituelle que la matière noire. Il n'a pas la capacité de se rassembler en touffes, ce qui lui permet d'être réparti uniformément dans tout l'Univers. Mais sa propriété la plus inhabituelle à l’heure actuelle est l’antigravité.
La nature de la matière noire et des trous noirs
Grâce aux méthodes astronomiques modernes, il est possible de déterminer le taux d'expansion de l'Univers à l'heure actuelle et de simuler le processus de son changement plus tôt dans le temps. En conséquence, des informations ont été obtenues selon lesquelles, à l'heure actuelle, ainsi que dans un passé récent, notre Univers est en expansion et le rythme de ce processus augmente constamment. C'est pourquoi l'hypothèse de l'antigravité de l'énergie noire est née, puisque l'attraction gravitationnelle ordinaire aurait un effet ralentisseur sur le processus de « récession galactique », limitant le taux d'expansion de l'Univers. Ce phénomène ne contredit pas la théorie générale de la relativité, mais l'énergie noire doit avoir une pression négative - une propriété qu'aucune substance connue actuellement ne possède.
Candidats pour le rôle de "Dark Energy"
La masse des galaxies de l’amas Abel 2744 représente moins de 5 % de sa masse totale. Ce gaz est si chaud qu’il ne brille que dans les rayons X (rouge sur cette image). La répartition de la matière noire invisible (qui représente environ 75 % de la masse de l'amas) est colorée en bleu.
L'un des candidats supposés au rôle de l'énergie sombre est le vide, dont la densité énergétique reste inchangée lors de l'expansion de l'Univers et confirme ainsi la pression négative du vide. Un autre candidat putatif est la « quintessence » – un champ ultra-faible jusqu’alors inconnu qui est censé traverser l’Univers tout entier. Il existe également d’autres candidats possibles, mais aucun d’entre eux n’a jusqu’à présent contribué à obtenir une réponse précise à la question : qu’est-ce que l’énergie noire ? Mais il est déjà clair que l’énergie noire est quelque chose de complètement surnaturel et reste le principal mystère de la physique fondamentale du 21e siècle.
>Ce qui s'est passé matière noire et énergie noire L'Univers : structure de l'espace avec photos, volume en pourcentage, influence sur les objets, recherche, expansion de l'Univers.
Environ 80 % de l’espace est représenté par des matériaux cachés à l’observation directe. C'est à propos de matière noire– une substance qui ne produit ni énergie ni lumière. Comment les chercheurs ont-ils réalisé qu’elle était dominante ?
Dans les années 1950, les scientifiques ont commencé à étudier activement d’autres galaxies. Au cours des analyses, ils ont remarqué que l’Univers est rempli de plus de matière que ce qui peut être capturé sur « oeil visible" Les partisans de la matière noire émergent chaque jour. Bien qu’il n’y ait aucune preuve directe de son existence, les théories se sont développées, tout comme les solutions d’observation.
La matière que nous voyons s’appelle la matière baryonique. Il est représenté par des protons, des neutrons et des électrons. On pense que la matière noire est capable de combiner de la matière baryonique et non baryonique. Pour que l'Univers reste dans son intégrité habituelle, la matière noire doit être présente à hauteur de 80 %.
La substance insaisissable peut être incroyablement difficile à trouver si elle contient de la matière baryonique. Parmi les candidats figurent des naines brunes et blanches, ainsi que des étoiles à neutrons. Les trous noirs supermassifs peuvent également accroître la différence. Mais ils ont dû contribuer à une plus grande influence que ce que les scientifiques ont vu. Il y a aussi ceux qui pensent que la matière noire doit être constituée de quelque chose de plus inhabituel et de plus rare.
Image composite du télescope Hubble montrant un anneau fantomatique de matière noire dans l'amas de galaxies Cl 0024+17
La plupart des scientifiques estiment que la substance inconnue est principalement représentée par la matière non baryonique. Le candidat le plus populaire est les WIMPS (particules massives à faible interaction), dont la masse est 10 à 100 fois supérieure à celle d'un proton. Mais leur interaction avec la matière ordinaire est trop faible, ce qui rend leur détection plus difficile.
Les neutrinos, particules hypothétiques massives dont la masse est plus grande que les neutrinos, mais qui se caractérisent par leur lenteur, sont désormais examinés très attentivement. Ils n'ont pas encore été trouvés. Comme options possibles l'axiome neutre plus petit et les photons intacts sont également pris en compte.
Une autre possibilité est que les connaissances sur la gravité soient obsolètes et doivent être mises à jour.
Matière noire invisible et énergie noire
Mais si nous ne voyons pas quelque chose, comment pouvons-nous prouver qu’il existe ? Et pourquoi avons-nous décidé que la matière noire et l’énergie noire étaient quelque chose de réel ?
La masse des gros objets est calculée à partir de leur mouvement spatial. Dans les années 1950, les chercheurs qui étudiaient les galaxies spirales supposaient que les matières proches du centre se déplaceraient beaucoup plus rapidement que les matières plus éloignées. Mais il s’est avéré que les étoiles se déplaçaient à la même vitesse, ce qui signifiait qu’elles avaient beaucoup plus de masse qu’on ne le pensait auparavant. Le gaz étudié dans les types elliptiques a montré les mêmes résultats. La même conclusion s'impose : si nous étions guidés uniquement par la masse visible, les amas de galaxies se seraient effondrés depuis longtemps.
Albert Einstein a pu prouver que les grands objets universels sont capables de plier et de déformer les rayons lumineux. Cela leur a permis d’être utilisés comme lentilles grossissantes naturelles. En étudiant ce processus, les scientifiques ont pu créer une carte de la matière noire.
Il s’avère que la majeure partie de notre monde est représentée par une substance encore insaisissable. Vous apprendrez des choses plus intéressantes sur la matière noire si vous regardez la vidéo.
Matière noire
Le physicien Dmitri Kazakov à propos du bilan énergétique global de l'Univers, de la théorie de la masse cachée et des particules de matière noire :
Si nous parlons de matière, alors la matière noire est certainement en tête en termes de pourcentage. Mais globalement, cela ne représente qu’un quart de tout. L'univers abonde énergie noire.
Depuis le Big Bang, l’espace a entamé un processus d’expansion qui se poursuit aujourd’hui. Les chercheurs pensaient que l’énergie initiale finirait par s’épuiser et qu’elle ralentirait. Mais les supernovae lointaines démontrent que l’espace ne s’arrête pas, mais accélère. Tout cela n’est possible que si la quantité d’énergie est si énorme qu’elle surmonte l’influence gravitationnelle.
Matière noire et énergie noire : un mystère expliqué
Nous savons que l’Univers est principalement constitué d’énergie sombre. Il s’agit d’une force mystérieuse qui fait que l’espace augmente le taux d’expansion de l’Univers. Un autre composant mystérieux est la matière noire, qui maintient le contact avec les objets uniquement grâce à la gravité.
Les scientifiques ne peuvent pas voir la matière noire par observation directe, mais ses effets peuvent être étudiés. Ils parviennent à capter la lumière qui est courbée par la force gravitationnelle d’objets invisibles (lentille gravitationnelle). Ils remarquent également des moments où l’étoile tourne autour de la galaxie beaucoup plus rapidement qu’elle ne le devrait.
Tout cela s'explique par la présence d'une énorme quantité de substance insaisissable qui affecte la masse et la vitesse. En fait, cette substance est entourée de mystère. Il s'avère que les chercheurs peuvent plutôt dire non pas ce qui est devant eux, mais ce qui n'est pas.
Ce collage montre des images de six amas de galaxies différents prises par le télescope spatial Hubble de la NASA. Les amas ont été découverts lors de tentatives d'étude du comportement de la matière noire dans les amas de galaxies lors de leur collision.
Matière noire... sombre. Il ne produit pas de lumière et n’est pas observable en vue directe. Nous excluons donc les étoiles et les planètes.
Il n’agit pas comme un nuage de matière ordinaire (ces particules sont appelées baryons). Si les baryons étaient présents dans la matière noire, ils apparaîtraient en observation directe.
Nous excluons également les trous noirs, car ils agissent comme des lentilles gravitationnelles émettant de la lumière. Les scientifiques n’observent pas suffisamment d’événements de lentilles pour calculer la quantité de matière noire qui doit être présente.
Bien que l’Univers soit un endroit immense, tout a commencé avec les plus petites structures. On pense que la matière noire a commencé à se condenser pour créer des « éléments constitutifs » avec la matière normale, produisant ainsi les premières galaxies et amas.
Pour trouver la matière noire, les scientifiques utilisent différentes méthodes :
- Le grand collisionneur de hadrons.
- des instruments comme le WNAP et l’observatoire spatial Planck.
- expériences en vue directe : ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP et ArDM.
- détection indirecte : détecteurs de rayons gamma (Fermi), télescopes à neutrinos (IceCube), détecteurs d'antimatière (PAMELA), capteurs de rayons X et radio.
Méthodes de recherche de matière noire
Le physicien Anton Baushev sur les interactions faibles entre particules, la radioactivité et la recherche de traces d'annihilation :
Plonger plus profondément dans le mystère de la matière noire et de l'énergie noire
Les scientifiques n’ont jamais été capables de voir littéralement la matière noire, car elle n’entre pas en contact avec la matière baryonique, ce qui signifie qu’elle reste insaisissable à la lumière et à d’autres types de rayonnement électromagnétique. Mais les chercheurs sont confiants dans sa présence, car ils observent son impact sur les galaxies et les amas.
La physique standard dit que les étoiles situées aux bords d’une galaxie spirale devraient ralentir. Mais il s'avère qu'apparaissent des étoiles dont la vitesse n'obéit pas au principe de localisation par rapport au centre. Cela ne peut s'expliquer que par le fait que les étoiles ressentent l'influence de la matière noire invisible dans le halo qui entoure la galaxie.
La présence de matière noire permet aussi de décrypter certaines des illusions observées dans les profondeurs de l’univers. Par exemple, la présence d’étranges anneaux et arcs de lumière dans les galaxies. Autrement dit, la lumière provenant de galaxies lointaines traverse la distorsion et est amplifiée par une couche invisible de matière noire (lentille gravitationnelle).
Jusqu’à présent, nous avons quelques idées sur ce qu’est la matière noire. L'idée principale est celle de particules exotiques qui n'entrent pas en contact avec la matière et la lumière ordinaires, mais qui ont un pouvoir au sens gravitationnel. Plusieurs groupes (certains utilisant le Large Hadron Collider) travaillent désormais à la création de particules de matière noire pour les étudier en laboratoire.
D'autres pensent que cette influence peut s'expliquer par une modification fondamentale de la théorie gravitationnelle. Nous obtenons alors plusieurs formes de gravité, qui diffèrent considérablement de l'image habituelle et des lois établies par la physique.
L'univers en expansion et l'énergie noire
La situation de l’énergie noire est encore plus confuse et la découverte elle-même est devenue imprévisible dans les années 1990. Les physiciens ont toujours pensé que la force de gravité avait pour effet de ralentir et pourrait un jour arrêter le processus d’expansion universelle. Deux équipes se sont chargées de mesurer la vitesse et toutes deux, à leur grande surprise, ont détecté une accélération. C'est comme si vous jetiez une pomme en l'air et sachiez qu'elle est vouée à tomber, mais qu'elle s'éloigne de plus en plus de vous.
Il est devenu clair que l’accélération était influencée par une certaine force. De plus, il semble que plus l’Univers est large, plus cette force gagne en « puissance ». Les scientifiques ont décidé de l’appeler énergie sombre.
Récemment, en cosmologie - la science qui étudie la structure et l'évolution de l'Univers - le terme « énergie noire » est devenu largement utilisé, provoquant au moins une légère perplexité parmi les personnes éloignées de ces études. Il est souvent associé à un autre terme « sombre » - « matière noire », et il est également mentionné que, selon les données d'observation, ces deux substances fournissent 95 % de la densité totale de l'Univers. Jetons un rayon de lumière sur ce « royaume des ténèbres ».
DANS littérature scientifique Le terme « énergie noire » est apparu à la fin du siècle dernier pour désigner l’environnement physique qui remplit l’Univers tout entier. Contrairement à divers types substances et rayonnements, dont il est possible (au moins théoriquement) de nettoyer ou de protéger complètement un certain volume, l'énergie sombre dans l'Univers moderne est inextricablement liée à chaque centimètre cube d'espace. Avec un peu d'étirement, nous pouvons dire que l'espace lui-même a une masse et participe à l'interaction gravitationnelle. (Rappelons que selon la formule bien connue E = mc 2, l'énergie est équivalente à la masse.)
Le premier mot du terme « énergie noire » indique que cette forme de matière n’émet ni n’absorbe aucun rayonnement électromagnétique, notamment lumineux. Il n’interagit avec la matière ordinaire que par gravité. Le mot « énergie » oppose ce milieu à la matière structurée, c'est-à-dire constituée de particules, soulignant qu'il ne participe pas au processus d'encombrement gravitationnel conduisant à la formation des galaxies et de leurs amas. En d’autres termes, la densité de l’énergie noire, contrairement à la matière ordinaire et noire, est la même en tous points de l’espace.
Pour éviter toute confusion, notons d'emblée que nous partons d'une idée matérialiste du monde qui nous entoure, ce qui signifie que tout ce qui remplit l'Univers est matière. Si la matière est structurée, on l’appelle substance, et sinon, comme un champ, on l’appelle énergie. La substance, à son tour, est divisée en ordinaire et sombre, selon qu'elle interagit ou non avec le rayonnement électromagnétique. Certes, selon la tradition établie en cosmologie, la matière noire est généralement appelée « matière noire ». L'énergie est également divisée en deux types. L’un d’eux n’est qu’un rayonnement, une autre substance remplissant l’Univers. Autrefois, c'était le rayonnement qui déterminait l'évolution de notre monde, mais maintenant son rôle est tombé à presque le zéro absolu, plus précisément à 3 degrés Kelvin - la température du soi-disant rayonnement micro-onde cosmique provenant de toutes les directions de l'espace. . C'est un vestige (relique) de la jeunesse chaude de notre Univers. Mais nous n'aurions peut-être jamais connu un autre type d'énergie, qui n'interagit pas avec la matière ou le rayonnement et se manifeste exclusivement par gravitation, si ce n'était pour les recherches dans le domaine de la cosmologie.
Avec le rayonnement et la matière ordinaire constituée d'atomes, nous sommes constamment confrontés à Vie courante. Nous en savons beaucoup moins sur la matière noire. Néanmoins, il a été établi de manière assez fiable que son support physique est constitué de certaines particules à faible interaction. Même certaines propriétés de ces particules sont connues, par exemple qu'elles ont une masse et qu'elles se déplacent beaucoup plus lentement que la lumière. Cependant, ils n’ont jamais été enregistrés par des détecteurs artificiels.
La plus grosse erreur d'Einstein
La question de la nature de l’énergie noire est encore plus obscure. Par conséquent, comme cela arrive souvent en science, il est préférable d’y répondre en décrivant le contexte de la question. Cela commence en 1917, année mémorable pour notre pays, lorsque le créateur de la théorie de la relativité générale, Albert Einstein, publiant une solution au problème de l'évolution de l'Univers, introduisit le concept de constante cosmologique dans la circulation scientifique. Dans ses équations décrivant les propriétés de la gravité, il la désigne par la lettre grecque « lambda » (Λ). C'est ainsi qu'il tire son deuxième nom - membre lambda. Le but de la constante cosmologique était de rendre l’Univers stationnaire, c’est-à-dire immuable et éternel. Sans le terme lambda, les équations de la relativité générale prédisaient que l’univers serait instable, comme un ballon qui aurait soudainement perdu tout son air. Einstein n'a pas étudié sérieusement un Univers aussi instable, mais s'est limité à rétablir l'équilibre en introduisant une constante cosmologique.
Cependant, plus tard, en 1922-1924, notre remarquable compatriote Alexander Friedman a montré que dans le sort de l'Univers, la constante cosmologique ne peut pas jouer le rôle de « stabilisateur », et s'est aventuré à considérer des modèles instables de l'Univers. En conséquence, il a réussi à trouver des solutions non stationnaires aux équations d’Einstein, pas encore connues à l’époque, dans lesquelles l’Univers dans son ensemble se contractait ou s’étendait.
À cette époque, la cosmologie était une science purement spéculative, tentant d’appliquer de manière purement théorique des équations physiques à l’Univers dans son ensemble. C’est pourquoi les solutions de Friedman ont été initialement perçues – y compris par Einstein lui-même – comme un exercice mathématique. Ils s'en sont souvenus après la découverte de la récession des galaxies en 1929. Les solutions de Friedmann étaient excellentes pour décrire les observations et sont devenues le modèle cosmologique le plus important et le plus largement utilisé. Et Einstein a plus tard qualifié la constante cosmologique de « plus grande erreur scientifique ».
Supernovae lointaine
Peu à peu, la base d'observation de la cosmologie est devenue de plus en plus puissante et les chercheurs ont appris non seulement à poser des questions sur la nature, mais aussi à y répondre. Et parallèlement aux nouveaux résultats, le nombre d’arguments en faveur de l’existence réelle de la « plus grande erreur scientifique » d’Einstein a augmenté. Ils ont commencé à en parler haut et fort en 1998 après l'observation de supernovae lointaines, qui indiquaient que l'expansion de l'Univers s'accélérait. Cela signifiait qu’il y avait une certaine force répulsive à l’œuvre dans l’Univers, et donc une énergie correspondante, similaire dans ses manifestations à l’effet du terme lambda dans les équations d’Einstein. Essentiellement, le terme lambda est une description mathématique du cas particulier le plus simple de l’énergie noire.
Rappelons que d'après les observations, l'expansion cosmologique obéit à la loi de Hubble : plus la distance entre deux galaxies est grande, plus elles s'éloignent vite l'une de l'autre, et la vitesse, déterminée par le décalage vers le rouge du spectre des galaxies, est directement proportionnelle à la distance. Mais jusqu'à récemment, la loi de Hubble n'était directement testée qu'à des distances relativement petites, celles qui pouvaient être mesurées avec plus ou moins de précision. La façon dont l’Univers s’est étendu dans un passé lointain, c’est-à-dire sur de grandes distances, ne pouvait être jugée qu’à partir de données d’observation indirectes. Il n'a été possible de tester directement la loi de Hubble à de grandes distances qu'à la fin du 20e siècle, lorsqu'un moyen est apparu de déterminer les distances entre les galaxies lointaines et les supernovae qui y ont fait irruption.
Une supernova est un moment dans la vie d’une étoile massive où elle subit une explosion catastrophique. Les supernovae se présentent sous différents types en fonction des circonstances spécifiques précédant le cataclysme. Lors des observations, le type d'éruption est déterminé par le spectre et la forme de la courbe de lumière. Les supernovae, désignées Ia, se produisent lors de l'explosion thermonucléaire d'une naine blanche dont la masse a dépassé un seuil d'environ 1,4 masse solaire, appelé limite de Chandrasekhar. Tant que la masse de la naine blanche reste inférieure à une valeur seuil, la force gravitationnelle de l'étoile est équilibrée par la pression du gaz électronique dégénéré. Mais si, dans un système binaire proche, la matière provient d'une étoile voisine, alors à un certain moment, la pression électronique s'avère insuffisante et l'étoile explose, et les astronomes enregistrent une autre explosion de supernova de type Ia. Étant donné que la masse seuil et la raison pour laquelle une naine blanche explose sont toujours les mêmes, de telles supernovae à luminosité maximale devraient avoir la même luminosité, et très élevée, et peuvent servir de « bougie standard » pour déterminer les distances intergalactiques. Si nous collectons des données sur un grand nombre de ces supernovae et comparons leurs distances avec les redshifts des galaxies dans lesquelles les explosions se sont produites, nous pouvons déterminer comment le taux d'expansion de l'Univers a changé dans le passé et sélectionner le modèle cosmologique approprié, en particulier la valeur appropriée du terme lambda (énergie de densité sombre).
Cependant, malgré la simplicité et la clarté de cette méthode, elle se heurte à un certain nombre de difficultés sérieuses. Tout d’abord, l’absence d’une théorie détaillée de l’explosion des supernovae de type Ia rend précaire leur statut de bougie standard. La nature de l'explosion, et donc la luminosité de la supernova, peut être affectée par la vitesse de rotation de la naine blanche, composition chimique son noyau, la quantité d'hydrogène et d'hélium qui y a coulé depuis une étoile voisine. On ne sait pas encore avec certitude comment tout cela affecte les courbes de lumière. Enfin, les supernovae n'éclatent pas dans le vide, mais dans les galaxies, et la lumière de l'éruption peut, par exemple, être affaiblie par un nuage aléatoire de gaz et de poussière rencontré sur le chemin vers la Terre. Tout cela jette un doute sur la possibilité d’utiliser les supernovae comme bougies standards. Et si c'était le seul argument en faveur de l'existence de l'énergie noire, cet article n'aurait guère été écrit. Ainsi, même si « l’argument de la supernova » a suscité un large débat sur l’énergie noire (et même l’émergence du terme lui-même), la confiance des cosmologistes dans son existence repose sur d’autres arguments, plus convaincants. Malheureusement, ils ne sont pas si simples et ne peuvent donc être décrits que dans les termes les plus généraux.
Une brève histoire des temps
Par idées modernes, la naissance de l’Univers doit être décrite en termes de théorie quantique de la gravité, pas encore créée. Le concept d'« âge de l'Univers » a du sens pour des instants ne dépassant pas 10 à 43 secondes. À des échelles plus petites, il n’est plus possible de parler de l’écoulement linéaire du temps auquel nous sommes habitués. Les propriétés topologiques de l’espace deviennent également instables. Apparemment, à petite échelle, l’espace-temps est rempli de « trous de ver » microscopiques – une sorte de tunnels reliant des régions séparées de l’Univers. Mais il est également impossible de parler de distances ou de l’ordre des événements. Dans la littérature scientifique, un tel état de l’espace-temps avec une topologie fluctuante est appelé mousse quantique. Pour des raisons encore inconnues, peut-être dues à des fluctuations quantiques, un champ physique apparaît dans l'espace de l'Univers, qui, en 10 à 35 secondes environ, provoque l'expansion de l'Univers avec une accélération colossale. Ce processus est appelé inflation, et le champ qui le provoque est appelé inflaton. Contrairement à l’économie, où l’inflation est un mal nécessaire qui doit être combattu, en cosmologie, l’inflation, c’est-à-dire l’expansion exponentiellement rapide de l’Univers, est une bonne chose. C'est à elle que nous devons ce que l'Univers a gagné grande taille et géométrie plate. À la fin de cette courte période d'expansion accélérée, l'énergie emmagasinée dans l'inflaton donne naissance à la matière que nous connaissons : un mélange de rayonnements et de particules massives chauffées à d'énormes températures, ainsi que de l'énergie sombre, à peine perceptible sur leur fond. On peut dire que c'est le Big Bang. Les cosmologues parlent de ce moment comme du début d'une ère dominée par les radiations dans l'évolution de l'Univers, puisque la majeure partie de l'énergie à cette époque provient des radiations. Cependant, l’expansion de l’Univers se poursuit (bien que désormais sans accélération) et affecte les principaux types de matière de différentes manières. La faible densité de l'énergie noire ne change pas avec le temps, la densité de la matière diminue en proportion inverse du volume de l'Univers et la densité du rayonnement diminue encore plus rapidement. En conséquence, après 300 000 ans, la forme dominante de matière dans l’Univers devient la matière, dont la majeure partie est de la matière noire. A partir de ce moment, la croissance des perturbations dans la densité de la matière, à peine couvante au stade de dominance des radiations, devient suffisamment rapide pour conduire à la formation de galaxies, d'étoiles et de planètes si nécessaires à l'humanité. La force motrice de ce processus est l’instabilité gravitationnelle, conduisant à l’encombrement de la matière. Des inhomogénéités à peine perceptibles subsistaient à partir du moment de la désintégration de l'inflation, mais tant que le rayonnement dominait l'Univers, il empêchait le développement de l'instabilité.
La matière noire commence désormais à jouer un rôle majeur. Sous l'influence de leur propre gravité, les régions de densité accrue arrêtent leur expansion et commencent à se contracter, ce qui entraîne la formation de systèmes liés gravitationnellement appelés halos à partir de matière noire. Dans le champ gravitationnel de l'Univers, des « trous » se forment dans lesquels s'engouffre la matière ordinaire. S'accumulant à l'intérieur du halo, elle forme les galaxies et leurs amas. Ce processus de formation de structures a commencé il y a plus de 10 milliards d’années et a continué à se développer jusqu’au dernier tournant de l’évolution de l’Univers. Après 7 milliards d'années (environ la moitié de l'âge actuel de l'Univers), la densité de la matière, qui a continué à diminuer en raison de l'expansion cosmologique, est devenue inférieure à la densité de l'énergie noire. Ainsi, l'ère de domination de la matière a pris fin et l'énergie noire contrôle désormais l'évolution de l'Univers. Quelle que soit sa nature physique, elle se manifeste par le fait que l’expansion cosmologique commence à nouveau à s’accélérer, comme à l’ère de l’inflation, mais cette fois très lentement. Mais même cela suffit à ralentir la formation des structures, et à l'avenir cela devrait cesser complètement : toute formation insuffisamment dense sera dissipée par l'expansion accélérée de l'Univers. La « fenêtre » temporelle dans laquelle s’opère l’instabilité gravitationnelle et où apparaissent les galaxies se fermera dans des dizaines de milliards d’années. L'évolution ultérieure de l'Univers dépend de la nature de l'énergie noire. S’il s’agit d’une constante cosmologique, alors l’expansion accélérée de l’Univers se poursuivra pour toujours. Si l'énergie noire est un champ scalaire ultra-faible, alors une fois qu'elle aura atteint un état d'équilibre, l'expansion de l'Univers commencera à ralentir et sera éventuellement remplacée par une compression. Bien que la nature physique de l’énergie noire soit inconnue, tout cela n’est que des hypothèses spéculatives. Ainsi, une seule chose peut être affirmée avec certitude : l’expansion accélérée de l’Univers se poursuivra pendant plusieurs dizaines de milliards d’années. Pendant ce temps, notre foyer cosmique - la Voie lactée - fusionnera avec sa voisine - la nébuleuse d'Andromède (et la plupart des petites galaxies satellites qui font partie du groupe local). Toutes les autres galaxies s'envoleront sur de grandes distances, de sorte que nombre d'entre elles ne seront pas visibles, même avec le télescope le plus puissant. Quant au rayonnement cosmique de fond micro-ondes, qui nous apporte tant information vitale sur la structure de l'Univers, alors sa température tombera presque jusqu'à zéro et cette source d'information sera perdue. L'humanité restera Robinson sur l'île avec la perspective éphémère de l'acquérir au moins vendredi.
Structure à grande échelle de l'Univers
Les cosmologues disposent de deux sources principales de connaissances sur la structure à grande échelle de l’Univers. Il s'agit tout d'abord de la répartition de la matière lumineuse, c'est-à-dire des galaxies, dans l'espace qui nous entoure. La carte tridimensionnelle montre dans quelles structures - groupes, amas, superamas - les galaxies sont unies et quelles sont les tailles, formes et nombres caractéristiques de ces formations. Cela montre clairement comment la matière est distribuée dans l’Univers moderne.
Une autre source d’information est la répartition de l’intensité du rayonnement cosmique de fond micro-ondes sur la sphère céleste. Une carte du ciel dans la gamme des micro-ondes contient des informations sur la répartition des inhomogénéités de densité dans l'Univers primitif, lorsque son âge était d'environ 300 000 ans - c'est alors que la matière est devenue transparente au rayonnement. Les distances angulaires entre les points sur la carte micro-ondes indiquent la taille des irrégularités à ce moment-là, et les différences de luminosité (d'ailleurs, elles sont très faibles, de l'ordre d'un centième de pour cent) indiquent le degré de compactage des embryons des futurs amas de galaxies. Ainsi, nous avons pour ainsi dire deux tranches de temps : la structure de l'Univers à des instants 300 mille et 14 milliards d'années après le Big Bang.
La théorie dit que les caractéristiques des structures observées dépendent fortement de la quantité de matière dans l'Univers (régulière et sombre). Des calculs basés sur des données d'observation montrent que sa part est aujourd'hui d'environ 30 % (dont seulement 5 % sont constitués de matière ordinaire constituée d'atomes). Cela signifie que les 70 % restants sont constitués de matière qui n’est incluse dans aucune structure, c’est-à-dire de l’énergie noire. Cet argument n'est pas si transparent, car derrière lui se cachent des calculs complexes qui décrivent la formation des structures dans l'Univers. Cependant, il est effectivement plus puissant. Cela peut être illustré par cette analogie. Imaginez qu’une civilisation extraterrestre cherche à découvrir une vie intelligente sur Terre. Un groupe de chercheurs a remarqué de puissantes émissions radio provenant de notre planète, qui changent périodiquement de fréquence et d'intensité, et attribue cela au travail des équipements électroniques. Un autre groupe a envoyé une sonde sur Terre et a photographié des carrés de champs, des lignes routières et des nœuds urbains. Le premier argument est évidemment plus simple, mais le second est plus convaincant.
En poursuivant cette analogie, nous pouvons dire qu'une preuve encore plus claire de la vie intelligente serait l'observation de la formation des structures répertoriées. Bien entendu, il n’est pas encore possible pour l’homme d’observer en temps réel la formation des amas de galaxies. Néanmoins, il est possible de déterminer comment leur nombre a évolué au cours de l'évolution de l'Univers. Le fait est qu’en raison de la vitesse limitée de la lumière, observer des objets à de grandes distances équivaut à regarder dans le passé.
Le taux de formation des galaxies et de leurs amas est déterminé par le taux de croissance des perturbations de densité, qui, à son tour, dépend des paramètres du modèle cosmologique, en particulier du rapport matière/énergie noire. Dans un Univers avec une grande proportion d'énergie sombre, les perturbations augmentent lentement, ce qui signifie qu'aujourd'hui il ne devrait y avoir qu'un peu plus d'amas de galaxies que par le passé, et leur nombre diminuera lentement avec la distance. En revanche, dans un Univers sans énergie sombre, le nombre d’amas diminue assez rapidement à mesure que l’on s’enfonce dans le passé. En déterminant le taux d'émergence de nouveaux amas de galaxies à partir d'observations, il est possible d'obtenir une estimation indépendante de la densité de l'énergie noire.
Il existe d'autres arguments d'observation indépendants confirmant l'existence d'un milieu homogène, qui a une influence décisive sur la structure et l'évolution de l'Univers. On peut dire que l'affirmation sur l'existence de l'énergie noire est le résultat du développement de toute la cosmologie observationnelle du XXe siècle.
Aspirateur et autres modèles
Si la plupart des cosmologistes ne doutent plus de l’existence de l’énergie noire, sa nature reste encore floue. Ce n’est cependant pas la première fois que les physiciens se retrouvent dans une telle situation. De nombreuses nouvelles théories commencent par la phénoménologie, c’est-à-dire une description mathématique formelle d’un effet particulier, et les explications intuitives apparaissent bien plus tard. Pour aujourd'hui, décrivant propriétés physiquesénergie sombre, les cosmologues prononcent des mots qui pour les non-initiés ressemblent davantage à un sortilège : il s'agit d'un milieu dont la pression est égale à la densité d'énergie en grandeur, mais opposée en signe. Si cette étrange relation est introduite dans l’équation d’Einstein issue de la théorie de la relativité générale, il s’avère qu’un tel milieu est repoussé gravitationnellement par lui-même et, par conséquent, se dilate rapidement et ne se regroupera jamais en amas.
Cela ne veut pas dire que nous traitons souvent de telles questions. Cependant, c’est exactement ainsi que les physiciens décrivent le vide depuis de nombreuses années. Selon les concepts modernes, les particules élémentaires n'existent pas dans un espace vide, mais dans un environnement particulier - un vide physique, qui détermine précisément leurs propriétés. Ce milieu peut être dans différents états, différant par la densité d'énergie stockée, et dans différents types de vide, les particules élémentaires se comportent différemment.
Notre vide ordinaire a le moins d’énergie. L'existence d'un vide instable et plus énergétique, qui correspond à ce que l'on appelle l'interaction électrofaible, a été découverte expérimentalement. Il commence à apparaître à des énergies de particules supérieures à 100 gigaélectronvolts - ce n'est qu'un ordre de grandeur inférieur à la limite des capacités des accélérateurs modernes. Des types de vide encore plus énergétiques sont prédits théoriquement. On peut supposer que notre vide ordinaire n’a pas une densité d’énergie nulle, mais juste une densité d’énergie qui donne la valeur souhaitée du terme lambda dans l’équation d’Einstein.
Cependant, ceci bonne idée L’idée d’attribuer de l’énergie noire au vide n’enthousiasme pas les chercheurs travaillant à l’intersection de la physique des particules et de la cosmologie. Le fait est que ce type de vide devrait correspondre à une énergie de particule d’environ un millième d’électronvolt seulement. Mais cette gamme d'énergie, qui se situe à la frontière entre le rayonnement infrarouge et le rayonnement radio, est étudiée depuis longtemps par les physiciens et rien d'anormal n'y a été trouvé.
Par conséquent, les chercheurs sont enclins à croire que l’énergie noire est la manifestation d’un nouveau champ ultra-faible qui n’a pas encore été découvert en laboratoire. Cette idée est similaire à celle qui sous-tend la cosmologie inflationniste moderne. Là aussi, l'expansion ultra-rapide du jeune Univers se produit sous l'influence de ce qu'on appelle le champ scalaire, seule sa densité d'énergie est bien supérieure à celle qui est responsable de la lente accélération actuelle de l'expansion de l'Univers. On peut supposer que le champ, porteur de l’énergie sombre, est resté comme une relique du Big Bang et a longtemps été dans un état « d’hibernation » alors que durait la domination du rayonnement d’abord, puis de la matière noire.
Pression négative et répulsion gravitationnelle
Lorsqu'ils décrivent l'énergie noire, les cosmologues pensent que sa principale propriété est la pression négative. Elle conduit à l’apparition de forces gravitationnelles répulsives, que les non-spécialistes appellent parfois antigravité. Cette affirmation contient deux paradoxes à la fois. Examinons-les successivement.
Comment la pression peut-elle être négative ? On sait que la pression d’une substance ordinaire est associée au mouvement des molécules. En heurtant la paroi du récipient, les molécules de gaz lui transfèrent leur impulsion, la repoussent et exercent une pression dessus. Les particules libres ne peuvent pas créer de pression négative, elles ne peuvent pas « tirer la couverture sur elles-mêmes », mais dans un corps solide, cela est tout à fait possible. Une bonne analogie avec la pression négative de l’énergie noire est la coquille ballon. Chaque centimètre carré s’étire et a tendance à rétrécir. Si un espace apparaissait quelque part dans la coque, il se rétrécirait immédiatement pour se transformer en un petit chiffon en caoutchouc. Mais même s’il n’y a pas de rupture, la tension négative est répartie uniformément sur toute la surface. De plus, si le ballon est gonflé, le caoutchouc deviendra plus fin et l'énergie emmagasinée dans sa tension augmentera. La densité de matière et d’énergie noire se comporte de la même manière à mesure que l’Univers s’étend.
Pourquoi la pression négative accélère-t-elle l’expansion ? Il semblerait que, sous l'influence de la pression négative de l'énergie noire, l'Univers devrait se contracter ou, du moins, ralentir son expansion, amorcée au moment du Big Bang. Mais le contraire est vrai, car la pression négative de l’énergie noire est trop… grande.
Le fait est que, selon la théorie générale de la relativité, la gravité dépend non seulement de la masse (plus précisément de la densité d'énergie), mais aussi de la pression. Plus la pression est forte, plus la gravité est forte. Et plus la pression négative est forte, plus elle est faible ! Certes, les pressions réalisables dans les laboratoires et même au centre de la Terre et du Soleil sont trop faibles pour que leur effet sur la gravité soit perceptible. Mais la pression négative de l’énergie noire, au contraire, est si grande qu’elle domine l’attraction de sa propre masse et de celle de toute autre matière. Il s'avère qu'une substance massive présentant une très forte pression négative ne se comprime pas paradoxalement, mais au contraire gonfle sous l'influence de sa propre gravité. Imaginez un État totalitaire qui, dans un effort pour assurer sa sécurité, réprime la liberté à un point tel que les citoyens fuient le pays en masse, se rebellent et finissent par détruire l’État lui-même. Pourquoi des efforts excessifs pour renforcer l’État aboutissent-ils à sa destruction ? C’est la nature des gens : ils résistent à la répression. Pourquoi une pression négative extrême entraîne-t-elle une expansion plutôt qu’une compression ? Ce sont les propriétés de la gravité exprimées par l'équation d'Einstein. Bien sûr, une analogie n’est pas une explication, mais elle aide à « comprendre » les paradoxes de l’énergie noire.
Comment peser la structure ?
L'énergie sombre est la preuve la plus importante de l'existence de phénomènes qui ne sont pas décrits par la physique moderne. Par conséquent, une étude détaillée de ses propriétés est la tâche la plus importante de la cosmologie observationnelle. Pour connaître la nature physique de l’énergie noire, il faut tout d’abord étudier le plus précisément possible comment le mode d’expansion de l’Univers a changé dans le passé. On peut essayer de mesurer directement la dépendance du taux d’expansion à la distance. Cependant, en raison du manque de méthodes fiables en astronomie pour déterminer les distances extragalactiques, il est presque impossible d'atteindre la précision requise sur cette voie. Mais il existe d’autres moyens plus prometteurs de mesurer l’énergie noire, qui constituent une extension logique de l’argument structurel en faveur de son existence.
Comme nous l'avons déjà noté, le taux de formation des structures dépend dans une large mesure de la densité de l'énergie noire. Il ne peut pas lui-même se regrouper et créer des structures et empêche le regroupement gravitationnel de la matière noire et ordinaire. À propos, c'est pourquoi, à notre époque, ces morceaux de matière qui n'ont pas encore commencé à rétrécir « se dissolvent » progressivement dans la mer d'énergie noire, cessant de « ressentir » une attraction mutuelle. L’humanité est ainsi témoin du taux de formation de structures le plus élevé de l’histoire de l’Univers. À l’avenir, cela ne fera que diminuer.
Pour déterminer comment la densité de l'énergie noire a changé au fil du temps, vous devez apprendre à « peser » la structure de l'Univers - les galaxies et leurs amas - à différents redshifts. Il existe de nombreuses façons de procéder, car les objets de mesure - les galaxies - sont bien étudiés et visibles même à de grandes distances. L’approche la plus simple consiste à compter soigneusement les galaxies et leurs structures à l’aide de la carte tridimensionnelle susmentionnée de la répartition spatiale des galaxies. Dans une autre méthode, la masse d’une structure est estimée à partir du champ gravitationnel inhomogène qu’elle crée. Lorsque la lumière traverse la structure, elle est déviée par sa gravité, provoquant une distorsion des images des galaxies lointaines que nous voyons. Cet effet est appelé lentille gravitationnelle. En mesurant les distorsions résultantes, il est possible de déterminer (peser) la structure le long du trajet de la lumière. Les premières observations réussies ont déjà été réalisées grâce à cette méthode et des expériences spatiales sont prévues pour l'avenir - après tout, il est nécessaire d'obtenir une précision de mesure maximale.
Nous vivons donc dans un monde dont la dynamique d’expansion est contrôlée par une forme de matière qui nous est inconnue. Et la seule connaissance fiable à son sujet, outre le fait de son existence, est l'équation d'état de type vide, ce même lien particulier entre la densité d'énergie et la pression. Nous ne savons pas encore si et comment la nature de cette relation évolue au fil du temps. Cela signifie que toutes les discussions sur l’avenir de l’Univers sont essentiellement spéculatives, basées en grande partie sur les vues esthétiques de leurs auteurs. Mais nous sommes entrés dans une ère de cosmologie précise, basée sur des instruments d’observation de haute technologie et des méthodes statistiques avancées de traitement des données. Si l’astronomie continue de se développer au même rythme qu’aujourd’hui, le mystère de l’énergie noire sera résolu par la génération actuelle de chercheurs.
Les physiciens adorent les slogans. Depuis quelque temps, il est d’usage chez eux de donner des noms « non scientifiques » aux entités nouvellement découvertes. Prenez par exemple les quarks étranges et charmés. L’énergie noire n’est donc pas synonyme de forces obscures, mais un terme inventé pour désigner certaines propriétés inhabituelles de notre Univers.
La découverte de l’énergie noire a été réalisée à l’aide de méthodes astronomiques et a été une surprise totale pour la plupart des physiciens. L'énergie sombre est peut-être le principal mystère sciences naturelles modernes. Il est probable que sa solution deviendra l'événement le plus important de la physique du XXIe siècle, comparable en ampleur aux plus grandes découvertes du passé récent, comme la découverte du phénomène d'expansion de l'Univers.
Il est même possible qu'un développement si radical de la théorie se produise qu'il sera comparable à la création de la théorie de la relativité générale, à la découverte de la courbure de l'espace-temps et à la connexion de cette courbure avec les forces gravitationnelles. Nous sommes désormais au début du voyage, et parler d’énergie noire est l’occasion de se pencher sur le « laboratoire » des physiciens à l’heure où leurs travaux battent leur plein.
Un peu d'histoire
Le fait que « quelque chose ne va pas » dans notre Univers est devenu évident pour les cosmologistes au début des années 1990. Pour plus de précision, il est utile de rappeler la loi de l'expansion de l'Univers. Les galaxies éloignées les unes des autres se dispersent, et plus la galaxie s'éloigne, plus elle s'éloigne de nous rapidement. Quantitativement, le taux d'expansion est caractérisé par le paramètre Hubble. Au début des années 1990, la valeur du paramètre Hubble dans l'Univers moderne était assez bien mesurée : le taux d'expansion de l'Univers aujourd'hui est tel que les galaxies situées à une distance de 1 milliard d'années-lumière de la Terre nous échappent à une vitesse de 24 mille km/s.
Notez que le paramètre Hubble dépend du temps : dans un passé lointain, l'Univers s'est développé beaucoup plus rapidement qu'aujourd'hui et, par conséquent, le paramètre Hubble était beaucoup plus grand.
Dans la théorie moderne de la gravité - la théorie générale de la relativité - le paramètre de Hubble est uniquement lié à deux autres caractéristiques de l'Univers : premièrement, avec la densité d'énergie totale de toutes les formes de matière, le vide, etc., et deuxièmement, avec la courbure de l'espace tridimensionnel. Notre espace tridimensionnel, d’une manière générale, n’a pas besoin d’être euclidien ; sa géométrie peut, par exemple, s'apparenter à la géométrie d'une sphère ; La somme des angles d'un triangle ne peut pas être égale à 180°. Dans ce cas, « l'élasticité » de l'espace du point de vue de l'expansion de l'Univers joue le même rôle que la densité énergétique.
Au début des années 1990, la densité énergétique de la matière « normale » dans l’Univers moderne était également estimée avec une bonne précision. Elle est « normale » dans le sens où elle subit les mêmes interactions gravitationnelles que la matière ordinaire. La question est cependant compliquée par le fait que la majeure partie de la matière « normale » est ce qu’on appelle la matière noire. La matière noire est apparemment constituée de nouvelles particules élémentaires, non encore découvertes dans les expériences terrestres, qui interagissent extrêmement faiblement avec la matière (plus faibles que les neutrinos !), mais subissent également une interaction gravitationnelle. C’est précisément par l’effet de l’attraction gravitationnelle qu’elle a été découverte. De plus, les mesures des forces gravitationnelles dans les amas de galaxies ont permis de déterminer la masse de matière noire qui s'y trouvent, et in fine de l'Univers dans son ensemble. Ainsi, la densité énergétique totale de la matière « normale » a été trouvée (la fameuse formule est valable pour elle E = mс 2).
Et ce qui est arrivé? Il s’est avéré que la matière « normale » n’est clairement pas suffisante pour expliquer le taux d’expansion mesuré de l’Univers. De plus, il y a une grave pénurie : la « pénurie » était d'environ 2/3 (selon les estimations modernes - environ 70 %). Il y avait deux explications possibles à ce fait : soit l'espace tridimensionnel est courbé, et la contribution manquante au paramètre de Hubble est associée à son « élasticité », soit il existe une courbe. nouvelle forme l’énergie, qui deviendra plus tard connue sous le nom d’« énergie noire ».
D'un point de vue théorique, ces deux possibilités – la nature non euclidienne de l'espace et l'énergie noire – semblaient extrêmement invraisemblables.
Commençons par la courbure de l'espace tridimensionnel. À mesure que l’Univers s’étend, l’espace se lisse et sa courbure diminue. Si la courbure est différente de zéro aujourd’hui, alors elle était plus grande dans le passé qu’elle ne l’est aujourd’hui. Cependant, la densité d’énergie (masse) de la matière diminue encore plus rapidement à mesure que l’Univers s’étend. Cela signifie que dans le passé, la contribution relative de la courbure au paramètre de Hubble était très faible et que la contribution principale – et de loin – était celle de la matière. Pour que l'expansion actuelle de l'Univers soit assurée à 70 % par la courbure, il est nécessaire d'« ajuster » la valeur du rayon de courbure de l'espace dans le passé avec une précision fantastique - une seconde après le Big Bang, elle aurait dû être égale à un milliard de rayons de la partie alors observable de l'Univers, ni plus ni moins ! Sans un tel ajustement, la courbure actuelle serait soit de plusieurs ordres de grandeur supérieure, soit de plusieurs ordres de grandeur inférieure à ce qui est nécessaire pour expliquer les observations.
Ce problème a été l’une des principales considérations qui ont conduit à l’idée du stade inflationniste de l’évolution de l’Univers. Selon la théorie de l'inflation, proposée par Alexei Starobinsky et indépendamment par Alan Guth et façonnée par les travaux d'Andrei Linde, Andreas Albrecht et Paul Steinhardt, l'Univers, à un stade très précoce de son évolution, a traversé une étape extrêmement rapide, expansion exponentielle (inflation, inflation). A la fin de cette étape, l'Univers s'est réchauffé à un niveau très haute température, et l’ère du Big Bang brûlant a commencé.
Bien que la phase inflationniste n’ait probablement duré qu’une petite fraction de seconde, pendant ce temps, l’Univers s’est élargi de dizaines ou de centaines d’ordres de grandeur (ou bien plus) et la courbure de l’espace est tombée jusqu’à presque zéro. Ainsi, la théorie inflationniste conduit à prédire que l’espace de l’Univers moderne avec le plus haut degré Précision euclidienne. Ceci, bien sûr, va à l’encontre de l’hypothèse selon laquelle l’Univers connaît aujourd’hui une expansion de 70 % en raison de la courbure.
L'action de l'énergie sombre est similaire à l'inflation cosmologique des premiers instants de l'Univers, mais à une échelle complètement différente - une densité d'énergie insignifiante, une lente accélération. Cette petite échelle grand mystère, on ne sait absolument pas comment l'énergie noire peut être liée à la physique des particules et des champs que nous connaissons. Nous reviendrons sur cette énigme plus tard.
Dans le dilemme de savoir si l’énergie noire ou la courbure sont responsables des 70 % manquants de la densité de l’Univers, cette dernière a longtemps été plus populaire. La percée a eu lieu en 1998-1999, lorsque deux équipes américaines, l'une dirigée par Adam Reiss et Brian Schmidt et l'autre par Saul Perlmutter, ont rapporté des observations de supernovae lointaines de type Ia. De ces observations, il s’ensuit que notre Univers se développe à un rythme accéléré. Cette propriété est tout à fait cohérente avec l'idée d'énergie noire, alors que la courbure de l'espace ne conduit pas à une expansion accélérée.
Quelques mots sur les supernovae de type Ia. Ce sont des naines blanches qui, alimentées par la matière d'une étoile compagne, ont atteint la limite dite de Chandrasekhar, après quoi elles ont perdu leur stabilité, ont explosé et se sont effondrées en étoiles à neutrons. La limite de Chandrasekhar est la même pour toutes les naines blanches ; les naines blanches elles-mêmes sont similaires les unes aux autres, donc les explosions sont dans un certain sens les mêmes. En d’autres termes, les supernovae de type Ia sont des « bougies standards » : connaissant la luminosité absolue et mesurant la luminosité apparente (le flux d’énergie arrivant sur Terre), on peut déterminer la distance à chacune d’elles. Parallèlement, il est possible d'établir la vitesse à laquelle chacune des supernovae s'éloigne de nous (grâce à l'effet Doppler).
Les supernovae sont des objets très brillants et peuvent être vus à de grandes distances. En d’autres termes, les supernovae lointaines que nous observons aujourd’hui ont explosé il y a longtemps et leur vitesse de fuite a donc été déterminée par le taux d’expansion de l’Univers à l’époque, dans un passé lointain. Ainsi, les observations de supernovae de type Ia permettent de déterminer le taux d'expansion à une vitesse relativement élevée. étapes préliminairesévolution de l'Univers (il y a 8 milliards d'années et même un peu plus tôt) et retracer la dépendance de ce rythme au temps. C’est ce qui a permis d’établir que l’Univers est en expansion de plus en plus rapide.
La preuve finale que la courbure de l'espace tridimensionnel de l'Univers est petite a été obtenue en étudiant la carte du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes.
À l’époque des émissions reliques de photons, l’Univers n’était pas exactement homogène. Les inhomogénéités qui existaient alors étaient des embryons de structures - les premières étoiles, galaxies, amas de galaxies. A cette époque, les inhomogénéités du plasma étaient des ondes sonores. Il est important qu’à cette époque l’Univers ait une échelle de distance caractéristique. Les ondes sonores de grande longueur et, par conséquent, de longue période, n'avaient pas encore eu le temps de se développer à l'ère du rayonnement des photons reliques, et les ondes de longueur « correcte » venaient juste de parvenir à atteindre la phase d'amplitude maximale. Cette longueur d’onde « correcte » représente la « règle standard » de l’ère de l’émission de photons CMB ; sa taille est calculée de manière fiable dans la théorie du Big Bang chaud et apparaît sur la carte CMB.
Au tournant des XXe et XXIe siècles, dans les expériences BOOMERanG et MAXIMA, l’angle sous lequel la « règle standard » dont nous venons de parler est visible a été mesuré pour la première fois. Il est clair que cet angle dépend de la géométrie de l'espace : si la somme des angles d'un triangle dépasse 180°, alors cet angle est également plus grand. En conséquence, il a été constaté que notre espace tridimensionnel est euclidien avec un bon degré de précision. Des mesures ultérieures ont confirmé cette conclusion. Du point de vue de l'expansion de l'Univers, les résultats existants font que la courbure de l'espace apporte une contribution négligeable (moins de 1 %) au paramètre de Hubble. Le taux d’expansion de l’Univers est désormais de 70 % grâce à l’énergie noire.
Ils ne savent plus rien d'elle
Quelles propriétés de l’énergie noire sont actuellement connues ? Il existe peu de propriétés de ce type, seulement trois. Mais ce que l’on sait peut, à juste titre, étonner.
La première est le fait que, contrairement à la matière « normale », l’énergie noire ne se regroupe pas, ne se rassemble pas en objets tels que les galaxies ou leurs amas – elle est « répartie » uniformément dans tout l’Univers. Cette affirmation, comme toute affirmation basée sur des observations ou des expériences, est vraie avec une certaine précision. Cependant, il ressort des observations que les écarts par rapport à l’homogénéité, s’ils existent, devraient être très faibles.
Nous avons déjà parlé de la deuxième propriété : l’énergie noire provoque une expansion accélérée de l’Univers. De cette manière, l’énergie noire est également très différente de la matière normale, qui ralentit son expansion. Les deux propriétés décrites indiquent que l'énergie noire, dans un certain sens, subit une antigravité ; car elle produit une répulsion gravitationnelle au lieu d'une attraction gravitationnelle. Zones à haute densité normale la matière, en raison de l'attraction gravitationnelle, collecte la matière de l'espace environnant, ces zones elles-mêmes sont comprimées et forment des amas denses. Pour une substance antigravitante, l'inverse est vrai : les zones de densité accrue (le cas échéant) sont étirées en raison de la répulsion gravitationnelle, les inhomogénéités sont lissées et aucun amas ne se forme.
La troisième propriété de l’énergie noire est que sa densité ne dépend pas du temps. Aussi surprenant : l'Univers s'étend, le volume augmente, mais la densité énergétique reste constante. Il semble y avoir ici une contradiction avec la loi de conservation de l’énergie. Au cours des 8 derniers milliards d’années, la taille de l’Univers a doublé. Une zone d'espace qui avait alors, disons, une taille de 1 m, a aujourd'hui une taille de 2 m, son volume a augmenté 8 fois et l'énergie dans ce volume a augmenté du même montant. La non-conservation de l'énergie est une évidence.
En fait, l’augmentation de l’énergie à mesure que l’Univers s’étend ne contredit pas les lois de la physique. L'énergie sombre est conçue de telle manière que l'espace en expansion travaille sur elle, ce qui entraîne une augmentation de l'énergie de cette substance dans le volume en expansion de l'espace. Certes, l'expansion de l'espace est elle-même causée par l'énergie noire, la situation rappelle donc celle du baron Munchausen se sortant du marais par les cheveux. Et pourtant il n’y a pas de contradiction : dans un contexte cosmologique il est impossible d’introduire le concept complet l'énergie, qui comprend l'énergie du champ gravitationnel lui-même. Il n’existe donc pas non plus de loi de conservation de l’énergie qui interdise l’augmentation ou la diminution de l’énergie de toute forme de matière.
L'affirmation sur la constance de la densité de l'énergie noire est également basée sur des observations astronomiques et est donc également vraie avec une certaine précision. Pour caractériser cette précision, nous soulignons qu’au cours des 8 derniers milliards d’années, la densité de l’énergie noire n’a pas changé de plus de 1,1 fois. Aujourd’hui, nous pouvons le dire avec confiance.
Notons que les deuxième et troisième propriétés de l’énergie noire – la capacité de conduire à une expansion accélérée de l’Univers et sa constance dans le temps (ou, plus généralement, une très lente dépendance au temps) – sont en fait étroitement liées. Cette connexion découle des équations de la relativité générale. Dans le cadre de cette théorie, l'expansion accélérée de l'Univers se produit précisément lorsque la densité d'énergie qu'il contient ne change pas du tout ou change très lentement. Ainsi, l'antigravité de l'énergie noire et ses relations difficiles avec la loi de conservation de l'énergie - les deux faces d'une même médaille.
Cela épuise essentiellement les informations fiables sur l’énergie noire. Commence alors le domaine des hypothèses. Avant d’en parler, abordons brièvement une question générale.
Pourquoi maintenant?
Si, dans l’Univers moderne, l’énergie noire constitue la plus grande contribution à la densité énergétique totale, cela était loin d’être le cas dans le passé. Disons qu'il y a 8 milliards d'années, la matière normale était 8 fois plus dense et la densité de l'énergie noire était la même (ou presque la même) qu'aujourd'hui. De là, il est facile de conclure qu'à cette époque le rapport entre l'énergie au repos de la matière normale et l'énergie noire était en faveur de la première : l'énergie noire était d'environ 13 %, et non 70 % comme aujourd'hui. En raison du fait que la matière normale jouait à cette époque le rôle principal, l'expansion de l'Univers s'est produite avec ralentissement . Même plus tôt, l’influence de l’énergie noire sur l’expansion était très faible.
Ainsi, l’influence de l’énergie noire et l’accélération de l’expansion de l’Univers qu’elle provoque sont des phénomènes très récents selon les normes cosmologiques : l’accélération a commencé il y a « seulement » 6,5 milliards d’années. D’un autre côté, puisque la densité de la matière normale diminue avec le temps, mais pas la densité de l’énergie noire, l’énergie noire va bientôt dominer complètement (encore une fois selon les normes cosmologiques). Cela signifie que l'étape actuelle de l'évolution cosmologique est une période de transition au cours de laquelle l'énergie noire joue déjà un rôle notable, mais l'expansion de l'Univers est déterminée non seulement par elle, mais aussi par la matière normale. Cette particularité de notre époque est-elle une coïncidence ou y a-t-il derrière elle une propriété profonde de notre Univers ? Cette question est « pourquoi maintenant ? » - reste ouvert pour l'instant.
Candidats
S’il n’y avait pas de gravité, la valeur absolue de l’énergie n’aurait aucune signification physique. Dans toutes les théories décrivant la nature, à l'exception de la théorie des interactions gravitationnelles, seules différenceénergies de certains états. Ainsi, lorsque nous parlons de l’énergie de liaison d’un atome d’hydrogène, nous entendons la différence entre deux quantités : l’énergie totale au repos d’un proton et d’un électron libres, d’une part, et l’énergie au repos de l’atome, d’autre part. C’est cette différence d’énergie qui est libérée (transférée au photon né) lorsqu’un électron et un proton se combinent pour former un atome. S’il n’y avait pas d’interaction gravitationnelle, parler d’énergie du vide serait inutile , son il n’y aurait tout simplement rien à quoi le comparer.
Le fait est que l’énergie du vide, comme toute autre énergie, « pèse » gravite . Le vide est un état avec l'énergie la plus faible (par conséquent, d'ailleurs, on ne peut pas lui en retirer d'énergie), mais cette énergie ne doit pas nécessairement être égale à zéro ; d'un point de vue théorique, cela peut être à la fois positif et négatif. La question de savoir si cela peut être calculé « à partir des premiers principes » est une grande question. Mais dans tous les cas, l’énergie du vide, si elle est positive, a exactement les propriétés que devrait avoir l’énergie noire : homogénéité dans l’espace et constance dans le temps.
Comme nous l'avons dit plus haut, dans la théorie générale de la relativité, cette dernière propriété signifie automatiquement que l'énergie du vide conduit à une expansion accélérée de l'Univers.
Nous soulignons que l’homogénéité dans l’espace et la constance dans le temps sont des propriétés exactes et non approximatives du vide. La densité d'énergie du vide est une constante universelle (au moins dans la partie de l'Univers que nous observons). Il faut dire que cette constante – la constante cosmologique, le terme Λ – a été introduite dans ses équations par Einstein. Certes, il ne l'a pas identifié avec l'énergie du vide, mais c'est une question de terminologie, du moins avec la compréhension moderne de l'essence du sujet. Einstein a ensuite abandonné son idée – peut-être en vain.
Pourquoi l’idée de l’énergie noire comme énergie du vide ne satisfait-elle pas de nombreux physiciens ? Tout d’abord, cela est dû à la valeur absurdement petite de la densité d’énergie du vide, nécessaire à l’accord entre la théorie et les observations.
Dans le vide, des particules virtuelles naissent et meurent tout le temps, il y a des condensats de champ - le vide ressemble plus à un milieu complexe qu'à un vide absolu. Ce ne sont pas seulement des spéculations : les caractéristiques du vide se reflètent dans les propriétés des particules élémentaires et leurs interactions et sont finalement déterminées, quoique indirectement, par de nombreuses expériences. L'énergie du vide, en principe, doit « savoir » comment elle est structurée, quelle est sa structure et quelles sont les valeurs des paramètres qui la caractérisent (par exemple, les condensats de champ).
Imaginons maintenant un ange théorique qui a étudié la physique des particules élémentaires, mais qui n'a rien entendu sur notre Univers. Demandons à ce théoricien de prédire la densité d'énergie du vide. Sur la base des échelles d'énergie caractéristiques des interactions fondamentales et des échelles de longueur correspondantes, il fera son estimation - et se trompera un nombre inimaginable de fois - de plusieurs dizaines d'ordres de grandeur. Notre théoricien prédirait une telle plus d'énergie le vide et un tel taux d'expansion de l'Univers qu'il provoque que les maisons de la rue voisine devraient s'envoler loin de nous à des vitesses proches de la vitesse de la lumière !
Le problème de l’énergie du vide intriguait les physiciens théoriciens bien avant la découverte de l’énergie noire. Ainsi, dans les années 1920 et 1930, ce problème inquiétait Wolfgang Pauli, qui écrivait en 1933 : « Cette énergie [du vide ; puis ils ont utilisé le terme « énergie du point zéro », Nullpunktsenergie] devrait être en principe inobservable, puisqu'elle n'est pas émise, absorbée ou dispersée... et puisque, comme le montre l'expérience, elle ne crée pas de champ gravitationnel. Pourquoi cela arrive-t-il? Une possibilité est que l’énergie de l’espace vide change encore avec le temps et finisse par devenir proche de zéro. Les modèles théoriques spécifiques illustrant cette possibilité sont extrêmement difficiles à construire, mais pas impossibles ; il est encore plus difficile de les insérer dans un contexte cosmologique.
Si l’énergie sombre est de l’énergie du vide, alors essayer de comprendre pourquoi sa valeur est si petite peut être fait en utilisant une logique complètement différente. Imaginons que l'Univers soit extrêmement grand, qu'il soit plusieurs fois plus grand que la partie que nous observons. Supposons en outre que dans différentes parties très vastes de l’Univers, une variété d’états de vide avec des densités d’énergie très différentes puissent être réalisés. Cette possibilité n’est d’ailleurs pas théoriquement exclue ; C’est d’ailleurs exactement ce qui semble être le cas dans la théorie des supercordes, surtout si l’Univers traversait une phase inflationniste. Les régions de l'Univers où la densité d'énergie du vide est trop élevée en valeur absolue sont complètement différentes de notre région : là où l'énergie du vide est grande et positive, l'espace s'étend si rapidement que les étoiles et les galaxies n'ont tout simplement pas le temps de se former ; dans les régions où l’énergie du vide est négative, l’expansion de l’espace cède rapidement la place à la compression et ces régions s’effondrent bien avant la formation des étoiles. Dans les deux cas, l’évolution cosmologique est incompatible avec l’existence d’observateurs comme nous. Et, à l’inverse, nous n’avons pu apparaître que là où la densité d’énergie du vide est très proche de zéro – et c’est là que nous sommes apparus.
Cette vision anthropique, comme on dit, du problème de l'énergie du vide a été exprimée il y a plus de 20 ans dans les travaux d'Andrei Linde et Steven Weinberg. Aujourd'hui, il est populaire parmi une partie importante des physiciens théoriciens. L’autre partie le perçoit comme un moyen de s’éloigner du problème. L’approche la plus équilibrée consiste probablement à ne pas exclure l’explication anthropique comme réponse finale possible, mais néanmoins à essayer de trouver solution alternative problèmes d’énergie du vide et d’énergie noire.
Une alternative au vide comme vecteur d’énergie noire peut servir de nouveau champ, « répandu » dans l’Univers. Dans cette version, l’énergie du nouveau champ est l’énergie sombre. Ce champ devrait être nouveau car la présence de champs connus (par exemple des champs électromagnétiques) partout dans l'Univers influencerait trop le comportement de la matière et entraînerait des effets qui auraient été découverts depuis longtemps. De plus, les champs connus sont tels que leur énergie ne possède pas les propriétés de l’énergie noire énumérées ci-dessus.
Le nouveau champ hypothétique devrait être caractérisé par une échelle d’énergie de l’ordre de 0,002 eV. Bien qu’il s’agisse d’une très petite échelle en termes d’interactions connues, cela ne semble pas totalement invraisemblable. En effet, nous savons déjà que l’ampleur des différentes interactions varie considérablement. Ainsi, l’échelle mentionnée des interactions fortes (200 MeV) est 10 à 19 fois plus petite que l’échelle des forces gravitationnelles. Une différence aussi gigantesque nécessite bien sûr une explication en soi, mais il s’agit là d’une question distincte. Quoi qu’il en soit, l’existence de différentes échelles énergétiques dans la nature est un fait, et l’introduction d’une nouvelle petite échelle ne semble pas être un obstacle insurmontable.
Le nouveau domaine, d'une manière générale, change au cours de l'évolution de l'Univers. Sa densité énergétique change également. Pour que ce changement ne soit pas trop rapide, les quanta du nouveau champ – les nouvelles particules – doivent avoir une masse extrêmement petite ; ils disent que ce domaine devrait être facile.
Enfin, le nouveau champ est une nouvelle force (tout comme le champ gravitationnel correspond à la gravitation et le champ électromagnétique correspond aux forces électriques et magnétiques). Un champ lumineux de masse extrêmement faible est une force à longue portée similaire à la gravité. Pour qu'il n'y ait pas de contradiction avec les expériences testant la théorie de la relativité générale, l'interaction de ce champ avec la matière ordinaire devrait être très faible, plus faible que celle de la gravitation.
Toutes ces propriétés ne paraissent pas attrayantes au théoricien, mais elles peuvent être acceptées. Il est important que l'hypothèse d'un nouveau champ, au moins en principe, permette une vérification expérimentale - à l'aide d'observations, il est possible d'identifier les changements dans la densité d'énergie du champ au fil du temps. Cela rejetterait définitivement l'hypothèse de la nature vide de l'énergie sombre et, au contraire, servirait d'indication sur l'existence d'un nouveau champ lumineux dans l'Univers. De plus, on peut espérer découvrir à l’avenir l’hétérogénéité de la répartition de l’énergie noire dans l’espace. Ce serait la preuve définitive que l’énergie noire est une nouvelle énergie de champ et rien d’autre.
D'un autre côté, il n'existe aujourd'hui aucun moyen visible d'enregistrer un nouveau champ lumineux dans des expériences en laboratoire, dans des accélérateurs, etc. La raison en est l'interaction extrêmement faible de ce champ avec la matière. Cependant, nous en savons encore trop peu et, comme on dit, il ne faut jamais dire « jamais ».
Les physiciens discutent différents types des champs lumineux hypothétiques, dont l'énergie pourrait agir comme de l'énergie sombre. Dans la version la plus simple d'un point de vue théorique, la densité énergétique du nouveau champ diminue avec le temps. Pour un domaine de ce type, le terme « quintessence » est utilisé. Cependant, la possibilité inverse ne peut être exclue, lorsque la densité énergétique croissance avec le temps; un champ de ce type est appelé « fantôme ». Phantom serait un domaine très exotique ; Rien de tel n’a jamais été trouvé dans la nature. La distinction entre quintessence et fantôme, comme nous le verrons ci-dessous, est importante du point de vue des avenir Univers.
Enfin, une autre explication possible de l’énergie noire est qu’il n’existe pas réellement d’énergie noire. Si la relativité générale ne s’applique pas aux échelles de longueur et de temps cosmologiques modernes, alors l’énergie noire n’est pas nécessaire.
Bien entendu, cette vision de l’énergie noire ne peut ignorer le fait que la relativité générale a été bien testée à des échelles de distance plus petites. Il faut donc créer nouvelle théorie la gravité, qui se transformerait en théorie de la relativité générale à ces distances, mais décrirait autrement l'évolution de l'Univers à des stades relativement tardifs, proches du nôtre. C'est une tâche difficile, surtout si l'on prend en compte l'exigence d'auto-cohérence, de cohérence interne de la théorie. Néanmoins, de telles tentatives sont en cours et certaines semblent très prometteuses.
Une possibilité consiste à permettre à la constante de gravité de Newton de varier dans l'espace et dans le temps selon certaines équations. Malheureusement, les plus belles versions de la théorie qui réalisent cette possibilité ont été rejetées par des expériences testant la relativité générale. Si vous ne recherchez pas la beauté, alors des modèles expliquant l’expansion accélérée de l’Univers et cohérents avec tout ce que l’on sait sur la gravité peuvent être construits sur cette voie. En règle générale, de tels modèles prédisent des écarts par rapport à la théorie de la relativité générale, qui, bien que minimes, seront détectables expérimentalement à l'avenir.
Notons également l'idée que notre espace peut avoir plus de trois dimensions. Dans le même temps, des dimensions supplémentaires à des distances ordinaires ne se manifestent pas, mais à des distances cosmologiques de milliards d'années-lumière, les lignes de force du champ gravitationnel peuvent « se propager » dans des dimensions supplémentaires, c'est pourquoi la gravité ne sera plus décrite par la loi habituelle de Newton. Une théorie totalement satisfaisante expliquant ainsi l’expansion accélérée de l’Univers n’a pas encore été construite ; Dans les modèles proposés à ce jour, cette idée n'est que partiellement mise en œuvre. Il est cependant remarquable que ces modèles conduisent à des prédictions expérimentales. Parmi eux se trouve la possibilité de modifier la loi gravitationnelle de Newton en petit distances; des corrections petites mais détectables à la théorie de la relativité générale dans le système solaire, etc.
Ainsi, les caractéristiques récemment découvertes de l’expansion de l’Univers ont soulevé une nouvelle question : sont-elles causées par l’énergie du vide, l’énergie d’un nouveau champ lumineux ou une nouvelle gravité à des distances extrêmement grandes ? L’étude théorique de ces possibilités bat son plein et la réponse, comme d’habitude en physique, devra finalement être apportée par de nouvelles expériences.
L'énergie noire et l'avenir de l'univers
Avec la découverte de l’énergie noire, les idées sur ce à quoi pourrait ressembler l’avenir lointain de notre Univers ont radicalement changé. Avant cette découverte, la question de l’avenir était clairement associée à la question de la courbure de l’espace tridimensionnel. Si, comme beaucoup le croyaient auparavant, la courbure de l'espace déterminait 70 % du taux d'expansion actuel de l'Univers et qu'il n'y avait pas d'énergie sombre, alors l'Univers s'étendrait sans limite, ralentissant progressivement. Il est désormais clair que l’avenir est déterminé par les propriétés de l’énergie noire.
Comme nous connaissons mal ces propriétés, nous ne pouvons pas encore prédire l’avenir. On ne peut que considérer différentes variantes. Il est difficile de dire ce qui se passe dans les théories avec une nouvelle gravité, mais d'autres scénarios peuvent désormais être discutés.
Si l’énergie sombre est constante dans le temps, comme c’est le cas de l’énergie du vide, alors l’Univers connaîtra toujours une expansion accélérée. La plupart des galaxies finiront par s'éloigner de la nôtre sur une distance énorme, et notre Galaxie, ainsi que ses quelques voisines, se révéleront être une île dans le vide. Si l’énergie noire est la quintessence, alors dans un avenir lointain, l’expansion accélérée pourrait s’arrêter et même être remplacée par une compression. Dans ce dernier cas, l’Univers reviendra à un état de matière chaude et dense, un « Big Bang inversé » se produira, en remontant le temps.
Un sort encore plus dramatique attend l’Univers si l’énergie noire s’installe – un fantôme, tel que sa densité énergétique augmente sans limite. L'expansion de l'Univers deviendra de plus en plus rapide, elle s'accélérera tellement que les galaxies seront arrachées des amas, les étoiles des galaxies, les planètes du système solaire. Cela arrivera au point où les électrons se détacheront des atomes et les noyaux atomiques se diviseront en protons et en neutrons. Il y aura, comme on dit, un Big Rip.
Un tel scénario semble toutefois peu probable. Très probablement, la densité énergétique du fantôme restera limitée. Mais même dans ce cas, l’Univers pourrait être confronté à un avenir inhabituel. Le fait est que dans de nombreuses théories, le comportement fantôme - une augmentation de la densité d'énergie au fil du temps - s'accompagne d'instabilités du champ fantôme. Dans ce cas, le champ fantôme dans l’Univers deviendra très inhomogène, sa densité d’énergie dans différentes parties de l’Univers sera différente, certaines parties s’étendront rapidement et d’autres pourraient s’effondrer. Le sort de notre Galaxie dépendra de la région dans laquelle elle se situe.
Mais tout cela se rapporte à un avenir lointain, même selon les normes cosmologiques. Dans les 20 milliards d’années à venir, l’Univers restera presque le même qu’aujourd’hui. Nous avons le temps de comprendre les propriétés de l’énergie noire et ainsi de prédire plus précisément l’avenir – et peut-être de l’influencer.
- Modèles cosmologiques
- Big Bang
- L'univers de Friedman
- Chronologie de la cosmologie
Il existe deux options pour expliquer l'essence de l'énergie noire :
À ce jour (2012), toutes les données d'observation fiables connues ne contredisent pas la première hypothèse, elle est donc acceptée comme norme en cosmologie. Le choix final entre les deux options nécessite des mesures de haute précision du taux d’expansion de l’Univers pour comprendre comment ce taux évolue au fil du temps. Le taux d'expansion de l'Univers est décrit par l'équation d'état cosmologique. La résolution de l’équation d’état de l’énergie noire est l’un des problèmes les plus urgents de la cosmologie observationnelle moderne.
L’énergie sombre devrait également constituer une partie importante de la masse dite cachée de l’Univers.
Découverte de l'énergie noire
Sur la base d'observations de supernovae de type Ia réalisées à la fin des années 1990, il a été conclu que l'expansion de l'Univers s'accélère avec le temps. Ces observations ont ensuite été étayées par d'autres sources : mesures du CMB, lentilles gravitationnelles, nucléosynthèse du Big Bang. Toutes les données obtenues s'intègrent bien dans le modèle lambda-CDM.
Supernovae et univers en accélération
La constante cosmologique a une pression négative égale à sa densité énergétique. Les raisons pour lesquelles la constante cosmologique a une pression négative découlent de la thermodynamique classique. La quantité d’énergie contenue dans une « boîte à vide » de volume V, équivaut à ρV, Où ρ - densité énergétique de la constante cosmologique. Augmenter le volume de la « boîte » ( dV positif) conduit à son augmentation énergie interne, et cela signifie qu'il effectue un travail négatif. Puisque le travail effectué par un changement de volume dV, équivaut à pdV, Où p- la pression, alors p négatif et, en fait, p = −ρ(le coefficient c², reliant masse et énergie, est égal à 1).
Le problème non résolu le plus important de la physique moderne est que la plupart des théories quantiques des champs, basées sur l'énergie du vide quantique, prédisent une valeur énorme de la constante cosmologique - plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ce qui est admissible selon les concepts cosmologiques. La formule habituelle de la théorie quantique des champs pour la sommation des oscillations du point zéro du vide dans le vide (avec une coupure au nombre d'onde des modes de vibration correspondant à la longueur de Planck) donne une énorme densité d'énergie dans le vide. Cette valeur doit donc être compensée par une action dont l'ampleur est presque égale (mais pas exactement égale), mais qui a le signe opposé. Certaines théories de supersymétrie (SATHISH) exigent que la constante cosmologique soit exactement nulle, ce qui n’aide pas non plus à résoudre le problème. C’est l’essence du « problème de la constante cosmologique », le problème de « mise au point » le plus difficile de la physique moderne : aucun moyen n’a été trouvé pour dériver de la physique des particules la valeur extrêmement petite de la constante cosmologique définie en cosmologie. Certains physiciens, dont Steven Weinberg, croient à ce qu'on appelle. Le « principe anthropique » est la meilleure explication de l’équilibre subtil de l’énergie observé dans le vide quantique.
Malgré ces problèmes, la constante cosmologique constitue à bien des égards la solution la plus parcimoneuse au problème d’un Univers en accélération. Une seule valeur numérique explique de nombreuses observations. Par conséquent, le modèle cosmologique généralement accepté actuel (modèle lambda-CDM) inclut la constante cosmologique comme élément essentiel.
Quintessence
Une approche alternative a été proposée en 1987 par le physicien théoricien allemand Christoph Wetterich. Wetterich est parti de l'hypothèse que l'énergie noire est une sorte d'excitation particulaire d'un certain champ scalaire dynamique appelé quintessence. La différence avec la constante cosmologique est que la densité de la quintessence peut varier dans l'espace et dans le temps. Pour éviter que la quintessence « s’assemble » et forme des structures à grande échelle à l’instar de la matière ordinaire (étoiles…), il faut qu’elle soit très légère, c’est-à-dire avoir une grande longueur d’onde Compton.
Aucune preuve de l'existence de la quintessence n'a encore été découverte, mais une telle existence ne peut être exclue. L’hypothèse de la quintessence prédit une accélération légèrement plus lente de l’Univers par rapport à l’hypothèse de la constante cosmologique. Certains scientifiques pensent que la meilleure preuve de la quintessence proviendrait de violations du principe d'équivalence d'Einstein et de variations des constantes fondamentales dans l'espace ou dans le temps. L'existence de champs scalaires est prédite par le modèle standard et la théorie des cordes, mais elle pose un problème similaire à la variante de la constante cosmologique : la théorie de la renormalisation prédit que les champs scalaires devraient acquérir une masse significative.
Le problème de la coïncidence cosmique soulève la question de savoir pourquoi l’accélération de l’Univers a commencé à un moment donné. Si l’accélération de l’Univers commençait avant ce moment, les étoiles et les galaxies n’auraient tout simplement pas le temps de se former et la vie n’aurait aucune chance d’apparaître, du moins sous la forme que nous connaissons. Les partisans du « principe anthropique » considèrent ce fait comme le meilleur argument en faveur de leurs constructions. Cependant, de nombreux modèles de quintessence incluent ce qu’on appelle un « comportement de suivi », qui résout ce problème. Dans ces modèles, le champ de quintessence a une densité qui s'ajuste à la densité de rayonnement (sans l'atteindre) jusqu'au moment du développement du Big Bang, où s'établit un équilibre entre matière et rayonnement. Après ce point, la quintessence commence à se comporter comme « l’énergie noire » recherchée et finit par dominer l’Univers. Ce développement réduit naturellement les niveaux d’énergie sombre.
D’un autre côté, l’énergie sombre peut se dissiper avec le temps ou même changer son effet répulsif en un effet attractif. Dans ce cas, la gravité prévaudra et conduira l’Univers au « Big Crunch ». Certains scénarios supposent un « modèle cyclique » de l’Univers. Bien que ces hypothèses n’aient pas encore été confirmées par les observations, elles ne sont pas totalement rejetées. Des mesures précises du taux d’accélération doivent jouer un rôle décisif dans l’établissement du destin ultime de l’Univers (qui se développe selon la théorie du Big Bang).
L’expansion accélérée de l’Univers a été découverte en 1998 à partir d’observations de supernovae de type Ia. Pour cette découverte, Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt et Adam Riess ont reçu le prix Shao d'astronomie en 2006 et le prix Nobel de physique en 2011.
voir également
Remarques
Liens
- L'énergie sombre près de nous - une brochure populaire, A. D. Chernina, SAI MSU.
- ANNONCE. Chernin : vide physique et anti-gravité cosmique
- Documentaire - Matière noire, énergie noire (2008)
- ANNONCE. Tchernine. Énergie sombre et antigravité universelle. //UFN, 178 , 267 (2008).
- V. N. Loukash, V. A. Rubakov. Énergie sombre : mythes et réalité. //UFN, 178 , 301 (2008). (Commentaire de l'article de A. D. Chernin)
- Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, Nevin N. Weinberg,Énergie fantôme et apocalypse cosmique (astro-ph:0302506)
- Marc Trodden, Jonathan Fan. Mondes sombres
Fondation Wikimédia. 2010.
Voyez ce qu'est « énergie noire » dans d'autres dictionnaires :
ÉNERGIE NOIRE- (TE) étrange énergie du monde non baryonique (voir), présente dans notre Univers et manifestée sous forme d'antigravité, la capacité de « repousser » de la matière ordinaire. À la suite de nombreuses observations (500 000 de 1995 à 2005) de... Grande encyclopédie polytechnique
