Il y a plusieurs questions qui nous empêchent de dormir la nuit, et elles concernent le destin ultime de tout le cosmos. Les étoiles s'allument, elles sont remplacées par de nouvelles, elles s'éteignent également et tout se répète jusqu'à ce que l'Univers soit à court de carburant. Les galaxies fusionneront et éjecteront de la matière, et l'espace entre les groupes et les amas de galaxies s'étendra pour toujours. L'énergie sombre rend cette expansion non seulement inexorable, mais aussi en accélération. Mais est-ce que ce sera la fin? Ce «grand écart» (quand tout finit à une distance infiniment éloignée les uns des autres) pourrait-il conduire à un nouveau «big bang»? Quand l'Univers se développe assez vite pour déchirer les atomes et en séparer les quarks … Une soupe quark-gluon se forme-t-elle?
L'enjeu est le sort de l'univers, quoi qu'on en dise.
Qu'est-ce qui attend l'univers à la fin?
Si vous regardez une galaxie lointaine et aléatoire dans l'univers, il y a de fortes chances que vous voyiez que sa lueur est plus rouge que celle des étoiles qui brillent dans notre galaxie. Dans les années 1920, les scientifiques ont découvert que ce schéma persistait dans son ensemble: plus la galaxie est éloignée de vous, plus sa lumière est rouge. Dans le contexte de la relativité générale, il est rapidement devenu clair que cela était dû à l'expansion du tissu de l'espace lui-même au fil du temps.
L'étape suivante consistait à quantifier la vitesse d'expansion de l'univers et l'évolution de ce taux au fil du temps. La raison pour laquelle cela était important, d'un point de vue théorique, est que l'histoire de l'expansion de l'univers a déterminé ce qu'il contenait. Si vous voulez savoir de quoi est fait votre univers, à ses plus grandes échelles, mesurer comment l'univers s'est étendu au cours du temps cosmique vous aidera.
Si votre univers est rempli de matière, vous vous attendez à ce que le taux d'expansion diminue proportionnellement à la quantité de matière diluée. S'il est rempli de rayonnement, le taux d'expansion diminuera encore plus, car le rayonnement lui-même est décalé vers le rouge et perd de l'énergie supplémentaire. Un univers avec une courbure spatiale, des cordes cosmiques ou une énergie inhérente à l'espace lui-même, se développera toujours d'une manière différente, en fonction des ratios de toutes les composantes énergétiques.
Vidéo promotionelle:
Sur la base de l'ensemble complet de mesures que nous avons pu effectuer, y compris des étoiles variables, des galaxies de types et de propriétés différents, et des supernovae de type Ia, ainsi que le fond cosmique des micro-ondes et l'agrégation et la corrélation des galaxies, nous avons pu identifier exactement de quoi l'univers est fait. En particulier, il se compose de:
- 68% de l'énergie noire;
- 27% de matière noire;
- 4,9% de matière ordinaire;
- 0,09% de neutrinos;
- 0,01% de rayonnement.
Plus ou moins un ajustement de quelques dixièmes de pour cent dans chaque cas.
Notre Univers, qui est dominé par l'énergie noire, est particulièrement intéressant car cette composante n'existait pas dans l'Univers, sans parler de sa prédominance. Et pourtant, nous sommes ici, 13,8 milliards d'années après le Big Bang, vivant dans un univers dans lequel l'énergie noire est le moteur de l'expansion de l'univers.
Il y a tellement de questions autour de l'énergie noire. Quelle est sa nature? D'où est ce que ça vient? Est-ce constant ou changeant avec le temps? Il n'y a pas de réponses définitives, mais tout indique que l'énergie noire est une constante cosmologique. En d'autres termes, il se comporte comme une nouvelle forme d'énergie inhérente à l'espace lui-même. Au fur et à mesure que l'univers se développe, il crée un nouvel espace contenant la même quantité uniforme d'énergie sombre.
Quoi qu'il en soit, c'est notre meilleure vue à ce jour. D'un point de vue théorique, il existe plusieurs façons connues de créer la constante cosmologique, et donc cette explication - tant que les données sont d'accord avec elle - restera la préférée. Mais il n'y a aucune raison pour laquelle l'énergie noire ne pourrait pas être plus complexe.
Cela peut être quelque chose qui s'érode avec le temps, devenant de moins en moins dense, quoique un peu. Cela pourrait être quelque chose qui change de signe dans un avenir lointain et conduit à la recréation de l'Univers dans une grande compression. Cela pourrait aussi être quelque chose qui se renforce avec le temps, accélérant et élargissant l'univers au fil du temps. C'est cette variation qui conduit au scénario Big Rip.
Lorsque nous parlons de n'importe quelle composante de l'énergie dans l'Univers, nous parlons de son équation d'état, qui décrit comment elle évolue au fil du temps dans l'Univers. Les astrophysiciens utilisent pour cela le paramètre w, où w = 0 correspond à la matière, w = 1/3 correspond au rayonnement, w = -1 correspond à la constante cosmologique.
L'énergie sombre semble avoir w = -1, mais ce n'est pas exact. Par exemple, de nouveaux travaux de la collaboration Subaru Hyper Suprime-Cam ont ajouté de nouvelles contraintes à l'équation d'état de l'énergie noire. Alors que l'énergie sombre correspond à w = -1 de manière assez convaincante, il y a aussi des spéculations selon lesquelles elle pourrait être encore plus négative. Si c'est vraiment le cas - s'il s'avère que w <-1 et non égal à -1 - alors le Big Rip est inévitable.
Si le Big Rip est imminent, non seulement l'Univers en expansion, mais aussi les objets distants vont accélérer de plus en plus vite avec le temps (en raison de l'énergie sombre). Mais les objets maintenus ensemble par une force fondamentale seront éventuellement déchirés par la force croissante de l'énergie sombre.
Plusieurs milliards d'années dans le futur, notre groupe local verra comment les étoiles à la périphérie seront projetées dans l'espace, car elles seront déliées gravitationnellement de notre future galaxie lointaine: Milkomed. Au fil du temps, de plus en plus d'étoiles seront projetées vers l'extérieur jusqu'à ce que les structures que nous connaissons sous le nom de galaxies s'effondrent et deviennent une collection de milliards d'étoiles indépendantes et de cadavres stellaires.
Au fil du temps, les planètes seront éjectées de leurs systèmes solaires au fur et à mesure que l'énergie sombre s'intensifiera et même les planètes elles-mêmes seront déchirées. Dans les tout derniers instants, les objets détenus par les forces atomiques et moléculaires seront déchirés, les électrons seront arrachés à leurs atomes, les noyaux atomiques s'effondreront et même les quarks eux-mêmes seront séparés. Et puis ils éclateront.
Attendons-nous un nouveau Big Bang?
Si le Big Rip est un modèle correct pour le développement de l'Univers, tout dans l'Univers sera réduit aux composants les plus fondamentaux, correspondant à certains égards fortement aux premières étapes du Big Bang.
Cependant, ce plasma quark-gluon sera différent de ce qu'il était pendant le Big Bang. Premièrement, le Big Bang est chaud et dense, et le Big Rip sera extrêmement froid et diffus. Deuxièmement, le Big Bang est caractérisé par le fait que toute la matière et l'énergie de l'Univers sont compressées dans un minuscule volume d'espace, mais dans le Big Rip, elles seront dispersées sur des billions d'années-lumière. De plus, le Big Bang représente un état d'entropie relativement faible, mais dans le Big Bang l'entropie sera 10 (à la puissance de 35) fois plus que dans le Big Bang.
Mais il y a de l'espoir.
Peut-être que l'énergie sombre qui mènera au Big Rip pourra redémarrer l'univers. Si la force de l'énergie sombre augmente, cette énergie sombre est inhérente au tissu de l'espace lui-même, ce qui signifie qu'elle peut être complètement analogue à la période initiale de l'histoire de notre Univers, lorsque l'espace se développait à un rythme énorme: l'inflation cosmique. L'inflation élimine toute matière et énergie préexistantes dans l'univers, ne laissant que le tissu de l'espace. Après une période d'inflation, l'énergie est en quelque sorte convertie en particules, antiparticules et radiations, ce qui conduit au Big Bang. Ce scénario a déjà été envisagé et est connu comme un univers rajeuni.
Si le Big Rip est le vrai scénario de la fin de l'Univers, il déchirera simplement toute la matière et l'Univers sera très vide, mais avec une énorme quantité d'énergie inhérente à l'espace lui-même. Si l'énergie est très grande, il est possible que le tissu même de l'espace éclate - mais c'est un scénario complètement différent.
Ilya Khel