Demandez à Ethan 101: Pourquoi l'univers était-il inégal?
En d'autres termes, si elle était parfaitement lisse, les étoiles et les galaxies apparaîtront-elles aujourd'hui?
Regardez d'abord ma maison. Il est, bien sûr, moyen, mais beaucoup moins bien que votre maison.
- Grumeleuse, princesse de l'espace, Adventure Time
En imaginant l'Univers, vous ne pensez probablement pas que tout est lisse et homogène. Une bosse comme la planète Terre est clairement différente du vide cosmique! Mais à grande échelle, l'Univers est assez lisse, et dans les premiers temps, il était lisse et à plus petite échelle. J'en ai déjà parlé, et cette semaine, j'ai sélectionné ce qui suit parmi vos questions:J'ai une question à propos de ce que vous avez déclaré à plusieurs reprises lors de la discussion du CMB. Plus précisément, si l'univers était parfaitement uniforme après le big bang, la structure ne se serait pas formée. Je comprends le concept. Mais qu'est-ce qui m'intéresse, du point de vue de la mécanique quantique, est-il possible que l'univers soit parfaitement homogène? Et sinon, serait-il possible d'avoir un univers plus uniforme au départ, ce qui conduirait à ce que nous avons maintenant, cela prendrait-il simplement plus de temps?Jetons un œil à notre univers aujourd'hui.
Aux échelles proches, nous avons des amas de matière: les étoiles, les planètes, les lunes, les astéroïdes, les gens. Entre eux se trouvent d'immenses espaces vides habités par des caillots plus raréfiés: gaz interstellaire, poussière et plasma, qui sont soit les restes d'étoiles mortes et mourantes, soit de futurs lieux où les étoiles apparaîtront. Et tout cela est connecté ensemble dans notre grande galaxie, la Voie lactée.À grande échelle, les galaxies peuvent exister isolément (galaxies de champ), peuvent être connectées ensemble en petits groupes (comme notre groupe local de galaxies), ou exister en grands amas constitués de centaines et de milliers de grandes galaxies. À des échelles encore plus grandes, nous constatons que des amas et des groupes sont situés le long de filaments géants, dont certains s'étendent sur plusieurs milliards d'années-lumière d'espace. Et entre eux? Vides gigantesques, vides: zones clairsemées où il n'y en a pas du tout, ou où il y a très peu de galaxies et d'étoiles.
Un examen à des échelles encore plus grandes, sur des dizaines de milliards d'années-lumière, montrera que n'importe quelle zone de l'espace ressemble beaucoup à une autre. La même densité, la même température, le même nombre d'étoiles et de galaxies, les mêmes types de galaxies, etc.Sur les plus grandes échelles, aucune partie de l'Univers ne semble spéciale par rapport aux autres. Différentes régions du cosmos ont apparemment les mêmes propriétés de base que toutes les autres.
Mais au début de notre univers, il n'y avait pas ces bosses et vides géants. Si nous regardons la «photographie infantile» de l'Univers - rayonnement relique (RI) - nous constaterons que la densité du jeune Univers était la même à toutes les échelles, littéralement partout. Et quand je dis «pareil», je veux dire que selon les mesures, la température dans toutes les directions était de 2 K, puis 2,7 K, puis 2,73 K, puis 2,725 K. Elle était en fait uniforme partout.Enfin, dans les années 1990, nous avons constaté que certaines zones n'étaient que légèrement plus denses que la moyenne, tandis que d'autres étaient légèrement plus rares que la moyenne à 80-90 microkelvin. L'univers au début était en moyenne très homogène, et les écarts par rapport à celui-ci n'étaient pas supérieurs à 0,003%.
La photo infantile du satellite Planck montre des écarts par rapport à l'homogénéité idéale, où les «points chauds» rouges correspondent à des régions clairsemées et les «points froids» bleus à des zones denses: ils se développent ensuite en régions riches en étoiles et galaxies. L'univers avait besoin de ces imperfections - ces endroits de densité accrue et diminuée - pour que des structures puissent se former.S'il était parfaitement uniforme, aucune région de l'espace ne pourrait attirer plus de matière qu'aucune autre et aucune croissance gravitationnelle ne se produirait. Mais même si vous commencez avec de très petites imperfections - quelques parties pour 100 000 - alors dans 50 à 100 millions d'années, les premières étoiles se formeront. Dans quelques centaines de millions d'années, les premières galaxies apparaîtront. Dans un peu plus d'un demi-milliard d'années, tant d'étoiles et de galaxies apparaîtront que la lumière visible pourra voyager à travers l'Univers sans que la matière neutre ne la bloque. Dans plusieurs milliards d'années, les amas et amas de galaxies que nous connaissons aujourd'hui apparaîtront.Revenons avec cette connaissance à la question de Jim. Est-il possible de créer un univers sans fluctuations? Réponse: non, si vous le créez comme il a été créé. La partie visible de l'Univers est venue du Big Bang, lorsque l'Univers s'est soudainement rempli d'une mer chaude et dense de matière, d'antimatière et de rayonnement.L'énergie du Big Bang chaud est venue de la fin de l'inflation - puis l'énergie inhérente à l'espace elle-même s'est transformée en matière et en rayonnement - dans un processus appelé chauffage cosmique secondaire. L'Univers ne s'est pas réchauffé à la même température dans tous les endroits, car pendant l'inflation, il y avait des fluctuations quantiques qui s'étendaient à travers l'Univers! C'est la racine de l'apparition de zones denses et clairsemées.
Si nous prenons l'Univers, qui est riche en matière et en rayonnement, qui s'est produit à la suite de l'inflation et obéit aux lois de la physique que nous connaissons, alors nous obtiendrons exactement ces fluctuations, conduisant à l'apparition de régions denses et clairsemées.Mais qu'est-ce qui détermine leur taille? Pourraient-ils être plus petits?Réponse: oui, ils le pourraient. Si l'inflation se produisait à des énergies inférieures, ou si le potentiel d'inflation avait d'autres propriétés, ces fluctuations pourraient être beaucoup plus faibles. Pas seulement dix fois moins, mais cent, mille, un million et même un milliard de fois moins que le nôtre!
Ceci est extrêmement important car la formation de structures spatiales prend beaucoup de temps. Dans notre univers, la transition des fluctuations initiales au moment où nous avons pu les mesurer (IR) prend des centaines de milliers d'années. Une transition de RI au moment où la gravité contribue à la formation des premières étoiles prend des centaines de millions d'années.Mais la transition des premières étoiles à l'Univers, dans laquelle l'énergie sombre domine - et dans laquelle il n'y aura pas de nouvelles structures, seulement celles qui sont déjà connectées par gravité - n'est pas si grande. L'univers a besoin d'environ 7,8 milliards d'années du Big Bang au début de l'accélération. Donc, si les fluctuations initiales étaient beaucoup plus petites, de sorte que les premières étoiles dans les dix premiers milliards d'années après le Big Bang ne se sont pas formées, alors la combinaison de ces petites fluctuations avec l'énergie sombre conduirait certainement au fait que les étoiles n'apparaîtraient pas du tout.
Quelle doit être la taille de ces fluctuations? La réponse vous surprendra - seulement quelques centaines de fois moins que la nôtre! Si le nombre de ces fluctuations dans le graphique ci-dessous (RI) était de l'ordre de dizaines, et non de plusieurs milliers, l'univers aurait de la chance s'il avait aujourd'hui au moins une étoile ou une galaxie, et il serait certainement différent du nôtre L'univers.
S'il n'y avait pas d'énergie sombre - si nous n'avions que de la matière et du rayonnement - alors, s'il y avait assez de temps, nous pourrions former des structures, quelle que soit la taille des fluctuations initiales. Mais l'inévitabilité de l'expansion accélérée donne une certaine urgence, qui autrement n'existerait pas, et il est absolument impératif que la fluctuation moyenne ne soit pas inférieure à 0,00001% de la densité moyenne, de sorte que toutes les structures connectées visibles existent dans l'univers.Réduisez les fluctuations et il n'y aura rien du tout dans l'univers. Augmentez-les à un niveau "énorme" de 0,003%, et vous n'aurez aucun problème à créer un univers similaire au nôtre.
Notre Univers est né avec des irrégularités, mais si l'inflation était différente, alors les masses de ces morceaux auraient dû être différentes. Fortement plus petit - et par conséquent, aucune structure ne sera obtenue. Beaucoup plus - et l'univers serait catastrophiquement rempli de trous noirs qui se seraient formés très tôt.Afin d'obtenir un tel univers que nous avons aujourd'hui, une combinaison très réussie de circonstances a dû se produire, et heureusement, notre Univers, apparemment, est juste le bon.Source: https://habr.com/ru/post/fr398643/
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