Il y a exactement 100 ans, notre conception de l'univers était très différente de celle d'aujourd'hui. Les gens connaissaient les étoiles de la Voie lactée et connaissaient leurs distances, mais personne ne savait ce qu'il y avait derrière elles. L'univers était considéré comme statique, les spirales et les ellipses dans le ciel étaient considérées comme des objets de notre propre galaxie. La gravité newtonienne n'a pas encore été dépassée par la nouvelle théorie d'Einstein, et les idées scientifiques comme le Big Bang, la matière noire et la matière noire n'ont pas été entendues. Mais alors, littéralement chaque décennie, des percées après des percées ont commencé à se produire, et ainsi de suite jusqu'à aujourd'hui. Voici la chronique d'Ethan Siegel sur Medium.com sur la façon dont notre compréhension de l'univers a changé au cours des cent dernières années.
Les résultats de l'expédition d'Eddington en 1919 ont montré que la relativité générale décrit la courbure de la lumière des étoiles à proximité d'objets massifs.
Années 1910: la théorie d'Einstein est confirmée. La relativité générale est devenue célèbre pour avoir donné des prédictions que la théorie de Newton ne pouvait pas donner: la précession de l'orbite de Mercure autour du Soleil. Mais il ne suffisait pas qu'une théorie scientifique explique simplement quelque chose que nous avions déjà observé; elle devait donner des prédictions sur ce que nous n'avions pas encore vu. Bien qu'il y en ait eu beaucoup au cours des cent dernières années - dilatation gravitationnelle du temps, lentilles fortes et faibles, décalage gravitationnel vers le rouge, etc. - le premier était la courbure de la lumière des étoiles pendant une éclipse solaire totale, qu'Eddington et ses collègues ont observée en 1919. Le taux de courbure de la lumière autour du Soleil était cohérent avec les prédictions d'Einstein et non compatible avec la théorie de Newton. Depuis lors, notre compréhension de l'univers a changé à jamais.
La découverte par Hubble de la variable Cepheid dans la galaxie d'Andromède, M31, nous a ouvert l'univers
Années 1920. Nous ne savions pas encore qu'il y avait un univers au-delà de la Voie lactée, mais tout a changé dans les années 1920 avec le travail d'Edwin Hubble. En observant des nébuleuses spirales dans le ciel, il a pu identifier des étoiles variables individuelles du même type que celui connu dans la Voie lactée. Seule leur luminosité était si faible qu'elle indiquait directement les millions d'années-lumière entre nous, les plaçant bien au-delà des limites de notre galaxie. Hubble ne s'est pas arrêté là. Il a mesuré le taux de récession et la distance à des dizaines de galaxies, élargissant considérablement les limites de l'univers connu.
Deux grandes galaxies brillantes au centre de l'amas de Coma, NGC 4889 (à gauche) et NGC 4874 (à droite) légèrement plus petite, mesurent chacune plus d'un million d'années-lumière. On pense qu'un énorme halo de matière noire traverse tout l'amas.
Années 1930. On a longtemps pensé que si vous pouviez mesurer toute la masse contenue dans les étoiles, et peut-être ajouter du gaz et de la poussière, vous pourriez compter toute la matière de l'univers. Cependant, en observant les galaxies dans un amas dense (comme l'amas Coma), Fritz Zwicky a montré que les étoiles et la matière dite «ordinaire» (c'est-à-dire les atomes) ne suffisent pas à expliquer le mouvement interne de ces amas. Il a appelé la nouvelle matière matière noire (dunkle materie) et jusqu'aux années 1970, ses observations ont été largement ignorées. Ensuite, ils ont mieux étudié la matière ordinaire et il s'est avéré qu'il y avait beaucoup de matière noire dans les galaxies en rotation individuelles. Nous savons maintenant que la matière noire est 5 fois plus massive que la matière ordinaire.
Années 1940. Bien que la plupart des ressources expérimentales et d'observation soient allées aux satellites de reconnaissance, à l'ingénierie des fusées et au développement de la technologie nucléaire, les physiciens théoriciens ont continué à travailler sans relâche. En 1945, Georgy Gamow a créé une extrapolation complète de l'univers en expansion: si l'univers est en expansion et en refroidissement aujourd'hui, il aurait dû être de plus en plus dense dans le passé. Par conséquent, une fois dans le passé, il fut un temps où l'univers était trop chaud et où les atomes neutres ne pouvaient pas se former, et avant cela, les noyaux atomiques ne pouvaient pas se former. Si tel est le cas, alors avant la formation des étoiles, la matière de l'Univers a commencé avec les éléments les plus légers, et à notre époque, on peut observer la rémanence de cette température dans toutes les directions - à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Aujourd'hui, cette théorie est connue sous le nom de théorie du Big Bang.et dans les années 40, ils ne savaient même pas à quel point elle était magnifique.
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Années 50. Une idée rivale avec l'hypothèse du Big Bang était le modèle stationnaire de l'univers proposé par Fred Hoyle et d'autres. De manière significative, les deux parties ont fait valoir que tous les éléments lourds présents sur Terre aujourd'hui ont été formés au début de l'Univers. Hoyle et ses collègues ont fait valoir qu'ils n'étaient pas fabriqués dans un état précoce, chaud et dense, mais plutôt dans les générations précédentes d'étoiles. Hoyle, avec ses collègues Willie Fowler et Margaret Burbidge, a expliqué en détail comment les éléments organisent le tableau périodique pendant la fusion nucléaire dans les étoiles. Fait intéressant, ils ont prédit la synthèse du carbone à partir de l'hélium dans un processus que nous n'avions jamais vu auparavant: un processus triple alpha qui nécessite un nouvel état de carbone pour exister. Cet état a été découvert par Fowler plusieurs années après la prédiction originale de Hoyle et est aujourd'hui connu sous le nom d'état de carbone de Hoyle. Ainsi, nous avons découvert que tous les éléments lourds existant sur Terre doivent leur origine à toutes les générations précédentes d'étoiles.
Si nous pouvions voir la lumière des micro-ondes, le ciel nocturne ressemblerait à un ovale vert avec une température de 2,7 Kelvin, avec un «bruit» au centre provenant des contributions chaudes de notre plan galactique. Ce rayonnement uniforme avec un spectre de corps noir indique la rémanence du Big Bang: c'est le fond cosmique des micro-ondes
Années 60. Après 20 ans de discussion, une observation clé qui déterminerait l'histoire de l'univers a été faite: la découverte de la rémanence prédite du Big Bang, ou du fond cosmique des micro-ondes. Ce rayonnement uniforme avec une température de 2,725 Kelvin a été découvert en 1965 par Arno Penzias et Bob Wilson, qui ne savaient pas immédiatement sur quoi ils étaient tombés. Ce n'est qu'avec le temps que le spectre du corps noir de ce rayonnement et ses fluctuations ont été mesurés et ont montré que notre Univers commençait par une «explosion».
La première étape de l'Univers, même avant le Big Bang, a posé toutes les conditions originales de tout ce que nous voyons aujourd'hui. C'était la grande idée d'Alan Guth: l'inflation cosmique
Années 1970 À la toute fin de 1979, le jeune scientifique faisait éclore son idée. Alan Guth cherchait un moyen de résoudre certains des problèmes inexpliqués du Big Bang - pourquoi l'univers est si plat dans l'espace, pourquoi c'est la même température dans toutes les directions et pourquoi il n'y a pas de reliques des énergies les plus élevées - et a eu l'idée de l'inflation cosmique. Selon cette idée, avant que l'univers n'entre dans un état dense et chaud, il y avait un état d'expansion exponentielle, lorsque toute l'énergie était inhérente au tissu même de l'espace. Il a fallu plusieurs raffinements des idées originales de Guth pour former la théorie actuelle de l'inflation, mais les observations ultérieures - y compris les fluctuations du fond cosmique des micro-ondes - ont confirmé ses prédictions. L'univers a non seulement commencé par une explosion, mais il avait également un autre état spécial avant même que ce Big Bang ne se produise.
Les restes de la supernova 1987a situés dans le Grand Nuage de Magellan à 165 000 années-lumière. Pendant plus de trois cents siècles, c'était la supernova observée la plus proche de la Terre
Années 1980. Il peut sembler que rien de grave ne se soit produit, mais c'est en 1987 que la supernova la plus proche a été observée depuis la Terre. Cela se produit une fois tous les cent ans. C'était aussi la première supernova à se produire lorsque nous avions des détecteurs capables de détecter les neutrinos de tels événements. Bien que nous ayons vu de nombreuses supernovae dans d'autres galaxies, nous ne les avons jamais observées assez près pour en observer les neutrinos. Ces quelque 20 neutrinos ont marqué le début de l'astronomie des neutrinos et les développements ultérieurs qui ont conduit à des oscillations de neutrinos, à la détection de masses de neutrinos et de neutrinos de neutrinos à partir de supernovae qui se produisent dans des galaxies à des millions d'années-lumière. Si nos détecteurs modernes fonctionnaient au bon moment, la prochaine explosion de supernova permettrait de capturer des centaines de milliers de neutrinos.
Quatre destins possibles de l'univers, dont le dernier correspond le mieux aux données: Un univers à l'énergie sombre. Il a été découvert pour la première fois grâce à des observations de supernovae éloignées
Années 90. Si vous pensiez que la matière noire et la découverte du début de l'univers étaient des découvertes majeures, imaginez le choc de 1998 lorsqu'ils ont découvert que l'univers était sur le point de se terminer. Historiquement, nous avons imaginé trois destins possibles:
- L'expansion de l'Univers ne suffira pas à vaincre l'attraction gravitationnelle de tout et de tout le monde, et l'Univers se contractera à nouveau dans la Grande Compression
- L'expansion de l'Univers sera trop importante et tout ce qui est uni par la gravité se dispersera, et l'Univers gèlera
- Soit on se retrouvera à la frontière de ces deux issues et le taux d'expansion tendra asymptotiquement vers zéro, mais ne l'atteindra jamais: Univers critique
Au lieu de cela, cependant, des supernovae éloignées ont montré que l'expansion de l'univers s'accélère et que, avec le temps, les galaxies éloignées s'éloignent les unes des autres de plus en plus vite. L'univers ne gèlera pas seulement, mais toutes les galaxies qui ne sont pas liées les unes aux autres finiront par disparaître au-delà de notre horizon cosmique. Hormis les galaxies de notre groupe local, aucune galaxie ne rencontrera la Voie lactée et notre destin sera froid et solitaire. Dans 100 milliards d'années, nous ne verrons plus de galaxies que la nôtre.
Années 2000. Nos mesures des fluctuations (ou imperfections) dans la rémanence du Big Bang nous ont appris des choses incroyables: nous avons appris exactement de quoi est fait l'univers. Les données COBE ont remplacé les données WMAP, qui à leur tour ont été améliorées par Planck. Pris ensemble, les données de structures à grande échelle provenant de grandes études de galaxies (comme 2dF et SDSS) et les données de supernovae éloignées nous ont fourni une image moderne de l'univers:
- 0,01% de rayonnement sous forme de photons, - 0,1% de neutrinos, qui contribuent légèrement aux halos gravitationnels entourant les galaxies et amas, - 4,9% de matière ordinaire, qui comprend tout ce qui est constitué de particules atomiques, - 27% de matière noire, ou de mystérieuses particules non interagissantes (autres que gravitationnelles) qui fournissent à l'univers la structure que nous observons, - 68% d'énergie noire, inhérente à l'espace lui-même.
2010e. Cette décennie n'est pas encore terminée, mais nous avons déjà trouvé nos premières planètes semblables à la Terre potentiellement habitables (bien que très éloignées), parmi les milliers et les milliers de nouvelles exoplanètes découvertes par la mission Kepler de la NASA. Ce n'est peut-être pas la plus grande découverte de la décennie, car la détection directe des ondes gravitationnelles par LIGO a confirmé l'image qu'Einstein avait dessinée en 1915. Plus d'un siècle après que la théorie d'Einstein ait contesté pour la première fois Newton, la relativité générale a subi tous les essais et tests qui lui étaient proposés.
L'histoire scientifique est encore en cours d'écriture et il reste encore beaucoup à découvrir dans l'univers. Mais ces 11 étapes nous ont fait sortir d'un univers d'âge inconnu, pas plus grand que notre galaxie, principalement composé d'étoiles, dans un univers en expansion et refroidissant gouverné par la matière noire, l'énergie noire et notre matière ordinaire. Il a de nombreuses planètes potentiellement habitables, il a 13,8 milliards d'années, et il a commencé avec le Big Bang, qui lui-même découlait de l'inflation cosmique. Nous avons appris l'origine de l'Univers, son destin, son apparence, sa structure et sa taille - et tout cela pendant 100 ans. Peut-être que les 100 prochaines années seront pleines de surprises que nous ne pouvons même pas imaginer.
Ilya Khel
