L'une des plus grandes surprises de la physique s'est produite à la fin du 20e siècle, à savoir en 1998. En regardant l'un des phénomènes les plus éloignés sur une seule étoile (c'était une supernova de type 1A), nous avons pu déterminer que l'univers n'est pas seulement en expansion, mais en expansion avec l'accélération. Il n'est probablement pas seulement rempli de matière, de rayonnement et de courbure de l'espace.
Une nouvelle forme d'énergie était nécessaire, ce qui fait accélérer les galaxies lointaines loin de nous. Cette mystérieuse énergie sombre était censée être une constante cosmologique, mais il pourrait y avoir quelque chose de plus intéressant. Une option curieuse pourrait changer le destin de l'univers entier, conduisant au Big Rip. Ken Blackman demande:
«Le Big Rip, dans lequel l'expansion l'emporte sur toutes les autres forces, est-il toujours un avenir possible pour notre univers? Quels sont les avantages et inconvénients? Et si oui, comment tout se passera-t-il et que se passera-t-il?
Découvrons-le.
En regardant des parties éloignées de l'univers, nous constatons qu'il est plein de sources émettant et absorbant la lumière. Il y a des étoiles, des galaxies, des quasars, des amas de galaxies et un énorme réseau cosmique de systèmes stellaires. Il y a aussi de la poussière, du gaz neutre, du plasma ionisé, de la matière noire et des vides spatiaux géants entre les structures. Il existe une grande variété de types de rayonnement; il y a des neutrinos et il y a des trous noirs.
Mais si vous mettez tout ensemble, cela ne représente qu'un tiers de l'énergie de l'univers. La «substance» qui se déplace sous l'influence de la gravité telle que nous la connaissons constitue une plus petite fraction de ce qui se trouve dans l'univers.
Nous savons cela de la façon dont l'univers s'est développé au cours de son histoire. Il y a environ six milliards d'années, des galaxies lointaines ont commencé à accélérer loin de nous. L'univers s'accélérait. Sur la base des observations de la façon dont ils se déplacent actuellement, ainsi que des observations du fond cosmique des micro-ondes, de la structure à grande échelle et d'autres indicateurs, nous avons déterminé que l'univers est à 68% d'énergie noire.
La densité de cette énergie, apparemment, ne diminue pas avec l'expansion de l'univers, contrairement à la matière et au rayonnement. Alors que la matière devient moins dense à mesure que le volume de l'Univers augmente et que le rayonnement se déplace vers des longueurs d'onde plus longues et moins saturées en énergie, l'énergie sombre est l'énergie inhérente à l'espace lui-même. Lorsqu'un nouvel espace apparaît, la densité d'énergie reste inchangée.
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En théorie, cela nous permet de prédire le sort de l'univers. Si l'énergie sombre était en effet une énergie d'un type constant qui ne change pas avec l'expansion de l'Univers, alors l'Univers se développerait simplement indéfiniment. Le taux d'expansion de Hubble aurait une valeur constante et finie d'environ 55 km / s par mégaparsec. Avec l'élimination des galaxies lointaines, de 10 à 100 mégaparsecs, puis jusqu'à 1 gigaparsec, la vitesse d'élimination augmenterait à 550 km / s, puis à 5500 km / s, puis à 55 000 km / s.
Contrairement au scénario, qui manque d'énergie noire, l'univers se développe à un rythme accéléré. Comme le montrent nos observations, il continuera son expansion accélérée arbitraire à un rythme constant dans un avenir lointain. Le sort de l'univers sera peu enviable: froid, vide et solitaire. Et dans la zone de portée mutuelle, il ne restera que des corps, qui sont toujours connectés les uns aux autres.
Mais bien sûr, cela suppose que l'énergie noire est en effet une constante cosmologique. Autrement dit, sa force, sa densité n'augmentent ni ne diminuent, ses traits ne changent pas et elle-même ne change pas dans l'espace. Nous avons de nombreuses preuves que tel est le cas. Ce sont principalement des données d'observation des plus grands amas de galaxies.
Mais même avec les meilleures données d'observation, nous ne pouvons pas dire avec certitude que l'énergie noire est une constante cosmologique. Au fil du temps, il peut changer de manière assez significative, en diminuant ou en augmentant au maximum d'un certain montant. Nous avons un paramètre "w", qui est égal au rapport de la pression du milieu à la densité de son énergie, et avec son aide, nous pouvons déterminer quantitativement combien d'énergie sombre peut changer. Si w = -1, alors nous avons une constante cosmologique. Mais observationnellement, w = -1,00 ± 0,08 environ. Nous avons toutes les raisons de croire que sa valeur est exactement -1.
Si l'énergie noire n'est pas constante, il existe deux possibilités principales pour savoir comment elle peut changer. Si w devient plus positif avec le temps, l'énergie noire perd sa force et peut même changer son signe en sens inverse. Si tel est le cas, l'Univers cessera d'accélérer et le taux de son expansion tombera à zéro. Si le signe change à l'opposé, l'Univers peut même «s'effondrer» à nouveau, étant voué à la Grande Compression.
Nous n'avons pas de preuves solides que ce sera le cas, mais les télescopes de nouvelle génération tels que LSST (Large Observation Telescope), WFIRST (Wide Range Infrared Telescope) et Euclid (EUCLID) pourront mesurer le paramètre w avec une précision de 1 -2%. C'est beaucoup plus précis que ce que nous avons aujourd'hui. De tels observatoires devraient apparaître dans les années 2020 et Euclid devrait être lancé pour la première fois en 2021.
Bien sûr, il ne peut être exclu qu'avec le temps, la valeur de w devienne négative, tombe en dessous de -1 et y reste. Si cela se produit, quelque chose d'incroyable attend l'Univers: le Big Rip.
Si l'énergie noire est vraiment constante, alors dans ce cas, notre système solaire, notre galaxie et même notre groupe local de galaxies comprenant la Voie lactée, Andromède, la galaxie Triangle, les nuages de Magellan et plusieurs dizaines de petites galaxies naines seront liés par la force de la gravité pendant plusieurs billions et billions d'années. …
Mais si l'énergie sombre gagne en force (ce qui a lieu si w <-1), alors le taux d'accélération ne déplacera pas seulement les galaxies éloignées de nous. Au fil du temps, ces structures à grande échelle perdront leur lien gravitationnel avec nous.
L'énergie sombre deviendra plus forte avec le temps, et cela aura les conséquences les plus négatives pour tout ce qui compose notre univers aujourd'hui.
Lorsque la densité énergétique de l'énergie noire augmente d'environ 10 fois sa valeur actuelle, cela suffira à empêcher la voie lactée de fusionner avec Andromède. Au lieu de cela, selon le scénario Big Rip, notre galaxie voisine s'éloignera de nous, comme toutes les autres galaxies lointaines de l'Univers. Nous nous éloignerons de la galaxie Triangle, ainsi que de la plupart des galaxies naines. Mais ce n'est pas la fin, car l'énergie noire continuera à gagner en force.
À mesure que la densité énergétique de l'énergie noire augmente d'environ 100 fois sa valeur actuelle, les étoiles à la périphérie de la Voie lactée commenceront à voler hors de notre galaxie. L'expansion métrique de l'espace surmontera même la force gravitationnelle de toute la matière voisine, ordinaire et sombre.
Et si la force de l'énergie sombre augmente 200 ou 300 fois par rapport à la valeur d'aujourd'hui, alors notre Soleil rejoindra les étoiles de la périphérie et se détachera de notre galaxie. Et notre système solaire volera dans une triste solitude à travers l'espace intergalactique.
Mais ce n'est pas tout. Dans le scénario Big Rip, nous avons encore quelque chose à perdre. La densité d'énergie de l'énergie noire continuera d'augmenter et, avec le temps, elle commencera à menacer non seulement notre système solaire, mais tous les systèmes de l'univers. Lorsque l'énergie sombre acquiert une force suffisante, les planètes elles-mêmes commenceront à s'envoler du Soleil.
Le nuage d'Oort s'envolera en premier, suivi de la ceinture de Kuiper, suivi de Neptune, Uranus, Saturne et Jupiter. Après eux, les astéroïdes partiront, puis Mars se détachera. La Terre sera jetée hors de son orbite lorsque la densité de l'énergie noire sera de 100 milliards de fois sa valeur actuelle.
Et puis une terrible catastrophe s'abattra sur tout ce qui reste sur Terre. Les gens seront libérés de la gravité de la Terre, les cellules, les molécules, les atomes et les noyaux seront déchirés et la densité de l'énergie noire continuera de croître à l'infini. On peut supposer que même le tissu fondamental de l'espace-temps se déchirera à la toute fin.
Heureusement, aujourd'hui l'énergie noire est maintenue dans des limites, puisque w = -1,00 ± 0,08, et nous avons le temps. Si l'Univers est toujours destiné à mettre fin à son existence avec le Big Rip, alors un tel destin nous attend pas plus tôt que dans 80 milliards d'années. C'est presque six fois l'âge de l'univers aujourd'hui. La séparation des galaxies les unes des autres, qui sera la première étape notable sur le chemin du Big Rip, même dans le scénario le plus pessimiste, se produira dans plusieurs dizaines de milliards d'années.
À notre connaissance, il n'existe actuellement aucune donnée fiable pour confirmer l'augmentation de la force de l'énergie noire et pour réfuter le fait qu'elle soit constante. Mais pour le savoir avec certitude, nous avons besoin d'instruments très sensibles. Mais une chose que nous savons déjà avec certitude. Quoi que suggèrent les preuves scientifiques, dans les années 2020, nous serons en mesure de mesurer la force de l'énergie noire beaucoup plus précisément qu'auparavant. Et plus loin. Pour la Terre, le Soleil, la galaxie et le groupe local de galaxies, un destin aussi triste ne se produira pas avant plusieurs milliards d'années. Le grand écart ne peut être exclu, mais il est encore très, très loin.
Ethan Siegel