Demandez à Ethan: les effets de l'énergie sombre conduisent-ils à une perte d'informations sur l'univers?

Différentes variantes du sort de l'Univers, dont notre version réelle avec accélération est montrée à droite

Peut-être la plus grande surprise associée à notre univers nous attendait à la fin du 20ème siècle: alors la découverte de l'énergie noire et de l'expansion accélérée a été faite. Les galaxies de l'Univers les plus éloignées de nous ne nous attirent pas du tout à cause de la gravité, mais avec l'accélération elles s'éloignent de nous à des vitesses toujours croissantes, et elles sont destinées à disparaître de notre champ de vision. Mais cela ne crée-t-il pas une forme de paradoxe de l'information? Un de nos lecteurs demande:

L'expansion de l'univers signifie que notre horizon de visibilité recule - derrière lui, des objets éloignés disparaissent constamment de la vue. Il semble en découler que nous perdons des informations sur l'univers. Alors, pourquoi l'idée de perdre des informations au-delà de l'horizon des événements du trou noir provoque-t-elle tant de controverse si nous perdons constamment des informations au-delà de l'autre horizon?

C'est une question à multiples facettes, alors commençons par l'expansion accélérée de l'univers.


Après le Big Bang, l'Univers était presque parfaitement homogène et s'est rapidement développé, rempli de matière, d'énergie et de rayonnement

Si vous voulez imaginer le début de l'Univers, vous devrez dessiner dans votre imagination quelque chose de très différent de l'image d'aujourd'hui. Au lieu d'étoiles et de galaxies séparées par de vastes distances cosmiques, où il n'y a pratiquement que du vide, le jeune Univers était chaud, dense, rempli de matière et de rayonnement, et se développa extrêmement rapidement. Avec une vitesse incroyable, l'Univers est devenu moins dense et, en moyenne, toutes les particules se sont dispersées les unes des autres. Mais au fil du temps, cette expansion a ralenti et l'effet gravitationnel de la matière et de l'énergie a tenté de recompresser l'univers.


Si l'Univers n'avait qu'une densité un peu plus élevée (rouge), il serait déjà compressé. S'il était légèrement moins dense, il se dilaterait plus rapidement et deviendrait beaucoup plus grand (vert).

La course a été intense, et si l'équilibre dans l'Univers était un peu perturbé, il pourrait s'étendre, empêchant les étoiles et les galaxies de se former ou de se rétrécir, ce qui conduirait à un fantastique Big Squeeze . Mais aucune de ces opportunités n'a été réalisée. Pendant des milliards d'années, tout a semblé que l'Univers était presque exactement au milieu entre eux, montrant un cas critique dans lequel il ne se développerait pas pour toujours et ne rétrécirait plus. Au lieu de cela, le taux d'expansion tendrait asymptotiquement vers zéro.


Quatre destins possibles de l'Univers, l'exemple le plus bas correspond le mieux à nos données: Un univers à énergie noire

Mais tout a changé dans les années 90. Après avoir observé des supernovae éloignées et mesuré comment l'univers s'est étendu au cours de milliards d'années, les astronomes ont découvert quelque chose de surprenant, mystérieux et inattendu. Après environ sept milliards d'années de diminution de la vitesse d'expansion, lorsque la gravité a lutté avec la pression initialement exercée par le Big Bang, les galaxies lointaines ont cessé de ralentir à leur distance de nous. Ils ont commencé à le faire plus rapidement et s'envolent de plus en plus vite. Cette expansion accélérée de l'Univers a non seulement continué après cela, mais nous a également permis de prédire l'avenir lointain des bords éloignés de l'Univers. Et il n'y a rien de bon dedans.


Les parties observées (jaune) et réalisables (violet) de l'Univers, qui sont telles en raison de l'expansion de l'espace et des composants énergétiques de l'Univers.

Des galaxies à plus de 15 milliards d'années-lumière de nous sont déjà inaccessibles. La lumière émise par nous, maintenant, 13,8 milliards d'années après le Big Bang, ne les atteindra jamais, et la lumière émise par eux ne nous atteindra jamais. Si nous étudions tout l'Univers observable, il s'avère que près de 97% de toutes les galaxies qui s'y trouvent sont déjà dans cette position. Ils resteront à jamais inaccessibles pour nous, même si aujourd'hui ils sont allés vers eux à la vitesse de la lumière.

Mais cela signifie-t-il que les informations disparaissent? Nous ne pourrons peut-être pas atteindre ces galaxies, mais cela revient-il à perdre des informations à leur sujet?


Les galaxies éloignées, comme celles de l'amas de galaxies Hercules, accélèrent loin de nous. En conséquence, à un moment donné, nous cesserons d'accepter leur lumière.

Pas vraiment. Au fil du temps, les galaxies les plus éloignées disparaîtront dans un sens pratique, mais pas dans un sens absolu. Les galaxies physiques peuvent disparaître, mais des informations à leur sujet continueront d'exister dans notre univers. Les photons qui ont quitté une galaxie éloignée il y a longtemps sont étirés en raison de l'expansion de l'univers. La longueur de leurs ondes augmente, l'énergie diminue et la densité quantitative des photons diminue. Mais au fil du temps, les informations de ces galaxies lointaines continuent de nous parvenir, et dans un avenir lointain, même des étoiles et des galaxies apparaîtront, dont nous pouvons voir la lumière pour la première fois.


Plus la galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne rapidement de nous en raison de l'expansion, et plus sa lumière subit un décalage vers le rouge

Les informations ne sont en aucun cas détruites; à un moment donné, nous ne recevons pas d'informations sur ces galaxies. L'horizon cosmique s'éloigne de nous, mais même lorsque les galaxies quittent notre espace accessible, il n'y a aucune perte d'information qui existait auparavant de notre point de vue. Il reste dans l'Univers, en principe, accessible à un observatoire suffisamment grand fonctionnant à la bonne longueur d'onde. Pour le voir dans 100 milliards d'années, vous aurez peut-être besoin d'un télescope de la taille d'une galaxie - mais les informations n'iront nulle part.

Soit dit en passant, l'analogie avec le trou noir est presque parfaite - sans la physique quantique, elle se comporterait presque comme notre univers.


Lorsque quelque chose tombe dans un trou noir, des informations sont stockées à la surface de l'horizon des événements. C'est comparable à une galaxie poussée au-delà de l'horizon cosmique, avec laquelle rien ne se passe après cela.

En jetant un livre dans un trou noir, vous ajoutez simplement de la masse au trou noir, c'est pourquoi l'horizon des événements grandit. Mais pour information, ce n'est pas un problème; un BH plus grand et plus massif contient plus d'informations sous forme codée. En particulier, les informations sur le contenu de l'ouvrage - bien qu'elles ne soient pas sous la forme à partir de laquelle il peut être restauré - sont encodées à l'horizon des événements de la mer Noire. De notre point de vue, lorsque nous sommes en dehors de la BH, le livre, il faut un temps infiniment long pour tomber, ce qui signifie que si nous pouvons mesurer des photons avec un décalage vers le rouge gravitationnel assez longtemps, nous ne pouvons pas interrompre l'accès à l'information contenu dans le livre.


À de grands intervalles de temps, les trous noirs sont comprimés et s'évaporent en raison du rayonnement de Hawking. Ensuite, il y a une perte d'informations, car le rayonnement ne contient pas d'informations qui étaient autrefois codées sur l'horizon des événements

Le problème de la perte d'informations ne se produit que lorsque le BH s'évapore. Le livre contenait un certain nombre de protons, neutrons, électrons, etc. - sans parler des mots, des phrases et d'autres informations - et de la BH vient juste un rayonnement aléatoire d'un corps noir. Flux de particules. Avec la disparition de l'horizon des événements, l'information disparaît également. Comme Sabina Hossenfelder l'a explicitement expliqué, personne ne sait où vont les informations de BH et si elles sont stockées du tout.


Avec l'expansion de l'Univers, son évolution et son accélération, aucune information n'est détruite en quittant l'horizon, et les informations imprimées sur l'horizon cosmique ne disparaissent jamais complètement

Mais l'univers ne s'évapore pas. Les galaxies lointaines disparaissent, mais ne sont pas détruites. Les informations qu'ils nous communiquent deviennent inaccessibles, mais uniquement dans un sens pratique, pas dans l'absolu. Un paradoxe n'apparaîtra que si une nouvelle physique montre que notre horizon cosmique s'évapore. L'univers peut accélérer; l'énergie sombre peut devenir dominante à 99,99% sur toute l'énergie de l'univers; toutes les galaxies peuvent devenir inaccessibles. Mais, en dépit du fait que l'énergie sombre est si inexorable et contre-intuitive, elle, au moins, ne viole pas la loi de conservation de l'information.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].