Demandez à Ethan n ° 107: l'inflation est-elle associée à l'énergie noire?
L'expansion exponentielle de l'univers a lieu maintenant, et une autre se produit depuis très longtemps. Sont-ils liés?
La nature ne peut pas être achetée ou vendue, empruntée ou copiée. Il est incomparable, inoubliable, sans vergogne, élémentaire comme la terre et la glace, l'eau, le feu et l'air, la quintessence, l'esprit pur, non décomposable en composants.
- Jay Griffiths
Chaque semaine, pendant que nous écrivons sur les miracles, les tâches intéressantes et difficiles et les nouvelles découvertes dans la nature de l'Univers, vous avez la possibilité de m'envoyer des questions et des suggestions pour le numéro hebdomadaire de «Ask Ethan». Et bien qu'il semble y avoir de plus en plus de questions chaque semaine, des questions intéressantes sont toujours rencontrées. Cette semaine, l'honneur revient à John Pashkov (la deuxième fois déjà), qui demande:Les forces d'inflation et l'énergie noire sont-elles liées d'une manière ou d'une autre? Ce serait très étrange s'il y avait deux forces différentes provoquant l'expansion de l'univers.
Dans le cas de l'Univers, une grande partie de ce qui se passe semble très étrange, c'est certain.
Tout d'abord, l'Univers se développe sans ambiguïté. Mais pour cela, elle n'a besoin d'aucun pouvoir. Si nous prenons un univers comme le nôtre, qui:• Fonctionne sous le contrôle de la relativité générale d'Einstein,• Rempli de matière, de rayonnement et d'autres choses,• Approximativement homogène dans toutes les directions et en tous lieux,vous arriverez à une conclusion amusante et inconfortable. Einstein l'a atteint pour la première fois dans les premières années de l'existence de la théorie de la relativité: un tel univers est essentiellement instable par rapport à l'effondrement gravitationnel.
Autrement dit, sans appliquer de correction magique, votre univers s'agrandira ou diminuera, et ces possibilités sont équivalentes. Ce qu'elle ne peut pas faire, c'est rester inchangée.Bien sûr, le travail d'Edwin Hubble n'a pas encore été fait. Non seulement nous ne savions pas que l'Univers était en expansion, nous ne savions même pas si ces objets en spirale dans le ciel sont des objets à l'intérieur de notre Voie Lactée, ou si ce sont des galaxies séparées. Comme Einstein, comme la plupart à l'époque, aimait davantage l'Univers statique, il a inventé une correction spéciale ad hoc pour la stabilité de l'Univers: une constante cosmologique.
L'idée de la relativité d'Einstein est que l'équation a deux côtés: celui avec la matière et l'énergie, et celui avec l'espace et le temps. Elle soutient que la présence de matière et d'énergie détermine la courbure et l'évolution de l'espace-temps, et comment l'espace-temps est courbé et évolue, détermine le sort de chaque quantum de matière et d'énergie qu'il contient.L'ajout d'une constante cosmologique signifiait "qu'il existe un nouveau type d'énergie inhérent à l'espace lui-même, provoquant une expansion constante du tissu de l'univers". Par conséquent, s'il y avait une force gravitationnelle travaillant, en raison de la présence de matière et d'énergie, à l'effondrement de l'Univers, il était possible de prendre cette constante cosmologique pour étendre l'Univers et obtenir un Univers statique. Tout ce qui était requis était d'égaliser ces deux valeurs afin qu'elles se détruisent mutuellement.
Il s'est avéré que l'Univers est en expansion, et il n'a pas besoin de constante cosmologique pour contrer la gravité. Dans sa position d'origine, l'Univers a commencé à se développer très rapidement, ce qui a contrecarré la force de gravité de toute matière et énergie. Au lieu de la compression, l'Univers était en expansion et la vitesse d'expansion a ralenti.Il sera naturel de poser deux questions devenues logiques après cette découverte dans les années 1920:1. Qu'est-ce qui a provoqué une expansion aussi rapide de l'Univers à ses débuts?2. Quel sera le sort de l'univers? Va-t-il s'étendre pour toujours, son expansion reviendra-t-elle à un repli, sera-t-elle dans un état limite ou quelque chose d'autre se produira-t-il?
La première question est restée sans réponse pendant plus de 50 ans, bien que, fait intéressant, Willem de Sitter a presque immédiatement suggéré que l'expansion était due à la constante cosmologique.
Enfin, au début des années 1980, la théorie de l'inflation cosmologique est apparue, suggérant la présence d'une phase précoce d'expansion exponentielle, lorsque quelque chose de très réminiscent d'une constante cosmologique dominait l'Univers.Mais cela ne pouvait pas être une véritable constante cosmologique, également connue sous le nom d'énergie du vide, car l'Univers n'est pas resté dans cet état pour toujours. L'Univers pouvait être dans un état de faux vide, quand il avait une énergie inhérente à l'espace, qui s'éteignait ensuite à un état de basse énergie, ce qui conduisait à l'apparition de matière et de rayonnement: un Big Bang chaud!
L'inflation a fait d'autres prédictions, dont quatre ont déjà été confirmées, à la suite desquelles nous acceptons l'existence d'une phase aussi précoce de l'univers.En ce qui concerne la deuxième question, concernant le sort de l'Univers, nous trouvons quelque chose d'étrange. Nous nous attendions à trouver une sorte de race entre l'expansion rapide initiale et la force de gravité qui affecte toute la matière et le rayonnement, et au lieu de cela, nous avons trouvé de manière inattendue une nouvelle forme d'énergie appelée obscurité. Et qu'en pensez-vous? Cette énergie sombre, telle que nous la comprenons aujourd'hui, ressemble exactement à une constante cosmologique.
Mais il y avait deux types d'expansion exponentielle, plus tôt et plus tard, qui varient considérablement en détail.• La première période d'inflation dans l'Univers a duré indéfiniment - peut-être 10 à 33 s, peut-être presque indéfiniment - et l'énergie sombre d'aujourd'hui a dominé pendant six milliards d'années.• La première période d'inflation dans l'Univers a été très rapide, l'expansion cosmologique a été 10 50 fois plus rapide qu'aujourd'hui . Aujourd'hui, au contraire, l'énergie noire représente 70% du taux d'expansion.• Un état précoce interagissait en quelque sorte avec la matière et le rayonnement. A des énergies suffisamment élevées, une certaine «particule d'inflation» doit exister si la théorie quantique des champs ne nous ment pas. L'énergie sombre du temps tardif ne contient aucune sorte d'interaction.Mais il y a des similitudes.
Les deux ont la même équation d'état, c'est-à-dire la relation entre l'échelle de l'univers et le temps.Les deux ont la même relation entre la densité d'énergie et la pression en GR.Les deux conduisent à une expansion exponentielle de l'univers.
Mais sont-ils connectés? C'est très, très difficile à dire. Parce que, bien sûr, que nous ne les comprenons pas assez bien! Personnellement, en pensant à l'inflation, j'aime imaginer une bouteille de soda de deux litres à moitié pleine. J'imagine qu'une goutte d'huile flotte à la surface du liquide à l'intérieur de la bouteille. Cet état de haute énergie ressemble à l'univers pendant l'inflation.Il se produit alors quelque chose qui fait déborder le liquide de la bouteille. Le pétrole est envoyé vers le bas, dans un état de basse énergie.
Mais si la goutte n'atteint pas le fond - elle ne restera pas à zéro, mais à une marque finale (comme le champ de Higgs pendant la rupture de symétrie) - elle peut provoquer l'apparition d'énergie sombre. Les modèles reliant ces champs, le champ d'inflation et le champ d'énergie sombre sont appelés quintessence .Il est assez facile de créer un modèle quintessentiel de travail. Le problème est qu'il est tout aussi facile de créer deux modèles de travail distincts - un pour l'inflation et un pour l'énergie sombre. Nous avons deux nouveaux phénomènes qui nécessitent l'introduction d'au moins deux «paramètres libres» pour que la théorie fonctionne. Ils peuvent être connectés, vous ne pouvez pas vous connecter, mais ces modèles ne peuvent pas être distingués les uns des autres.
À ce jour, nous n'avons pu exclure que certaines classes de modèles dans lesquels le taux d'expansion aux stades précoces ou tardifs ne coïncide pas avec les observations. Mais les observations concordent avec le fait que l'inflation est en soi et que l'énergie noire provient d'une source complètement différente. Je n'aime vraiment pas parler de la connaissance que nous avons reçue que l'inflation se produit à des énergies de l'ordre de 10 15GeV et énergie sombre - à des énergies d'environ 10 -3 eV, puis expliquez que «nous ne savons pas s'ils sont connectés» - mais c'est comme ça.Malheureusement, même avec toutes les expériences proposées - James Webb, WFIRST, LISA et ILC - nous ne nous attendons pas à recevoir une réponse à cette question dans un avenir proche. Il reste à espérer une percée théorique. J'ai moi-même travaillé directement sur cette tâche, et je peux dire que je ne sais pas quand cela peut arriver.Source: https://habr.com/ru/post/fr399443/
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