Preuve de l'existence de l'univers avant le Big Bang
Comment une caractéristique basée sur l'observation de l'inflation cosmique peut proclamer la révolution scientifique du siècle (18 mars 2014)
Malgré son nom, la théorie du Big Bang n'est pas du tout une théorie. Il s'agit d'une théorie des conséquences d'une explosion.
- Alan Guth
Lorsque vous imaginez le début de l'Univers, vous pensez probablement à un état chaud et dense rempli de matière et de rayonnement, qui se dilate et se refroidit incroyablement rapidement (et, soit dit en passant, c'était tout). Mais ce qui ne peut pas être fait, c'est d'extrapoler à un état arbitrairement chaud et dense. Vous pouvez penser que sans aucun problème vous remonterez dans le temps, vers une «singularité» avec une température et une densité infinies, lorsque toute l'énergie de l'Univers a été compressée en un seul point - mais ce n'est pas vrai.
L'une des grandes caractéristiques de l'univers est que le rayonnement originaire de cette époque existe toujours. Il a subi des réflexions de particules chargées à l'époque de l'Univers, l'ancien jeune, chaud et ionisé (et cela a duré 380 000 ans). Lorsque l'Univers est devenu électriquement neutre (lorsque la matière a d'abord formé des atomes neutres), le rayonnement du Big Bang s'est précipité en ligne droite, sans être interrompu par cette matière neutre.
À mesure que l'Univers se développe - en raison du fait que l'énergie de rayonnement est déterminée par la longueur d'onde - ces longueurs d'onde ont été étirées avec l'expansion de l'espace, et l'énergie a depuis beaucoup chuté. Mais cela nous aide beaucoup, car cela fournit du matériel d'observation.
Et si nous pouvions voir et mesurer ces ondes, elles nous donneraient une fenêtre pour regarder dans le premier Univers! Et donc, dans les années 1960, Arno Penzias et Robert Wilson ont découvert cette lueur résiduelle du Big Bang - un rayonnement qui se propage uniformément dans toutes les directions, à quelques degrés au-dessus du zéro absolu - et, à l'intérieur, les scientifiques ont immédiatement reconnu le rayonnement de fond cosmique micro-ondes, qui si longtemps recherché!
Après 50 ans, nous avons fait des progrès incroyables. Nous avons pu non seulement mesurer le spectre énergétique de ce rayonnement, mais aussi mesurer les minuscules fluctuations de température qui y sont inhérentes, ainsi que leur échelle, leur relation les uns avec les autres et comment tout cela est lié à l'évolution de l'Univers.
En particulier, nous avons appris à quoi ressemblait l'Univers à l'âge de 380 000 ans, de quoi il était fait et comment la matière en interaction affectait le rayonnement se dirigeant vers nos yeux avec une longueur de 13,8 milliards d'années.Mais il y a autre chose qui peut nous donner des informations sur ces choses: nous pouvons étudier non seulement l'énergie et la température de la lumière, mais aussi sa polarisation. Laisse-moi t'expliquer.
En fait, la lumière est une onde électromagnétique. Cela signifie qu'il se compose de champs électriques et magnétiques oscillants perpendiculaires les uns aux autres, qu'il a une longueur d'onde spéciale (déterminée par l'énergie) et qu'il se propage à la vitesse de la lumière.En survolant des particules chargées, réfléchies par la surface, en interaction avec d'autres phénomènes électromagnétiques, les champs électriques et magnétiques réagissent avec leur environnement.
Initialement, la lumière reçue doit être non polarisée, mais un grand nombre de choses conduisent à sa polarisation de diverses manières. En d'autres termes, la lumière, qui possède généralement des champs électriques et magnétiques orientés de façon aléatoire, peut subir des interactions qui lui donnent une orientation privilégiée. Et maintenant, elle sera en mesure de nous dire beaucoup de choses informatives sur les interactions de la lumière au cours de son histoire.
L'effet de polarisation du rayonnement micro-ondes de fond a été découvert pour la première fois au cours de la dernière décennie à l'aide du satellite WMAP, et de meilleurs résultats sont attendus de l'Observatoire de Planck à l'avenir (mais ce type de recherche, il convient de le noter, est très difficile à mettre en œuvre). La polarisation en raison de laquelle la lumière semble "radiale" est appelée le mode E de polarisation (pour les champs électriques), et celle en raison de laquelle la lumière est "tordue" est appelée le mode B de polarisation (pour les champs magnétiques).
La plupart des effets observés sont dus à des milliards d'années-lumière de matière qui ont traversé la lumière; nous l'appelons «premier plan». Il a dû aller jusqu'au bout dans toutes les directions depuis l'ère des radiations pour atteindre nos yeux aujourd'hui.
Mais la toute petite partie de la polarisation était censée nous atteindre depuis les temps anciens. Vous voyez, avant le Big Bang - avant que l'Univers en général puisse être décrit comme chaud, dense et rempli de matière et de rayonnement - l'Univers s'est simplement développé de façon exponentielle; ce fut une période d'inflation cosmique. À cette époque, l'univers était dominé par l'énergie inhérente à l'espace le plus vide - une énergie beaucoup plus importante que celle qui s'y trouve aujourd'hui.
À cette époque, les fluctuations quantiques - inhérentes à l'espace lui-même - se sont étendues à travers l'Univers et ont fourni les fluctuations initiales de densité qui ont donné naissance à l'Univers d'aujourd'hui.Mais seulement dans les régions où l'inflation a pris fin et où cette énergie inhérente à l'espace est convertie en matière et en rayonnement, et le Big Bang se produit.
Et dans ces régions - où l'inflation a pris fin - nous avons un univers bien plus grand que sa section observée. C'est l'idée du multivers, et c'est pourquoi nous pensons que, très probablement, nous y vivons.
Et cette inflation elle-même? Pouvons-nous découvrir quelque chose à son sujet?Vous pouvez décider que les fluctuations quantiques - et les fluctuations de densité qu'elles sement - sont tout ce que nous avons. Et jusqu'à récemment, je vous l'aurais dit. Mais en théorie, l'inflation génère également des ondes gravitationnelles, que nous n'avons toujours pas pu détecter. LISA, l'antenne spatiale d'un interféromètre laser (un projet au mieux retardé dans les années 2030), était notre meilleur espoir pour la détection directe des ondes.
Mais même sans LISA, les ondes gravitationnelles peuvent être détectées par une méthode indirecte. Bien que les ondes gravitationnelles et la lumière voyagent à la même vitesse, la lumière ralentit lorsqu'elle traverse un milieu. Cela se produit même dans un milieu aussi raréfié que l'espace intergalactique et interstellaire! Et comme les ondes gravitationnelles ne ralentissent pas - elles ne sont affectées que par la courbure de l'espace-temps - elles dépassent la lumière et conduisent elles-mêmes à la polarisation!
En général, ce sont les déformations de l'espace-temps à une certaine échelle qui étirent les vagues de lumière d'une certaine manière quand elles voyagent du Big Bang à nos yeux.
Plus précisément, les traits caractéristiques des ondes gravitationnelles devraient apparaître comme un mode B de polarisation, et ils devraient laisser un motif spécifique à grande échelle.Bien que l'Observatoire de Planck doive voir et confirmer cela, il était en avance sur l'équipe travaillant au Pôle Sud: BICEP2!
À des échelles de l'ordre de 1,5 degré, le mode de polarisation B est très évident, et il a déjà été déclaré ouvert, bien qu'avec une signification de 2,7σ (remarque: à ces échelles, la signification est de 5,2σ, mais ils doivent convaincre tout le monde que ce niveau de détection n'apparaît pas grâce à une combinaison de premier plan et de systématique). 2.7σ signifie qu'il y a 2% de chances que cette détection soit fausse et disparaisse avec plus de données. Mais dans le monde de la science, c'est une probabilité assez élevée, par conséquent, pour l'instant, cette découverte ne doit pas être considérée comme un fait accompli.
Si l'ouverture réussit le test, ce sera un événement très grave. C'est ce que nous devons mesurer, et pas seulement pour savoir si l'inflation était (très probablement, elle l'était), mais pour savoir quel modèle d'inflation décrit l'Univers?Plank, ayant rendu public ses premiers résultats l'année dernière, n'a rien trouvé du tout.
Il y a plusieurs types généraux d'inflation qui pourraient se produire: en particulier, si la valeur de r dans ces graphiques se révèle être nulle, cela sera en faveur du modèle du «petit champ», et si elle se révèle être quelque chose d'énorme (par exemple, 0,2, à en juger par par ces résultats), ce sera une preuve du modèle «grand champ».
Est-ce un résultat définitif? Non. Nous avons besoin de bien meilleures statistiques pour déclarer cela comme une découverte - nous ne pouvons pas accepter ces résultats et déclarer: "oui, ce sont les ondes gravitationnelles initiales laissées par l'inflation", car nous avons besoin de meilleures preuves. 2,7σ n'est pas mauvais, mais dans le monde cruel de la physique, nous avons besoin d'un résultat confirmé de 5σ. La poubelle de l'histoire de la physique regorge de «découvertes» avec 3σ qui ont disparu avec l'arrivée de nouvelles données.Nous savons que l'inflation était; les origines de la structure dans l'Univers - son apparence actuelle, son apparence il y a 13,8 milliards d'années, et n'importe où dans le vide - nous en ont déjà parlé. Mais il y a une possibilité, et les premiers indices que les ondes gravitationnelles pourraient également rester. Et s'il s'avère que nous les avons vraiment vus, nous devrons en avoir la confirmation dans les prochaines années. Mais si l'observation devient insignifiante au fur et à mesure que les données sont collectées, cela ne signifie pas que le modèle d'inflation est incorrect - mais seulement qu'il ne produit pas les modes B les plus forts.
Ce n'est pas encore une «découverte», mais un indice que nous pourrions tomber sur quelque chose d'incroyable: le premier indice sur la naissance de notre univers. S'il s'avère vrai, ce sera la découverte du siècle. Mais si de nouvelles données le réfutent - ce qui pourrait bien arriver - cela ne signifie pas que le modèle d'inflation est erroné; cela signifie que les ondes gravitationnelles de l'inflation sont plus petites que les modèles les plus optimistes prévus.Mais que ce soit réel ou non, nous en apprenons encore un peu plus sur la façon dont notre Univers tout entier est apparu.Mise à jour: dans les commentaires sur l'article original, les lecteurs ont signalé que la signification de plus de 5σ est mentionnée dans l'ouvrage. En particulier, ils regardent une certaine partie de l'échelle angulaire, où ils voient réellement un signal avec une signification de 5,2σ.
La concentration pourrait-elle en être responsable? C'est le seul élément qui peut être barré - si, bien sûr, j'ai bien compris le travail - avec une signification de seulement 2,7σ.Voyez par vous-même.
La signification du résultat n'est pas supérieure à celle de la source d'incertitude la plus probable, et même si r peut être égal à zéro, il est très important d'exclure cette possibilité. Dans le travail, il a peut-être été expulsé, mais il ne me semble pas que cela a été fait clairement et clairement. Néanmoins, je suis très intéressé par l'évolution de tout cela! S'ils excluent la focalisation de la même manière que l'émission synchrotron, la limitation de 5σ sera remplie, et cela signifiera déjà le Nobel!Une note ultérieure sur l'article écrit le 18 mars 2014:Le 17 mars 2014, des scientifiques du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ont annoncé la découverte du mode B à r = 0,2. Cependant, une analyse ultérieure (publiée le 19 septembre 2014), réalisée par un autre groupe de chercheurs à l'aide des données de l'Observatoire Planck, a montré que le résultat du BICEP2 peut être entièrement attribué à la poussière galactique.Source: https://habr.com/ru/post/fr395011/
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