Demandez à Ethan: l'énergie noire peut-elle conduire à une répétition du cycle de vie de l'univers?

Il y a une certaine ressemblance surnaturelle avec le début de notre Univers - la période d'inflation cosmique, et la détermination du destin ultime de l'Univers par l'expansion accélérée de la matière noire. Involontairement, vous commencerez à réfléchir à leur lien. Cette semaine, j'ai sélectionné une question de lecteur par Andrew Gillette demandant:

Si l'inflation éternelle est vraie, l'énergie noire peut-elle être un précurseur d'un retour à cet état d'origine?

Ce n'est pas seulement possible, l'énergie sombre ne dépend pas de l'exactitude de la théorie de l'inflation perpétuelle. Commençons par l'étape qui a précédé le début de l'Univers et préparé son offensive: l'inflation cosmique.


La température de l'univers est la même partout, même dans les parties indépendantes du ciel

Lorsque l'Univers familier, rempli de matière et de rayonnement, a commencé à exister, certaines de ses propriétés initiales étaient plutôt étranges et, en principe, elles n'avaient pas à être ainsi. Il était spatialement plat, partout où il avait la même température, il n'avait pas de reliques d'énergies ultra hautes, et il avait une image très spécifique des régions de haute et basse densité. Il est possible que l'Univers soit né avec de telles propriétés, mais l'idée de l'inflation cosmique est que si l'Univers commençait par une période d'expansion exponentielle, pendant laquelle l'espace avait de l'énergie interne, puis que cette période se terminait, alors le Big Bang se serait avéré avec de telles propriétés . Il a fallu de nombreuses années pour calculer correctement toutes les conséquences de cette idée, et encore plus de temps pour obtenir sa confirmation des données sur les fluctuations du CMB. Mais maintenant, l'inflation cosmique est le tout premier processus dont nous avons la preuve.



L'inflation perpétuelle est une idée liée à l'inflation basée sur une propriété à laquelle vous avez probablement rarement pensé. Habituellement, tout processus transitoire naturel - par exemple, une bouilloire avec de l'eau chaude passant de l'état liquide à l'état gazeux - se produit à plusieurs endroits à la fois, et ces endroits se dilatent puis fusionnent. Dans le cas de l'eau bouillante, nous appelons cette «percolation», l'apparition de petites bulles en dessous, s'unissant le long du chemin, et lorsqu'elles atteignent la surface, elles deviennent déjà grosses. Mais il y a un problème d'inflation: les régions où l'inflation n'est pas terminée continuent de croître de façon exponentielle, ce qui empêche les régions où elle s'est terminée de «percoler». En conséquence, notre Univers observable était censé apparaître à l'intérieur de toute la bulle dans laquelle l'inflation s'est terminée, et non à partir de plusieurs bulles fusionnées les unes avec les autres.



Mais à l'autre extrémité du spectre, il y a un fait d'accélération de l'expansion de l'Univers. La meilleure explication, qui correspond à la réalité mesurée avec la plus grande précision dont nous disposons, est que la petite énergie est inhérente à l'espace lui-même: nous l'appelons énergie sombre. Cette énergie est omniprésente, elle est également présente partout et elle est extrêmement petite: si vous la convertissez en masse via E = mc ^{2 d'} Einstein, vous obtenez l'équivalent d'un proton par mètre cube. Mais l'espace n'est pas seulement immense, il s'étend également! Ainsi, au fil du temps, cette énergie sombre devient plus importante et, par conséquent, après 8 milliards d'années, elle a conduit à une accélération de l'expansion de l'Univers, puis est devenue l'énergie dominante.



Ces deux périodes peuvent sembler différentes: l'inflation et l'expansion accélérée quelque temps après le début. En effet, l'ordre des énergies diffère d'environ 10 ¹²⁰ fois, c'est-à-dire extrêmement! Mais les deux traitent de l'énergie inhérente à l'espace lui-même, les deux provoquent une expansion exponentielle des tissus du cosmos, et au fil du temps, des fractions de seconde dans le cas de l'inflation à des milliards d'années dans le cas de l'énergie sombre, ils emporteront tout ce qui n'est pas connecté dans une structure intégrale. Il y a tellement de modèles qui essaient de combiner ces processus, connus sous le nom de quintessence.

Alors, quelles sont les possibilités de l'univers de répéter le cycle de son existence? Jusqu'à présent, il y a deux bons candidats.



1) Si l'énergie sombre est une constante cosmologique, elle peut se révéler être l'énergie résiduelle de la période d'inflation à partir de laquelle tout a commencé. Dans ce cas, il n'y a aucune raison pour laquelle il ne peut pas se désintégrer à un état d'énergie encore plus faible au fil du temps. Peut-être cela donnera-t-il lieu à un grand nombre de particules de masse extrêmement petite, telles que des neutrinos, des axions, ou quelque chose de plus exotique, susceptibles de s'unir pour former leurs analogues d'étoiles, de planètes ou même de personnes à une échelle de temps suffisamment grande. Ce n'est pas parce qu'il nous est inaccessible qu'il est impossible, et c'est l'un des destins probables de l'Univers à grande échelle de temps, même si cela prend des googles d'années à venir.

2) L'énergie sombre peut ne pas être une constante cosmologique, mais elle peut augmenter sa force avec le temps. Dans ce cas, il continuera de croître, ce qui conduira à un scénario de «grand écart» dans lequel chaque structure connectée de l'Univers sera finalement brisée. Mais selon le scénario d' Eric Gawiser , il est possible qu'au tout dernier moment - alors que l'espace lui-même est sur le point d'éclater - cette énergie inhérente à l'espace, indiscernable de l'inflation, fera la transition vers le Big Bang chaud! Le scénario de l'Univers «restauré» peut être une réalité non seulement pour notre avenir lointain, mais aussi pour notre passé - à cause de cela, l'Univers peut être beaucoup plus vieux qu'il n'y paraît, et peut-être même infiniment vieux!



Jusqu'à présent, les meilleures preuves dont nous disposons indiquent que l'énergie sombre est une constante cosmologique, c'est-à-dire Le scénario 2 ne fonctionne pas. S'il n'y a pas d'énergie inférieure, alors le 1er scénario est exclu - mais jusqu'à présent, nous n'avons pas suffisamment d'informations pour en exclure aucun. Si je devais choisir, je dirais qu'une transition vers un niveau d'énergie inférieur est plus probable, mais nos données soutiennent mieux l'idée de l'énergie sombre comme une véritable constante cosmologique. Mais jusqu'à ce que cela soit définitivement confirmé, il faut se préparer à toutes les opportunités!

Les missions EUCLID , WFIRST et LSST nous aideront à mesurer l'énergie sombre avec une précision encore plus grande, ce qui devrait fournir des arguments pour ou contre les deux possibilités mentionnées, et les développements de la physique théorique des hautes énergies peuvent nous en dire plus sur la première possibilité. En tout cas, la réponse à la question d'Andrew est que l'énergie noire peut annoncer le retour du Big Bang chaud après un état ressemblant à l'inflation, mais cela ne dépend pas de la nature éternelle de l'inflation elle-même!