L'une des réalisations les plus importantes du XXe siècle a été la définition précise de la taille, de l'immensité et de la masse de notre univers. Avec environ deux billions de galaxies enfermées dans un volume de 46 milliards d'années-lumière de rayon, notre univers observable nous permet de reconstruire toute l'histoire de notre cosmos, jusqu'au Big Bang et peut-être même un peu plus tôt. Mais qu'en est-il de l'avenir? À quoi ressemblera l'univers? Est-ce que cela va?
Quelqu'un dit que l'expansion de l'univers ralentit. Le prix Nobel a été décerné pour la «découverte» que l'expansion de l'univers est en augmentation. Mais qui a raison? L'univers pourrait-il un jour s'effondrer dans le processus de la soi-disant Big Compression (inverse du Big Bang)?
Le comportement futur est mieux prédit en fonction du comportement passé. Mais tout comme les humains peuvent parfois nous surprendre, l'Univers le peut aussi.
Le taux d'expansion de l'Univers à un moment donné ne dépend que de deux facteurs: la densité d'énergie totale qui existe dans l'espace-temps et la quantité de courbure spatiale présente. Si nous comprenons les lois de la gravité et comment différents types d'énergie évoluent au fil du temps, nous pouvons reconstruire tout ce qui s'est passé à un certain moment dans le passé. Nous pouvons également regarder différents objets distants à différentes distances et mesurer l'étirement de la lumière en raison de l'expansion de l'espace. Chaque galaxie, supernova, nuage de gaz moléculaire et autres - tout ce qui absorbe ou émet de la lumière - racontera l'histoire cosmique de la façon dont l'expansion de l'espace l'a étiré depuis le moment où la lumière est née jusqu'au moment où nous l'avons observée.
À partir d'une variété d'observations indépendantes, nous avons pu conclure en quoi consiste l'univers lui-même. Nous avons réalisé trois grandes chaînes d'observation indépendantes:
- Dans le fond cosmique des micro-ondes, il y a des fluctuations de température qui codent des informations sur la courbure de l'univers, la matière normale, la matière noire, les neutrinos et la densité totale.
- Les corrélations entre les galaxies aux plus grandes échelles - appelées vibrations acoustiques baryoniques - fournissent des mesures très rigoureuses de la densité totale de la matière, du rapport de la matière normale à la matière noire et de l'évolution du taux d'expansion au fil du temps.
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«Et les bougies standard les plus lointaines et les plus lumineuses de l'Univers, les supernovae de type Ia, nous parlent du taux d'expansion et de l'énergie noire, comment elles ont changé au fil du temps.
Ces chaînes de preuves, prises ensemble, nous brossent un tableau cohérent de l'univers. Ils nous disent ce qu'il y a dans l'Univers moderne et nous donnent une cosmologie dans laquelle:
- 4,9% de l'énergie de l'Univers est représentée par la matière normale (protons, neutrons et électrons);
- 0,1% de l'énergie de l'Univers existe sous forme de neutrinos massifs (qui agissent comme matière ces derniers temps et ont agi comme rayonnement dans les premiers temps);
- 0,01% de l'énergie de l'Univers existe sous forme de rayonnement (comme les photons);
- 27% de l'énergie de l'Univers existe sous forme de matière noire;
- 68% de l'énergie est inhérente à l'espace lui-même: l'énergie noire.
Tout cela nous donne un Univers plat (avec une courbure de 0%), un Univers sans défauts topologiques (monopôles magnétiques, cordes cosmiques, parois de domaine ou textures cosmiques), un Univers avec une histoire d'expansion connue.
Les équations de la relativité générale sont très déterministes en ce sens: si nous savons de quoi l'Univers est fait aujourd'hui, et les lois de la gravité, nous savons exactement quelle était l'importance de chaque composant à chaque intervalle individuel dans le passé. Au début, les radiations et les neutrinos dominaient. Pendant des milliards d'années, les composants les plus importants étaient la matière noire et la matière normale. Au cours des derniers milliards d'années - et cela s'aggravera avec le temps - l'énergie sombre est devenue le facteur dominant de l'expansion de l'univers. Cela accélère l'univers, et à partir de ce moment, de nombreuses personnes cessent de comprendre ce qui se passe.
Il y a deux choses que nous pouvons mesurer en ce qui concerne l'expansion de l'univers: la vitesse d'expansion et la vitesse à laquelle les galaxies individuelles, de notre point de vue, se mettent en perspective. Ils sont liés, mais ils restent différents. Le taux d'expansion, d'une part, montre comment le tissu de l'espace lui-même s'étire dans le temps. Elle est toujours définie comme la vitesse par unité de distance, généralement exprimée en kilomètres par seconde (vitesse) par mégaparsec (distance), où un mégaparsec équivaut à environ 3,26 millions d'années-lumière.
S'il n'y avait pas d'énergie noire, le taux d'expansion diminuerait avec le temps, approchant de zéro, puisque la densité de matière et de rayonnement tomberait à zéro à mesure que le volume augmentait. Mais avec l'énergie sombre, ce taux d'expansion reste dépendant de la densité d'énergie sombre. Si l'énergie noire, par exemple, était une constante cosmologique, le taux d'expansion s'aplatirait à une valeur constante. Mais dans ce cas, les galaxies individuelles s'éloignant de nous accéléreraient.
Imaginez la vitesse d'expansion d'une certaine magnitude: 50 km / s / Mpc. Si la galaxie est à une distance de 20 Mpc de nous, elle semble s'éloigner de nous à une vitesse de 1000 km / s. Mais donnez-lui du temps, et à mesure que le tissu de l'espace s'élargit, cette galaxie sera finalement plus éloignée de nous. Avec le temps, il sera deux fois plus loin: 40 Mpc, et la vitesse de dépose sera de 2000 km / s. Cela prendra plus de temps, et ce sera 10 fois plus loin: 200 Mpc, et la vitesse de dépose de 10 000 km / s. Au fil du temps, il s'éloignera à une distance de 6000 Mpc de nous et s'éloignera à une vitesse de 300000 km / s, ce qui est plus rapide que la vitesse de la lumière. Plus le temps passe, plus vite la galaxie s'éloignera de nous. C'est pourquoi l'Univers «accélère»: le taux d'expansion diminue, mais la vitesse de séparation des galaxies individuelles de nous ne fait qu'augmenter.
Tout cela est cohérent avec nos meilleures mesures: l'énergie noire est une densité d'énergie constante inhérente à l'espace lui-même. Au fur et à mesure que l'espace s'étire, la densité de l'énergie sombre reste constante et l'Univers se terminera par un «Grand Gel», lorsque tout ce qui n'est pas lié par la gravité (comme notre groupe local, la galaxie, le système solaire) divergera et divergera. Si l'énergie noire est vraiment une constante cosmologique, cette expansion continuera indéfiniment jusqu'à ce que l'univers devienne froid et vide.
Mais si l'énergie sombre est dynamique - ce qui est théoriquement possible, mais sans preuves observables - elle pourrait se terminer par une grosse compression ou une grande déchirure. Dans la Grande Compression, l'énergie sombre affaiblira et inversera progressivement l'expansion de l'univers afin qu'elle commence à se contracter. Il peut même y avoir un univers cyclique, où la «compression» donne naissance à un nouveau Big Bang. Si l'énergie noire se renforce, un destin différent nous attend, lorsque les structures connectées seront déchirées par le taux d'expansion progressivement croissant. Cependant, aujourd'hui tout indique que le Grand Gel nous attend, quand l'Univers s'étendra pour toujours.
Les principaux objectifs scientifiques des futurs observatoires comme Euclid de l'ESA ou WFIRST de la NASA consistent à mesurer si l'énergie noire est une constante cosmologique. Et tandis que la théorie principale parle en faveur de l'énergie noire constante, il est important de comprendre qu'il peut y avoir des possibilités non exclues par des mesures et des observations. En gros, l'univers peut encore s'effondrer, et c'est possible. Plus de données nécessaires.
ILYA KHEL