Demandez à Ethan: les pertes de rayonnement des étoiles peuvent-elles expliquer l'énergie sombre?

L'idée de l'artiste de l'époque de l'Univers où se sont formées les premières étoiles. En raison de leur lumière et de leurs fusions, ils émettront des rayonnements électromagnétiques et gravitationnels. Mais la conversion de la matière en énergie est-elle capable de créer de l'antigravité?

Il y a des énigmes sur le chemin de notre connaissance de l'Univers, dont la réponse n'est encore connue de personne. Matière noire, énergie noire, inflation cosmique - toutes ces idées sont incomplètes, et nous ne savons pas quel type de particules ou de champs en sont responsables. C'est possible, bien que la plupart des professionnels considèrent qu'il est peu probable qu'un ou plusieurs de ces puzzles aient une solution non standard qu'aucun de nous n'attend.

Pour la première fois dans l'histoire de la colonne «Ask Ethan», j'ai reçu une question d'un lauréat du prix Nobel - John Cromwell Mather - qui veut savoir si les étoiles, convertissant la masse en énergie, peuvent être responsables des effets attribués à l'énergie sombre:

Qu'advient-il de la gravité qu'exerce une masse en voie de disparition au cours de sa conversion en lumière et en neutrinos par des réactions nucléaires se produisant dans les étoiles, ou lorsque la masse se rassemble dans un trou noir, ou lorsqu'elle se transforme en ondes gravitationnelles? En d'autres termes, les ondes gravitationnelles, les ondes électromagnétiques et les neutrinos sont-ils une source de gravité qui correspond exactement à la masse existante qui s'est transformée en eux, ou non?

Super idée. Voyons pourquoi.


Illustration artistique de la fusion de deux étoiles à neutrons. La grille spatio-temporelle recouverte d'ondes représente les ondes gravitationnelles émises lors d'une collision, et les rayons sont des jets de rayons gamma qui tirent quelques secondes après les ondes gravitationnelles (les astronomes les détectent sous forme de sursauts gamma ). Dans un tel événement, la masse se transforme en deux types de rayonnement.

Dans la théorie générale de la relativité d'Einstein, un modèle de l'Univers qui donne des solutions exactes peut être construit de quelques manières seulement. Nous pouvons décrire avec précision l'espace-temps dans un univers absolument vide. Si vous placez une seule masse dans un univers vide, la tâche deviendra beaucoup plus compliquée, mais la solution peut toujours être écrite. Et si vous placez la deuxième masse dans un tel univers, la tâche ne sera pas résolue. Nous ne pouvons que faire des estimations et essayer de trouver une solution numérique. Cette propriété ennuyeusement complexe de l'espace-temps, si difficile à décrire avec précision, nous oblige à utiliser une telle puissance informatique, des efforts de recherche théorique et à consacrer tellement de temps à modéliser correctement la fusion des trous noirs et des étoiles à neutrons enregistrée par LIGO .


Le travail de la gravité est déterminé non seulement par l'emplacement et l'ampleur des masses, mais aussi par la façon dont ces masses se déplacent les unes par rapport aux autres et accélèrent dans un champ gravitationnel qui change avec le temps. En relativité générale, un système contenant plus d'une masse ne peut pas être déterminé avec précision.

L'un des rares cas où nous pouvons trouver la solution exacte, décrit un univers rempli d'une quantité égale de «substance» partout et dans toutes les directions. Peu importe le type de «substance» dont il s'agit. Il peut s'agir d'un ensemble de particules, d'un liquide, d'un rayonnement, d'une propriété de l'espace lui-même, d'un champ aux propriétés souhaitées. Il peut s'agir d'un mélange de différentes choses, par exemple, de la matière normale, de l'antimatière, des neutrinos, du rayonnement, et même de la matière noire mystérieuse et de l'énergie sombre.

Si cela décrit votre univers et que vous savez dans quelles proportions vous avez toutes ces substances, il vous suffit de mesurer la vitesse d'expansion de l'univers. Après cela, vous apprendrez immédiatement comment il s'est développé tout au long de sa vie et se développera à l'avenir. Si vous savez en quoi consiste l'univers et comment il se développe aujourd'hui, vous pouvez découvrir le sort de l'univers entier.


Les variantes attendues du développement de l'Univers (les trois premiers) correspondent à un univers dans lequel la matière et l'énergie luttent avec le taux d'expansion initial. Dans notre univers observable, l'accélération cosmique est associée à un certain type d'énergie sombre, actuellement inexpliquée. Tous ces univers sont régis par les équations de Friedman .

En effectuant ces calculs sur la base de l'Univers observé par nous aujourd'hui, nous obtenons qu'il consiste en:

• 68% d'énergie sombre
• 27% de matière noire
• 4,9% de matière normale
• 0,1% neutrino
• 0,01% de rayonnement

Et une quantité négligeable d'autres composants: courbure, antimatière, cordes cosmiques et tout ce que vous pouvez imaginer. L'incertitude totale sur les quantités des composants listés ne dépasse pas 2%. Nous avons également appris le sort de l'Univers - qu'il s'étendra pour toujours - et son âge: 13,8 milliards d'années depuis le Big Bang. Il s'agit d'une réalisation remarquable de la cosmologie moderne.


Chronologie illustrée de l'histoire de l'univers. Si la quantité d'énergie sombre est suffisamment petite pour permettre aux premières étoiles de se former, l'apparition dans l'univers des ingrédients nécessaires à la vie est presque inévitable. Et notre existence confirme ce fait.

Mais tous ces calculs sont effectués sur la base de notre modèle de l'Univers, approximant la distribution uniforme des substances à travers l'Univers dans toutes les directions. Dans le vrai univers, comme vous l'avez peut-être remarqué, tout s'écroule. Il y a des planètes, des étoiles, des amas de gaz et de poussière, du plasma, des galaxies, des amas de galaxies et les grands fils cosmiques qui les relient. Il y a d'énormes vides cosmiques, s'étendant parfois à des milliards d'années-lumière. Un univers mathématiquement parfaitement uniforme est appelé homogène, et notre univers est étonnamment inhomogène. Il est possible que toutes nos idées, sur la base desquelles nous avons tiré les conclusions indiquées, soient incorrectes.


Les simulations (rouge) et les observations de galaxies (bleu / magenta) montrent les mêmes schémas d'amas à grande échelle. À petite échelle, l'univers n'est pas homogène.

Cependant, à la plus grande échelle, l'Univers est homogène. Si vous regardez les petites échelles, la taille d'une étoile, d'une galaxie ou d'un amas galactique, vous trouverez la présence de zones de densité beaucoup plus élevée ou plus faible par rapport à la valeur moyenne. Mais si vous étudiez l'échelle de la taille de 10 milliards d'années-lumière, l'Univers semble en moyenne à peu près le même à tous les endroits. Aux plus grandes échelles, l'Univers est à plus de 99% homogène.

Heureusement, nous pouvons évaluer numériquement à quel point nos hypothèses sont bonnes (ou mauvaises) en calculant le résultat de l'exposition à des perturbations inhomogènes sur une homogénéité à grande échelle. J'ai moi-même fait de tels calculs en 2005, et constaté que la contribution de l'inhomogénéité au taux d'expansion ne dépasse pas 0,1%, et qu'elle ne se comporte pas comme de la matière noire.


Contributions fractionnelles de l'énergie potentielle gravitationnelle W (ligne avec un long tiret) et de l'énergie cinétique K (ligne continue) à la densité d'énergie totale de l'Univers, construites en fonction de l'expansion passée et future de l'Univers, où il y a de la matière mais pas d'énergie sombre. Une courte ligne pointillée indique la somme des contributions de facteurs non homogènes. Les lignes pointillées montrent les résultats obtenus à partir de la théorie des perturbations linéaires.

Mais une autre possibilité est liée à ces calculs - certains types d'énergie peuvent changer d'une forme à une autre au fil du temps. En particulier, grâce à:

• brûler du combustible nucléaire à l'intérieur des étoiles,
• les effondrements gravitationnels de nuages ​​se transformant en objets denses,
• la fusion des étoiles à neutrons et des trous noirs,
• approche en spirale de nombreux systèmes gravitationnels,

la matière ou la masse peut se transformer en rayonnement ou en énergie. En d'autres termes, il est possible de modifier le comportement de la gravité dans l'Univers et d'influencer son expansion (ou compression) au fil du temps.


Bien que nous ayons observé à plusieurs reprises la fusion de trous noirs dans l'Univers, nous savons qu'il y en a encore plus. LISA nous permettra de prévoir, parfois dans quelques années, quand exactement la fusion des trous noirs supermassifs aura lieu.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, une partie assez importante de la masse peut se transformer en énergie: chair jusqu'à 5%. Lors de la première fusion de deux trous noirs découverts par LIGO, des BH dans 36 masses solaires et des BH dans 29 masses solaires ont fusionné et ont formé un BH avec une masse de 62 masses solaires. Qu'est-il arrivé à 3 masses solaires? Ils se sont transformés en énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, selon E = mc ² d'Einstein.

Par conséquent, la question se résume à ce qui suit: comment la transition de la masse au rayonnement affecte-t-elle l'expansion de l'univers? Dans un travail récent, Nick Gorkavy et Alexander Vasilkov affirment qu'il peut créer une force répulsive anti-gravité.


Simulation informatique de la fusion de deux trous noirs, générant des ondes gravitationnelles. Lorsque la masse se transforme en rayonnement, une force répulsive est-elle possible?

Malheureusement, cette déclaration est basée sur ce qui ne semble être que de l'anti-gravité. Lorsque nous avons une certaine masse, nous ressentons une certaine attirance gravitationnelle: cela est vrai à la fois dans la théorie d'Einstein et dans la théorie de Newton sur la gravité. Si vous transformez la masse en énergie et la rayonnez vers l'extérieur à la vitesse de la lumière, avec laquelle tout le rayonnement sans masse se déplace, alors lorsque ce rayonnement passe devant nous, nous constaterons que la force d'attraction vers la masse s'est soudainement affaiblie.

La courbure des changements d'espace-temps, et là où nous avons d'abord expérimenté une attraction gravitationnelle d'une certaine ampleur, nous commencerons à ressentir une attraction de 5% de moins. Mathématiquement, cela équivaut à l'apparition d'une force répulsive et anti-gravitationnelle sur le système. Mais en fait, vous ressentirez cette attraction réduite en raison de la conversion de la masse en énergie, et la gravité du rayonnement agit différemment (surtout lorsqu'il vous dépasse). Cela a été décrit assez clairement [en réponse aux travaux ci-dessus].


Tout objet ou forme, physique ou non physique, sera déformé lorsque des ondes gravitationnelles le traverseront. Chaque fois, lorsqu'une grande masse se déplace avec accélération à travers une section d'espace-temps incurvée, les ondes gravitationnelles deviennent une conséquence inévitable de ce mouvement. Cependant, nous pouvons calculer l'effet de ce rayonnement sur l'espace, et il ne conduit ni à la répulsion ni à l'expansion accélérée.

Nous pouvons aller encore plus loin et calculer comment cette transformation affecte l'univers entier! Nous pouvons évaluer numériquement la contribution des ondes gravitationnelles à la densité d'énergie de l'Univers, et quelle partie de l'énergie de l'Univers est le rayonnement de toutes sortes . Le rayonnement, comme la masse, est quantifié, donc avec une augmentation du volume de l'Univers (comme la distance dans un cube), la densité des particules diminue (inversement proportionnelle au cube de distance). Mais, contrairement à la masse, le rayonnement a une longueur d'onde, et avec l'expansion de l'espace, cette longueur augmente et la fréquence diminue inversement avec la distance. Le rayonnement devient moins important par gravité que la matière.

Nous devons également obtenir l'équation d'état correcte. La matière et le rayonnement changent au fil du temps, mais l'énergie sombre maintient une densité constante dans tout l'espace à mesure que l'univers se développe. En avançant dans le temps, nous constatons que le problème ne fait qu’empirer; l'énergie sombre domine de plus en plus, la matière et le rayonnement deviennent de moins en moins importants.

La matière et le rayonnement portent une force d'attraction et ralentissent l'Univers, mais aucun de ces phénomènes ne peut rester dominant en densité d'énergie pendant que l'Univers se dilate.


Zone ombrée bleue - incertitudes possibles dans la densité de l'énergie sombre dans le passé et le futur. Les données indiquent qu'il s'agit d'une véritable constante cosmologique, alors que nous n'abandonnons pas d'autres possibilités. Malheureusement, la conversion de la matière en énergie est incapable de jouer le rôle de l'énergie noire; ce qui se comportait auparavant comme de la matière se comporte maintenant comme un rayonnement.

Si nous voulons créer un univers à expansion accélérée, alors, à en juger par nos meilleures connaissances, nous aurons besoin d'une nouvelle forme d'énergie, différente de celle déjà connue. Nous avons appelé cette forme énergie sombre, bien que nous ne soyons pas sûrs à 100% de sa nature.

Cependant, malgré notre ignorance dans ce domaine, nous pouvons très clairement déterminer ce que l'énergie noire n'est pas. Ce ne sont pas des étoiles qui brûlent leur carburant; ce n'est pas de la matière qui émet des ondes gravitationnelles; ce ne sont pas des conséquences de l'effondrement gravitationnel; ce n'est pas le résultat de fusions ou de rapprochements en spirale. Il est possible qu'une nouvelle loi de la gravité remplace éventuellement les lois d'Einstein, mais dans le contexte de la relativité générale, il est impossible d'expliquer nos observations actuelles à l'aide d'une physique bien connue. Nous devons découvrir quelque chose de vraiment nouveau.