Big Bang chaud et inflation

Big Bang chaud

Hot Big Bang - c'est la période du développement de l'Univers, dans les dernières étapes de laquelle nous vivons. Pendant cette période, la partie observée de l'Univers était initialement dense et chaude, puis elle a commencé à se dilater et à se refroidir. L'expansion a ralenti jusqu'à récemment. Ne vous y trompez pas: le Hot Big Bang n'a certainement pas commencé aux tout premiers moments de la vie de l'Univers.

Certaines personnes appellent le Hot Big Bang (HBV) simplement le «Big Bang». D'autres, parlant du Big Bang, impliquent également une époque antérieure. Les problèmes de terminologie seront décrits dans le prochain article sur l'inflation.

Quelle était la température du VHB dans l'état le plus chaud avant qu'il ne commence à refroidir, et comment a-t-il commencé?

Cela ne nous est sûrement pas encore connu. Le VHB pourrait commencer lorsque l'univers est devenu chaud à la fin de la période d'inflation. Dans ce cas, la chaleur du VHB provenait de l'énergie sombre qui a alimenté l'inflation, et la température maximale du VHB dépend de la quantité d'énergie sombre disponible.

La température pourrait être:

• aussi grand qu'un grand pourcentage de la température de Planck (et puis l'Univers était si chaud qu'il pouvait créer des trous noirs simplement à cause de la température), et
• aussi bas que la température correspondant à l'énergie du Grand collisionneur de hadrons (et alors ce ne serait guère suffisant pour créer des particules de Higgs).

Et probablement pas en dessous de cette marque.

Parfois, la température maximale du VHB est appelée «température de réchauffage», mais le mot «re» peut entraîner des malentendus. Les gens ont supposé que l'Univers était chaud avant et après l'inflation, d'où le «réchauffement» - et vous pouvez trouver de nombreux sites, livres, vidéos, images qui démontrent la même hypothèse - mais il n'est basé sur rien.

Que s'est-il passé ensuite?

Nous sommes tout à fait sûrs de connaître les principaux jalons et de nombreux détails de ce qui s'est passé au cours des 13,7 milliards d'années à venir. L'univers s'est progressivement étendu (l'espace est devenu plus grand), et en conséquence refroidi et est devenu plus vide. Comparée à un événement aussi étonnant que l'inflation, la période suivante a été relativement ennuyeuse, bien que des étapes assez importantes se soient rencontrées en cours de route.

Quelques minutes après le début du VHB:

• Le champ de Higgs s'est activé (c'est-à-dire que sa valeur moyenne est devenue non nulle), ce qui a permis à de nombreuses particules qui n'avaient pas de masse auparavant, y compris les quarks et les électrons trouvés dans la matière ordinaire, de recevoir de la masse. Depuis ce temps, la valeur du champ de Higgs est restée constante, au moins dans la partie observable de l'Univers.
• Les quarks, les antiquarks et les gluons volant librement se sont joints pour former des hadrons, y compris des protons et des neutrons.
• Les premiers noyaux atomiques, différents de l'hydrogène, se sont formés, à la suite desquels beaucoup d'hélium et un peu de deutérium (hydrogène lourd), ainsi que du lithium, sont apparus dans l'Univers. Ils devinrent plus tard les ingrédients des premières étoiles.

380 000 ans plus tard, tout s'est suffisamment refroidi pour que les premiers atomes se forment, et à partir de ce moment, l'Univers est devenu pour la plupart un endroit transparent, tel que nous le voyons aujourd'hui. La lumière, qui a ensuite eu l'occasion de se déplacer librement dans l'Univers, nous donne un «rayonnement relique».

Une centaine de millions d'années plus tard, les premières galaxies ont commencé à se former et les premières étoiles se sont illuminées. Le délai exact n'a pas encore été établi par des mesures, mais ils essaient de le faire.

Aujourd'hui, nous vivons environ 13,7 milliards d'années après le début du VHB. Notez que je n'ai pas écrit sur "l'âge de l'Univers", ou qu'il a commencé il y a 13,7 milliards d'années. Nous ne le savons pas exactement. Nous savons seulement que la VBG a commencé il y a 13,7 milliards d'années - mais nous ne savons pas si ce moment était proche du début de l'Univers entier.

L'inflation

L'ère de l'inflation a probablement été une période très courte, mais certainement une période colorée pendant laquelle l'espace à l'intérieur de la partie de l'Univers, y compris notre partie visible (celle que nous pouvons voir aujourd'hui), s'est rapidement étendu à une vitesse absolument incroyable. La vitesse d'expansion était si rapide qu'elle semblait folle. Et la seule chose qui garde cette idée de la folie, c'est que la théorie de l'inflation produit des prédictions jusqu'ici cohérentes avec nos mesures de l'espace (y compris celles faites par le projet BICEP2 ). Cela ne signifie pas que c'est vrai, mais cela signifie que:

• il y a de bonnes raisons de croire que cela peut être vrai, et
• aujourd'hui, personne ne peut prouver qu'il a tort.

Encore une fois: l'espace s'est agrandi. Aucune matière n'était déchirée dans l'espace: l'espace devenait beaucoup plus grand. Cela ne ressemblait pas du tout à une explosion .

La vitesse d'expansion était-elle folle? Une section de l'Univers de la taille de l'écran de votre ordinateur s'est étendue à la taille de la partie de l'Univers observée aujourd'hui, voire plus, en un temps plus court qu'un quark n'a besoin de passer d'un côté du proton à l'autre. Je n'essaierai même pas de vous inonder de chiffres, en partie parce que nous ne savons pas vraiment combien de temps l'inflation a duré, mais aussi parce que les chiffres indiquent des tailles trop grandes et des intervalles de temps trop petits pour que les gens puissent les imaginer. En fait, un énorme morceau de l'univers a été créé à partir d'un petit morceau presque instantanément.

Comment était l'univers pendant cette expansion? Vide. Extrêmement vide. Beaucoup, beaucoup, beaucoup plus vide que l'espace aujourd'hui. Très froid. Très sombre. Tout ce qui pouvait y être présent avant le début de l'inflation a été instantanément déchiré et volé sur de grandes distances. Attention: il y a un hic assez important et très subtil concernant les déclarations sur l'Univers vide / sombre / froid, et je ne sais pas encore comment le décrire plus précisément. Il serait plus juste de dire que l'Univers n'était pas seulement «extrêmement» vide, il était «maximum» vide, sombre et froid - vide de tout sauf des fluctuations quantiques.

Ce qui s'est passé avant l'inflation et comment elle a commencé, nous ne le savons pas. Il existe plusieurs théories raisonnables fondées sur la science, mais elles seront toutes des spéculations jusqu'à ce que quelqu'un trouve un moyen de les tester à l'aide de mesures. La période «avant l'inflation» peut ne pas exister du tout - soit parce que l'inflation se poursuit constamment quelque part dans l'Univers, soit parce que le temps n'aura pas de sens si vous remontez assez loin dans le passé, ou pour une autre raison. Mais dans de nombreux contextes, cela n'a guère d'importance, comme je l'expliquerai à l'aide d'images, répondant à certaines des questions fréquemment posées en cours de route.

Qu'est-ce qui a causé le taux d'inflation insensé?

La raison en était une grande partie de ce qu'on appelle souvent:

• «Énergie sombre» (mais ce n'est pas de l'énergie, c'est une certaine combinaison d'énergie et de pression négative), ou
• «Constante cosmologique» (erreur [pas] d'Einstein; heureusement, ce n'est pas une constante, sinon l'Univers subirait l'inflation pour toujours), ou
• "Stretch lisse et sombre" (ce qui est vrai, mais semble maladroit et n'explique rien).

En général, il y a un peu de cette substance dans l'Univers, c'est pourquoi le taux d'expansion de l'Univers a commencé à augmenter au cours des derniers milliards d'années. Mais, nous soupçonnons qu'à un moment donné pour une raison quelconque, il était beaucoup plus grand. Pour cette raison, la zone contenant notre partie de l'Univers se développait à un rythme incroyable, c'est-à-dire qu'elle était soumise à "l'inflation". Les figures 1, 2 et 3 contiennent des suppositions non corroborées et probablement incorrectes quant à la raison pour laquelle l'inflation a commencé, et sur la fig. Les 4 détails de ces conjectures n'ont plus de sens.


Fig. 1: une conjecture totalement infondée sur l'apparence d'une section de l'univers avant le début de l'inflation. Pour une raison inconnue, la zone grise contient une énorme quantité d'énergie sombre. À l'intérieur de la zone grise, j'ai dessiné quelques objets, indiqués par des points verts et rouges. Ce qui est en dehors de la région grise, je n'en ai aucune idée, mais au final ça n'aura pas d'importance.

D'où vient cette énorme quantité d'énergie noire?

Nous ne le savons pas. Il existe plusieurs hypothèses, dont certaines ont été rejetées par des données récentes. Nous espérons en apprendre davantage sur ce sujet au cours de la prochaine décennie.


Fig. 2: l'énergie sombre provoque l'expansion de la zone grise. Les objets dans la zone grise (points verts et rouges) se dispersent avec l'expansion de l'espace contenant de l'énergie sombre, qui devient de plus en plus volumineux, sans dépasser la zone grise.

Pourquoi la vitesse d'expansion ne ralentit-elle pas si l'expansion augmente l'énergie sombre?

Il est étrange et surprenant qu'avec l'inflation de l'Univers et la croissance de son volume, la quantité d'énergie sombre en termes de volume unitaire reste constante. Cela signifie que l'inflation ira, et ira, et ira, sans ralentir, jusqu'à ce que quelque chose fasse disparaître l'énergie sombre.


Fig. 3: étant donné que l'énergie sombre, contrairement aux matériaux conventionnels, ne se raréfie pas à mesure que l'espace se dilate et que sa densité reste constante, la zone grise continue de s'étendre. À ce moment-là, tous les points verts et rouges, sauf un, avaient disparu de la vue. Quelle que soit la température de la zone en expansion au début, elle devient très froide (aussi froide que les conditions le permettent).

Les points verts et rouges s'éloignent l'un de l'autre à grande vitesse.

Cela signifie-t-il une expansion incroyable que toutes choses s'éloignaient les unes des autres à une vitesse dépassant la vitesse de la lumière, une limite de vitesse universelle?

Oui, ça l'est.

Est-ce que cela viole la théorie de la relativité d'Einstein?

Non, ça ne casse pas. La théorie d'Einstein dit que si deux objets se croisent à un point dans l'espace, alors pour un observateur se déplaçant avec l'un d'eux, la vitesse mesurée de l'autre objet ne dépassera jamais la vitesse de la lumière. Mais deux objets à deux endroits différents peuvent s'éloigner l'un de l'autre plus rapidement que la vitesse de la lumière si l'espace lui-même se dilate. C'est exactement ce qui se passe dans l'univers en expansion.


Fig. 4: l'essence de l'ère de l'inflation. À ce stade, l'inflation a propagé tous les objets qui existaient dans la zone grise de la Fig. 1 (points rouges et verts) à des distances extrêmement grandes les unes des autres. La zone grise s'est étendue à une taille incompréhensible, elle est devenue terriblement vide et froide. Et l'expansion peut se poursuivre indéfiniment en plusieurs étapes. Les suppositions initiales illustrées à la fig. 1 et fig. 2, sont complètement sans rapport avec les propriétés de cette section de l'Univers; si nous avons commencé une très bonne supposition à la fig. 1 et 2, nous aurions toujours la même photo. 4.

Je pensais que le Big Bang était lié à un univers très chaud. Et maintenant tu dis qu'elle avait très froid?

Oui, ça l'est. Enfin, presque comme ça. Elle est aussi froide que possible; cependant, la présence de fluctuations quantiques introduit ses propres caractéristiques. L'univers est devenu chaud après l'inflation (plus à ce sujet plus tard). Que ce soit chaud à un moment donné avant l'inflation, la question est purement spéculative; il n'y a aucune preuve pour ou contre. Mais pendant l'inflation, la température a chuté à une petite fraction de degré au-dessus du zéro absolu.


Fig. 5: L'expansion du site inflationniste ralentit. Le fait qu'avec le temps deviendra une partie observable de notre Univers est déjà suffisamment grand pour le dessiner - il est indiqué par une ligne pointillée rouge.

Pourquoi l'inflation s'est-elle arrêtée?

Nous ne le savons pas. Il existe, bien sûr, plusieurs hypothèses scientifiques, avec des équations, des prédictions et des moyens de les tester - au moins en partie. Peut-être que bientôt nous en apprendrons davantage à ce sujet grâce à l'exploration continue de l'espace.

Que s'est-il passé lorsque l'inflation a cessé?

La meilleure estimation (et nos équations disent que cela est possible, mais ne donnez pas de détails) - toute l'énergie sombre s'est transformée en particules, y compris celles dont nous sommes composés, et en de nombreux autres types de particules que nous connaissons, et, éventuellement, en un tas de particules dont nous ne savons rien. Et lorsque cela s'est produit, l'Univers est devenu très chaud et dense - et continue de s'étendre, bien que beaucoup plus lentement.


Fig. 6: à la fin de l'inflation, l'énergie sombre qui remplit la section précédemment en expansion se transforme en énergie de mouvement et en énergie de la masse de particules qui apparaissent en grande quantité, ce qui rend l'Univers très chaud. Plus l'énergie par unité de volume est sombre pendant l'inflation, plus l'Univers peut devenir chaud après s'être réchauffé. Une grande zone s'étendant beaucoup plus loin que ce qui est montré, y compris ce qui deviendra notre partie observable de l'Univers, est remplie d'une soupe de particules presque uniforme, chaude et dense. A partir de ce moment, l'Univers se développe davantage, mais beaucoup plus lentement que pendant l'inflation, et se refroidit progressivement.

Ce fut la source du Hot Big Bang. Certaines personnes (dont moi) disent simplement: Ce moment est le début du Big Bang. D'autres disent que le Big Bang comprend le Hot Big Bang et l'inflation, bien que ce soit étrange - l'inflation ressemble plus à un coup de sifflet qu'à une explosion. Certains disent que l'inflation a provoqué une explosion dans le Big Bang, rendant d'abord l'univers grand et en expansion, puis le rendant chaud. Quelqu'un d'autre dit que le Big Bang comprend le Big Bang, l'inflation et tout ce qui l'a précédé. Mais c'est une déclaration risquée - avant l'inflation, il pourrait y avoir quelque chose qui ne mérite pas le terme «explosion» (un événement énergique, mouvementé et soudain).

La terminologie n'étant pas encore établie, vous pouvez décider vous-même de ce que vous appelez exactement le terme «Big Bang». Il est seulement important de savoir que vous avez plusieurs possibilités et que différents scientifiques et différents sites peuvent avoir à l'esprit différents concepts, appelés Big Bang.