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Demandez à Ethan n ° 54: Quel est le premier des signaux de l'univers que nous avons enregistrés?

Existe-t-il un moyen de regarder au-delà de la barrière qui existait avant ce moment dans la vie de l'Univers, quand il est devenu transparent?


Dès les premiers temps, les gens - chercheurs et penseurs - ont voulu comprendre la forme de leur monde. Et nous l'avons toujours fait en racontant des histoires. Il est difficile de laisser la vérité faire obstacle à une bonne histoire.
- Adam Savage

Après une courte pause, j'ai le plaisir d'annoncer le retour de notre chronique. Chaque semaine, nous vous invitons à envoyer vos questions et suggestions afin de recevoir une réponse détaillée, en utilisant toutes les possibilités de la connaissance scientifique. En raison de la longue absence, j'ai décidé de vous donner trois réponses à la fois en une seule, grâce à Gérard, qui demande:
Deux questions astronomiques:
1) en principe, la charge de matière ne doit pas affecter les ondes gravitationnelles. Est-il possible qu'ils nous aident à regarder au-delà du temps de CMB? Autrement dit, pour surmonter la barrière de rayonnement relique?
2) Les photons sont plus diffusés par les particules chargées que par les atomes d'hydrogène neutres. Les photons de certaines fréquences seront-ils plus diffusés que d'autres par des particules chargées?

Et une question personnelle: comment vous êtes-vous intéressé à l'astronomie? À cause d'un professeur au collège? À cause d'un parent? Parce que tu vas au planétarium?

Commençons par les deux premières questions et le présent.



Lorsque nous regardons l'Univers, il serait naturel de penser que ce que nous voyons n'est limité que par la quantité de lumière que nous pouvons collecter. Si nous devons trouver un objet éloigné ou sombre, nous devons collecter la lumière d'une plus grande zone (avec un télescope avec une plus grande ouverture) ou pendant une plus longue période (avec une exposition plus longue), et nous le verrons. Nous utilisons cette technique assez souvent - c'est ainsi que nous avons obtenu des images comme Hubble Deep Field, Hubble Ultra Deep Field et, plus récemment, Hubble eXtreme Deep Field (ci-dessous).



Mais nous voyons ces galaxies, bien que très éloignées, car la lumière a atteint la ligne de visée à travers un espace presque vide jusqu'à nous sans obstacles. Bien que la matière neutre - gaz et poussière - absorbe et émette à nouveau la lumière de certaines longueurs d'onde, l'Univers n'était pas toujours dans un tel état lorsque la matière existait dans des états stables et neutres.

Lorsque l'Univers était plus chaud, plus jeune et plus dense, les atomes neutres n'étaient pas stables en raison des températures élevées et des énergies cinétiques élevées de l'environnement. L'espace a déjà 13,8 milliards d'années et il fait froid et vide. Mais à l'âge de plusieurs centaines de milliers d'années, il était si chaud et si dense que les atomes neutres ne pouvaient pas surgir! L'univers était un plasma ionisé d'électrons, de noyaux, de photons et d'autres particules.



C'est mauvais, car les photons ont peu à dire sur cette période. Lorsque l'univers est ionisé, les photons sont très bien diffusés par les électrons libres. La deuxième question de Gerard était: les photons de certaines fréquences sont-ils diffusés plus efficacement que d'autres. Pour les énergies typiques d'un univers vieux de plusieurs milliers d'années, les photons à haute fréquence se sont déplacés vers des photons inférieurs lors d'une collision avec des électrons (diffusion Compton), les photons à basse fréquence se sont déplacés vers des photons plus élevés lors d'une collision avec des électrons à haute énergie (rétrodiffusion Compton), mais quelle est la probabilité générale de collision ?

Voici le profil de Thomson:


Cela ne dépend pas de l'énergie, de la fréquence et de la longueur d'onde des photons, donc la réponse à la deuxième question: non, les photons de toutes les fréquences sont diffusés trop souvent pour enregistrer et transmettre des informations sur les temps précédant le rayonnement relique.

Mais les ondes gravitationnelles n'ont pas de tels problèmes.



Les ondes gravitationnelles (ou gravitons, si vous aimez la description en termes de particules) sont des ondes dans le tissu du cosmos lui-même. Ils se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide, mais ne déforment que l'espace. Ils sont émis, mais, à notre connaissance, ils ne sont pas absorbés par les changements de configuration des masses.

Et bien que nous parlions généralement de sources astrophysiques ordinaires émettant ces ondes - étoiles à neutrons, trous noirs, naines blanches, systèmes en orbite et supernovae - les moments qui ont conduit au Big Bang auraient également dû les créer!



Pendant l' ère de l'inflation cosmique qui a précédé et conduit au Big Bang , il y avait deux types de fluctuations quantiques qui se sont produites et se sont répandues dans l'univers. Un type est les fluctuations de tous les champs quantiques vectoriels, de spin et scalaires existants. Ils ont conduit à des fluctuations de densité, et plus tard à l'apparition de régions, qui se transformeraient ensuite en étoiles, galaxies et amas, ou d'immenses espaces vides. Et un autre type était les fluctuations des champs quantiques tensoriels de l'Univers, qui ont conduit à un rayonnement gravitationnel. Ce rayonnement peut en principe être détecté par des versions améliorées d'interféromètres laser basés au sol ou dans l'espace. Bien qu'ils devraient être considérablement améliorés par rapport à nos projets actuels.



L'inflation donne des classes très précises de prévisions de ce que devrait être le spectre des ondes gravitationnelles qu'elle a créées, et différents modèles font des prévisions qui diffèrent dans ces détails.

Si le modèle d'inflation s'avère erroné, le spectre des ondes gravitationnelles nées au début de l'Univers devrait être complètement différent.



Dans tous les cas, ce qui suit sera vrai:
  • Dans l'Univers ancien - avec un état très chaud, dense et en expansion, avec des énergies supérieures à ce que nous pouvons atteindre dans les laboratoires terrestres ou astrophysiques - des ondes gravitationnelles auraient dû apparaître
  • Ces ondes n'auraient pas changé, à l'exception du décalage vers le rouge, passant à travers la matière, le rayonnement et l'espace, depuis le moment de son origine jusqu'à nos jours.
  • Les ondes doivent avoir un certain ensemble d'amplitudes, selon les fréquences. Que l'inflation soit ou non, les mesures du rayonnement gravitationnel de fond devraient nous fournir des informations supplémentaires sur la naissance de l'Univers


Si la théorie de l'inflation est juste, les seules variables réelles, à part une légère déviation du spectre, seront les amplitudes des fluctuations du tenseur par rapport à l'Univers primitif.



Cela se manifestera dans le rayonnement de fond des micro-ondes, et plus particulièrement dans certains modes de polarisation des photons. En mesurant précisément ces modes - et le BICEP2 et Planck essaient de le faire - nous pouvons en apprendre davantage sur l'inflation de l'espace.



Par conséquent, Gerard, les ondes gravitationnelles nous ouvrent vraiment une fenêtre sur les toutes premières étapes du développement de l'Univers. Ce n'est pas parce que les technologies modernes ne nous permettent pas de les toucher que nous ne devons pas nous efforcer de le faire et ne pas investir dans le développement de technologies qui nous permettront de sonder directement les premiers stades de la vie de l'Univers. En principe, nous devons pouvoir y parvenir en une génération si les ressources appropriées y sont investies.

Concernant une autre question: qu'est-ce qui a éveillé mon intérêt pour l'astronomie. Deux choses me sont arrivées quand j'étais jeune, et elles vous surprendront probablement. Mon histoire est différente de la plupart des histoires d'astronomes et d'astrophysiciens.



J'ai toujours aimé faire du camping. Pour un enfant qui a grandi à New York et dans les environs, l'opportunité de toucher les forêts, les montagnes, les feux de joie et le ciel sombre était rare pour moi, mais en même temps le meilleur de tous les plaisirs dont je me souviens depuis mon enfance. En particulier, je me suis souvenu d'une expérience que j'ai eue à 11 ans: je me couche juste dans un champ sur le dos avec un autre gars de mon âge et son frère aîné.

Ensuite, je pouvais encore voir sans lunettes, et nous pouvions probablement voir plusieurs milliers d'étoiles. Et nous avons levé les yeux, parlé de tout et de rien, et n'avons pas retenu notre imagination. C'était très beau et il me semblait que derrière chaque fragment que je voyais, il y avait une sorte d'histoire, et je voulais vraiment faire partie de ces histoires. Il est étrange que rien d'autre - qu'il s'agisse de visiter le planétarium, de travailler avec des enseignants, de lire des livres, de regarder des images, d'utiliser le télescope - ne m'a donné de tels sentiments. C'est l'expérience lorsque j'étais allongé sur le dos et que je regardais dans le ciel étoilé sombre qui m'a procuré une sensation inoubliable.

Quelques années plus tard, quand j'avais 13-14 ans, dans un camp d'été, j'ai navigué sur un bateau la nuit, et j'ai eu un sentiment similaire. Mais à cette époque, je connaissais déjà mieux les mathématiques.



Et cela est devenu intéressant pour moi: après tout, si vous voyagez en bateau dans une direction assez longtemps, vous retournerez au même endroit. Et que se passe-t-il si vous volez assez longtemps dans une direction dans l'espace? Reviendrez-vous au même point?

Quand j'ai regardé le ciel et pensé à la structure mathématique et physique de l'Univers, aux dimensions supérieures et à la façon dont l'Univers ressemble à grande échelle, j'ai ressenti le même sentiment de surprise, de curiosité et d'implication. Faute d'une meilleure description, j'ai senti que j'avais besoin de connaître ces choses. Ce n'est pas que j'ai vu quelque chose de spécifique, appris quelque chose de spécifique, ou rencontré une personne spécifique - c'est la pensée même qui a allumé le feu en moi.

La vie m'a amené dans des directions différentes, mais je suis toujours retourné à des questions et des sentiments similaires, et - je sais que cela semble idiot - je sens qu'en moi il y a un puits de passion sans fin pour ce domaine de la connaissance qui ne peut jamais être dévasté. Et je l'ai découvert précisément à l'aide des deux événements que j'ai décrits.

Source: https://habr.com/ru/post/fr394861/

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