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Demandez à Ethan n ° 59: Qu'est-ce que l'énergie noire?

L'univers, bien sûr, est en expansion, et cette expansion s'accélère. Mais que savons-nous de ce processus en dehors du simple nom "énergie noire"?


Choisir entre le désespoir et l'énergie, je choisirai le dernier
- John Keats


Toute la semaine, vous avez mis votre cerveau à rude épreuve en essayant de poser une question profonde et mystérieuse sur l'Univers, et nous avons eu beaucoup de bonnes questions - c'est dommage que je ne puisse choisir qu'une seule d'entre elles. Cette semaine, l'honneur revient à Piusz Gupte, qui demande:

Nous avons appris que l'énergie sombre représente environ 70% de l'énergie de l'univers. Nous avons des preuves de son existence à travers diverses observations. Et cela affecte vraiment l'évolution de l'univers. Mais qu'est-ce que l'énergie sombre? Avons-nous une idée? Y a-t-il des modèles acceptables pour elle?

Et nous avons vraiment quelques bonnes idées, mais comparons d'abord nos connaissances.



La première chose à accepter est le concept d'espace-temps, ainsi que l'idée la plus importante de la théorie générale de la relativité: la quantité et le type de matière et d'énergie dans l'Univers sont inextricablement liés à l'évolution de l'espace-temps à mesure que l'Univers se déplace dans le temps. Avant Einstein, on pensait que l'espace et le temps sont constants et fixes. D'une part, il y a l'espace qui peut être représenté comme une grille tridimensionnelle statique, et d'autre part, il y a le temps, un continuum fixe séparé à travers lequel tous les points de l'espace se déplacent simultanément.

En relativité générale, tout cela change à la fois de deux manières - et les deux sont très importants.



Premièrement, l'espace et le temps ne peuvent pas être séparés l'un de l'autre. Tous les objets se déplacent dans l'espace-temps les uns par rapport aux autres. C'est de l'idée que non seulement votre position dans l'espace et le temps est importante, mais aussi votre vitesse, c'est-à-dire le mouvement dans l'espace et le temps, le nom de la théorie de la relativité suit. Si vous et moi sommes au même point dans l'espace-temps, mais que vous vous déplacez par rapport à moi à une vitesse considérable, alors nous nous déplaçons différemment non seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps. C'est à partir de là que vient l'idée que l'horloge tourne à des vitesses différentes pour les observateurs de différents référentiels, ainsi que le paradoxe des jumeaux.

Par conséquent, l'espace et le temps ne sont pas absolus et indépendants l'un de l'autre. Tous les objets se déplacent à la fois dans l'espace et dans le temps, et si vous vous déplacez dans l'espace plus rapidement que quelqu'un d'autre, vous vous déplacez dans le temps plus lentement que lui. Par conséquent, vous vous envolez dans une fusée se déplaçant à une vitesse de 99% de la vitesse de la lumière pendant 9,9 années-lumière, puis vous vous retournez et revenez à une vitesse de 99% de la vitesse de la lumière en arrière, vous constaterez que tout le monde sur Terre a 20 ans, et vous n'êtes que depuis 3 ans.



La deuxième différence est que l'espace-temps où vous vivez actuellement - décrivant l'Univers entier - est différent de celui qui existait au moment où vous avez commencé à lire cette phrase. L'univers se dilate au fil du temps, et le taux d'expansion est déterminé par les différents types de matière et d'énergie actuellement présents dans l'univers. Le taux d'expansion change avec le temps, car la densité d'énergie, ou la quantité de matière et d'énergie par unité de volume, dans la matière et le rayonnement diminue à mesure que l'univers se développe.

Mais il y a d'autres choses que la matière et le rayonnement dans l'Univers; Il existe de nombreux autres joueurs, notamment:
  • défauts topologiques
  • cordes cosmiques
  • limites de domaine
  • courbure inhérente
  • énergie spatiale inhérente
  • champ variable qui peut avoir n'importe quelle propriété


Ce qui est génial dans GR, c'est la clarté de ses prédictions: il suffit de mesurer l'expansion de l'Univers au fil du temps, et nous allons tout savoir sur ce que sont les types de matière et d'énergie, quelles sont leurs proportions, et avec quel degré de confiance nous pouvons dire qu'elles sont tels que nous les imaginons.



Nos observations proviennent de trois sources: premièrement, les mesures de distances à des objets éloignés, tels que les étoiles, les galaxies et les supernovae. En mesurant la luminosité apparente des objets et en la comparant à leur luminosité d'origine, connue de nous, nous pouvons calculer la distance qui les sépare. De plus, nous pouvons mesurer leur décalage vers le rouge, ce qui nous donne une idée de l'expansion de l'univers à partir du moment où la lumière a été émise par eux. Et cette combinaison nous donne l'occasion de comprendre comment l'expansion de l'univers a changé au fil du temps.




La deuxième méthode consiste à mesurer diverses fluctuations du rayonnement de fond des micro-ondes. En raison de la nature de l'interaction de la matière et de l'énergie dans l'Univers en expansion, et parce que le rayonnement résiduel du Big Bang ne s'est pas dispersé sur la matière ionisée, puisque l'Univers n'avait que plusieurs centaines de milliers d'années, nous pouvons obtenir un instantané de l'état de l'Univers dans lequel il était très depuis longtemps. Mais toute cette lumière a voyagé 13,8 milliards d'années avant nous et a connu un décalage vers le rouge à mesure que l'Univers se développait, ce qui nous donne une autre dimension à toute l'histoire cosmique de l'expansion.



Enfin, on peut étudier les structures de l'univers à la plus grande échelle. En raison de la grande compétition spatiale qui se déroule tout le temps depuis la naissance de l'Univers - entre la gravité, attirant la matière et formant des structures contractantes, et l'expansion, qui sépare tout, nous pouvons étudier les tailles, les échelles, les densités des structures, ainsi que leur évolution sur de longues périodes temps, ce qui nous donne la troisième méthode de mesure.

En combinant les trois méthodes, vous pouvez vérifier leur connectivité et leur précision, montrant qu'elles donnent toutes le même résultat, qui coïncide avec toutes les données. Et j'ai de bonnes nouvelles pour vous: tout est pareil!



Avec de tels outils, nous pouvons découvrir en quoi consiste l'Univers, tout en calculant le niveau de notre confiance dans ces chiffres. On pense maintenant que sa composition est la suivante:
  • 0,01% — ,
  • 4,9% — , ,
  • 27% — , , 0,1%,
  • 68% —


Alors, quelle est cette "énergie noire" comme ça?



Pour autant que l'on puisse en juger par les observations de l'évolution de cette forme d'énergie, il est impossible de la distinguer d'une constante cosmologique. En relativité générale, la constante cosmologique est inhérente à l'espace, donc lorsque l'univers se dilate et qu'un nouvel espace apparaît entre les galaxies, la densité de l'énergie sombre ne diminue pas, bien que la densité de toutes les autres baisse simplement! C'est pourquoi l'expansion de l'univers s'accélère non seulement maintenant - elle continue de le faire depuis 6 milliards d'années.



Dans la théorie des champs quantiques, la constante cosmologique équivaut à l'énergie nulle d'un vide quantique, c'est-à-dire que l'effet observé est probablement lié aux champs quantiques de l'Univers et à la gravité, bien que nous ne puissions toujours pas imaginer comment le mettre en chiffres.



Il faut également reconnaître la possibilité que l'énergie sombre ne soit pas une constante cosmologique: elle pourrait être plus faible (ou plus forte) dans le passé, ou elle pourrait devenir plus faible (ou plus forte) à l'avenir. Mais avec l'amélioration des méthodes d'observation, les limites de ces possibilités sont devenues très strictes.



Il est très facile de paramétrer le changement d'énergie sombre dans le temps - jusqu'au premier ordre - avec le paramètre de l'équation d'état w. Si w = -1,0, alors une constante cosmologique apparaît à notre disposition. Si w = -1/3, nous avons la courbure de l'espace; si w = -2/3, alors les limites des domaines et, en principe, le paramètre en général peuvent étrangement changer dans le temps.


L'énergie sombre est constante lorsque w a = 0, w 0 = -1, d'ailleurs, si la valeur w 0moins de w a , puis l'énergie sombre s'amplifie avec le temps.

Il est plus facile d'accepter que sa valeur est constante, et maintenant les données obtenues nous donnent la valeur w = -1,02 ± 0,08, ce qui, en général, laisse entendre à peu près qu'il s'agit en fait d'une constante cosmologique, ou énergie inhérente à l'espace, ou l'énergie nulle d'un vide quantique, qui est en soi supérieur à zéro. S'il s'avère soudainement que w <-1.0, l'Univers terminera sa vie par un grand écart - nous avons envisagé cette option étonnante tout récemment.



La tâche actuelle des astronomes du 21e siècle (et peut-être des siècles suivants) est de savoir si l'équation w = -1,0000 est remplie avec une précision arbitraire et avec un nombre toujours croissant de chiffres décimaux. Et la tâche des théoriciens est de clarifier la question de ce que cela signifie pour l'Univers, ou comment calculer cette valeur sur la base du GR ou de la théorie quantique des champs. Jusqu'à présent, toutes les données indiquent une constante cosmologique - mais on ne sait jamais à l'avance. Cela peut se révéler être un champ scalaire, tenseur ou dynamique, avec un comportement plus complexe que nous ne le voyons jusqu'à présent. Mais il peut aussi se révéler être une simple énergie inhérente à l'espace, et en l'absence d'observations qui réfutent cette hypothèse, il vaut mieux mettre juste cette option.

Merci pour la question chic, Piusz, et pour l'opportunité que nous avons tous eu d'étudier un peu plus la puissance et la source d'énergie de l'Univers, qui est la moins connue. Il y a encore beaucoup à apprendre, mais même si ce sujet reste l'un des plus grands mystères, on en sait déjà beaucoup! Envoyez-nous vos questions pour avoir la chance de lire la réponse à votre question.

Source: https://habr.com/ru/post/fr395145/

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