Astronomie

L'univers en expansion ajoute-t-il de l'énergie potentielle ?

L'univers en expansion ajoute-t-il de l'énergie potentielle ?

Un système avec deux corps massifs a une énergie potentielle proportionnelle à leur séparation. Puisque l'univers est en expansion, l'énergie potentielle (et totale ?) d'un tel système augmente-t-elle lentement ? Quelle est l'ampleur de cet effet s'il existe ?


L'univers capte de l'énergie cinétique en raison de l'expansion de l'espace :

Un photon gagnera de l'énergie (décalage bleu) lorsqu'il se dirigera vers un superamas en route vers la Terre. C'est un effet de la relativité générale. Et comme il quitte l'autre côté du superamas tout en continuant son voyage, il perdra de l'énergie (décalage vers le rouge) en s'extirpant du potentiel gravitationnel. Mais pendant qu'elle traverse le superamas, cette structure s'étend en raison de l'expansion globale du Big Bang et son potentiel gravitationnel s'affaiblit. Ainsi, le décalage vers le rouge ou la perte d'énergie est inférieur au gain d'énergie ou au décalage vers le bleu d'origine. Donc net-net, les photons gagnent de l'énergie en passant par un superamas.

L'énergie potentielle à cette échelle, pas tellement.


Oui, dans un univers en expansion, il y a une augmentation de l'énergie potentielle (avec les mêmes mises en garde).

Les équations (de Friedmann) d'un univers homogène et isotrope sans courbure spatiale ni constante cosmologique peuvent, en fait, être dérivées très facilement de la gravité newtonienne non relativiste. (Cette dérivation est montrée, par exemple, dans Mukhanov's Fondements physiques de la cosmologie.) Il est donc en fait valable de penser à un tel cosmos en termes newtoniens, en utilisant des masses ponctuelles distribuées de manière aléatoire mais approximativement homogène. Au début, les masses ponctuelles s'envolent à grande vitesse, mais la distance moyenne entre elles est faible. À des heures tardives, ils auront ralenti, mais la distance moyenne entre eux aura augmenté. Toute cette énergie cinétique est convertie en énergie potentielle gravitationnelle. Cela reste également vrai si l'on prend en compte la théorie des perturbations newtonienne (la croissance des régions surdenses et sous-denses à partir des perturbations initiales).

Quant aux mises en garde : Premièrement, comme je l'ai mentionné ci-dessus, lorsqu'une courbure spatiale est présente, la solution newtonienne n'est plus valide. Deuxièmement, il y a un siècle de littérature avec une variété de tentatives pour définir un tenseur d'énergie de contrainte significatif pour le champ gravitationnel en relativité générale, aucune complètement satisfaisante. Enfin et surtout, un terme cosmologique constante/énergie noire ajoute sa propre tournure intéressante à l'histoire, car sa densité d'énergie reste constante dans un univers en expansion, provoquant une accélération de l'expansion : dans ce cas, l'énergie cinétique et potentielle augmente. , grâce au rôle joué par la pression négative de l'énergie noire.


Pas dans la relativité générale.

Sauf dans des circonstances particulières, comme un espace-temps asymptotiquement plat, il n'y a pas d'énergie totale définissable en relativité générale. La famille d'espaces-temps Friedmann-Roberston-Walker qui décrivent un univers homogène et isotrope ne fait pas exception, bien qu'il y ait un argument distinct qui puisse être avancé pour le cas des univers spatialement compacts vers que leur énergie totale soit exactement nulle, peu importe comment ils se développent ou contrat.

Pour les distributions de matière, le potentiel gravitationnel peut être utile dans la limite de champ faible de la relativité générale lorsque la matière couvre une région finie de l'espace, mais en général, il n'est pas présent dans la relativité générale. Ou plutôt, la métrique elle-même peut être considérée comme jouant le rôle d'un « potentiel gravitationnel », mais la façon dont elle le fait est très différente de la théorie newtonienne.

Une cosmologie newtonienne ayant un comportement formellement analogue à la cosmologie FRW sans pression avec des termes cinétiques et potentiels peut être faite : $$E = frac{1}{2}sum_k m_kdot{r}_k^2 - Gsum_{j eq k}frac{m_jm_k}{|mathbf{r}_j-mathbf{r}_k|} - frac{1}{6}Lambdasum_k m_kr_k^2 ext{.}$$ Cependant , ceci est incompatible avec un univers infini, et n'est ni homogène ni isotrope (étant plutôt symétrique sphériquement avec un centre distingué), et viole donc le principe cosmologique. Ce problème pouvez être fixé en introduisant un potentiel pour le facteur d'échelle lui-même, mais dans ce cas, l'interpréter comme le potentiel gravitationnel des masses gravitationnelles individuelles est problématique.


Un système lié gravitationnellement ou autrement ne s'étend pas avec l'univers. L'effet de l'expansion est beaucoup trop faible pour affecter de tels systèmes. Notre système solaire avait la même taille qu'aujourd'hui il y a quelques milliards d'années. Les atomes n'ont pas non plus changé de taille.

Voir Wikipédia ou cet article


Demandez à Ethan : L'univers sera-t-il jamais à court d'énergie ?

Une petite section du champ GOODS-North vue en lumière ultraviolette par le Hubble Deep UV (HDUV) . [+] Enquête sur l'héritage. La mosaïque totale représente 14 fois la surface du ciel de l'original, 2014 Hubble Ultraviolet Ultra Deep Field. Les galaxies des temps anciens génèrent plus d'énergie que celles d'aujourd'hui. Mais l'Univers sera-t-il jamais vraiment à court d'énergie ?

NASA, ESA, P. Oesch (Université de Genève) et M. Montes (Université de Nouvelle-Galles du Sud)

Lorsque nous regardons l'Univers aujourd'hui, nous voyons des sources de lumière pratiquement partout où nous regardons. Dans toutes les directions, les étoiles brillent, les nuages ​​de gaz se contractent, les galaxies fusionnent et une myriade d'autres processus se produisent qui libèrent de l'énergie et émettent un certain type de rayonnement. Tant qu'un processus dans l'Univers peut libérer de l'énergie, des réactions intéressantes peuvent se produire. Mais à un moment donné, chaque processus dans l'Univers qui peut libérer un quantum d'énergie émettra son tout dernier, et si cela se produit, l'Univers sera vraiment à court d'énergie. Est-ce notre destin ultime ? C'est la question de Dennis O'Brien, qui veut savoir :

"L'univers est théorisé pour se terminer par un "gros gel" lorsque même les trous noirs s'évaporent. On pense que l'énergie noire s'étend (mais ne devient pas plus dense) à mesure que l'espace s'étend. En supposant que l'univers continue de s'étendre à ce stade du grand gel, l'énergie noire finira-t-elle par stabiliser la température de l'univers ou continuera-t-elle à diminuer de plus en plus près du zéro absolu ? »

C'est une piste de réflexion fascinante à explorer. Apprenons ce que l'Univers nous réserve.

La galaxie voisine du Triangle, la deuxième grande galaxie la plus proche de notre propre galaxie, la Voie lactée, est . [+] rempli d'amas d'étoiles brillants et de nuages ​​de gaz et de poussière. Cette photo fait partie des vues grand champ les plus détaillées de cet objet jamais prises et montre les nombreux nuages ​​de gaz rouge brillant dans les bras spiraux avec une clarté particulière. Ces nuages ​​correspondent à des régions actives de formation d'étoiles, mais la formation d'étoiles était beaucoup plus importante dans l'Univers il y a des milliards d'années dans l'ensemble.

Observatoire européen austral (ESO)

Il y a des milliards d'années, l'Univers était plus chaud, plus dense, plus uniforme et formait des étoiles à un rythme beaucoup plus rapide qu'aujourd'hui. Si nous voulons que des réactions se produisent spontanément, l'ingrédient principal dont nous avons besoin est une source d'énergie : un moyen de passer d'un état d'énergie supérieure à un état d'énergie inférieure, libérant de l'énergie. Cette énergie peut ensuite être absorbée par quelque chose dans l'environnement et utilisée pour créer ou synthétiser quelque chose qui est - faute d'un meilleur mot scientifique - "intéressant".

Lorsqu'un photon de la lumière du soleil avec la bonne longueur d'onde frappe une molécule de chlorophylle, cette énergie peut être absorbée, excitant la molécule et conduisant à la production de sucres. Lorsqu'un animal ingère une molécule de sucre, il peut la digérer métaboliquement pour fournir de l'énergie à son activité. Et la lumière du soleil n'est même pas nécessairement nécessaire, car les bouches hydrothermales au plus profond de l'océan peuvent également ajouter de l'énergie à l'environnement, qui peut à nouveau être absorbée et utilisée par tout ce qui se trouve dans leur environnement.

Selon les scientifiques, il n'y a qu'une seule autre planète dans notre galaxie qui pourrait ressembler à la Terre

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Les évents hydrothermaux le long des dorsales médio-océaniques émettent du carbone et du dioxyde de carbone sous forme de "noir". [+] fumeurs sous la mer. Ces évents peuvent fournir une source d'énergie qui alimente la vie, même en l'absence de soleil. Étant donné que la vie peut survivre ici, sûrement, avec les bonnes adaptations, elle peut probablement survivre aux éruptions solaires et, peut-être, dans des environnements tout aussi extrêmes sur d'autres mondes.

P. Rona OAR/Programme national de recherche sous-marine (NURP) NOAA

Mais au fil du temps, l'Univers raconte de moins en moins d'histoires comme celles-ci. Le taux de formation d'étoiles, aujourd'hui, n'est que de 3 à 5 % de ce qu'il était à son apogée il y a environ 11 milliards d'années, ce qui signifie qu'un plus petit nombre de nouvelles étoiles convertissent moins de matière en énergie via le cycle d'Einstein. E = mc² au fil du temps. Plus le temps passe depuis le Big Bang, plus l'Univers se dilate et se refroidit, déplaçant le rayonnement restant du Big Bang vers des longueurs d'onde plus longues, des densités plus faibles et des températures plus basses, il n'est déjà que de 2,725 K et continue de se refroidir.

Pendant ce temps, les étoiles elles-mêmes, bien qu'elles continuent de briller, sont fondamentalement limitées. Au plus profond du cœur de ces fours nucléaires, des éléments légers fusionnent en éléments plus lourds, libérant ainsi de l'énergie. Même une fois que la formation d'étoiles aura complètement cessé, les étoiles existantes continueront de brûler, émettant des radiations et convertissant la masse en énergie. Mais un jour, chacun d'entre eux manquera également de carburant.

Les nébuleuses planétaires prennent une grande variété de formes et d'orientations en fonction des propriétés du . [+] système stellaire dont ils proviennent et sont responsables de nombreux éléments lourds de l'Univers. Les étoiles supergéantes et les étoiles géantes entrant dans la phase de nébuleuse planétaire sont toutes deux montrées pour construire de nombreux éléments importants du tableau périodique via le processus s.

NASA, ESA et The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Les étoiles les plus massives, lorsqu'elles manqueront de carburant dans leur cœur, finiront leur vie dans une explosion de supernova. Leurs noyaux s'effondreront tandis que leurs couches externes seront éjectées dans le milieu interstellaire. Ce qui reste, ce sont des débris, dont certains seront recyclés dans les futures générations d'étoiles, et des restes stellaires - étoiles à neutrons ou trous noirs - provenant des noyaux eux-mêmes. Des étoiles comme celle-ci ne vivent que des millions d'années : un clin d'œil cosmique.

Les étoiles moins massives, comme notre Soleil, souffleront doucement leurs couches externes sur une période de temps beaucoup plus longue, tandis que leurs noyaux se contracteront lentement jusqu'à devenir une naine blanche. Ces étoiles vivent beaucoup plus longtemps : des milliards d'années, généralement. Les couches externes sont renvoyées dans le milieu interstellaire, et lorsque deux naines blanches entrent en collision, accumulent suffisamment de masse ou fusionnent, elles peuvent également produire un brillant cataclysme : une supernova de type Ia.

Et enfin, il y a les étoiles les moins massives de toutes, comme Proxima Centauri. Ils brûleront du carburant pendant des milliards d'années, très lentement, jusqu'à ce que l'étoile entière soit composée d'hélium. Lorsque cela se produit, l'étoile entière se contractera en une naine blanche : un vestige stellaire de la même masse que l'étoile qui l'a engendrée.

Une comparaison précise taille/couleur d'une naine blanche (L), la Terre reflétant la lumière de notre Soleil (au milieu), . [+] et une naine noire (R). Lorsque les naines blanches irradieront enfin la dernière de leur énergie, elles finiront toutes par devenir des naines noires. La pression de dégénérescence entre les électrons au sein de la naine blanche/noire, cependant, sera toujours suffisamment élevée, tant qu'elle n'accumule pas trop de masse, pour l'empêcher de s'effondrer davantage. C'est le sort de notre Soleil après environ 10^15 ans.

BBC / GCSE (L) / SunflowerCosmos (R)

La chose à propos d'imaginer le futur lointain, cependant, est la suivante : nous pouvons toujours imaginer attendre plus longtemps que n'importe quel processus que nous envisageons. Les étoiles à neutrons et les naines blanches peuvent être chaudes, petites et massives, mais elles finiront également par irradier toute leur énergie. Après des centaines de milliards d'années, ils disparaîtront et deviendront invisibles après des milliards d'années, ils approcheront enfin du zéro absolu.

De nouvelles étoiles se formeront occasionnellement lorsque les nuages ​​de gaz s'effondreront et que les naines brunes (étoiles ratées) fusionneront, tandis que les cataclysmes et les collisions stellaires illumineront sporadiquement l'Univers. La matière qui passe trop près d'un trou noir sera perturbée et/ou dévorée par les marées, dégageant des éclairs de rayonnement brillant.

Mais si nous attendons assez longtemps, ceux-ci cesseront aussi. Après environ un quintillion d'années, soit un facteur 10, les interactions gravitationnelles éjecteront la plupart des objets de notre galaxie dans l'espace interstellaire, ne laissant que des systèmes résiduels.

De nombreuses étoiles dans toutes les galaxies, telles que LL Orionis montré ici dans la Voie lactée, reçoivent . [+] les coups gravitationnels des autres objets qui les entourent et peuvent se déplacer dans le milieu interstellaire à des vitesses extrêmement rapides. S'ils atteignent des vitesses suffisamment élevées, ils peuvent être entièrement éjectés de la galaxie. Sur des échelles de temps suffisamment longues, cela se produira pour la plupart des objets massifs.

Équipe Hubble Heritage (AURA / STScI), C. R. O'Dell (Vanderbilt), NASA

Lorsque nous avons attendu assez longtemps, la lueur restante du Big Bang s'estompera pour devenir négligeable. Il n'y aura plus de rayonnement d'étoiles, de restes stellaires ou de gaz. Les atomes seront tous dans leurs états d'énergie les plus bas, et la plupart des systèmes solaires qui ont jamais existé auront été expulsés de la galaxie. Il n'y aura que trois principales sources d'énergie qui persisteront au-delà de ce point.

1.) Rayonnement gravitationnel: lorsque les masses tournent les unes autour des autres et se déplacent autrement dans l'espace courbé par la présence d'autres masses, elles émettent un rayonnement gravitationnel. L'énergie émise vient de quelque part, cependant, car les orbites elles-mêmes se désintègrent. Sur des échelles de temps de

10 26 ans, une planète comme la Terre deviendra le vestige d'une étoile comme notre Soleil.

2.) Rayonnement du trou noir: les trous noirs se développeront à mesure qu'ils absorberont plus de matière, mais ils finiront également par se désintégrer en émettant un rayonnement de Hawking. Sur des échelles de temps de

10 67 ans (pour un trou noir de masse solaire) à

10 100 ans (pour les plus grands trous noirs supermassifs), ils finiront tous par se désintégrer.

À mesure qu'un trou noir diminue en masse et en rayon, le rayonnement de Hawking qui en émane devient plus important. [+] et plus en température et en puissance. Une fois que le taux de décroissance dépasse le taux de croissance, le rayonnement de Hawking n'augmente que la température et la puissance.

3.) L'énergie noire: c'est le plus délicat de tous. L'énergie noire, telle que nous la connaissons, est une forme d'énergie supplémentaire dans l'Univers en dehors de la matière, de l'antimatière et du rayonnement. Il se comporte différemment et est le composant requis pour expliquer l'expansion accélérée de l'Univers. Au fur et à mesure que le temps passe et que l'Univers s'étend - si l'énergie noire se comporte de la manière la plus simple qui soit conforme aux observations - la densité d'énergie de l'énergie noire restera constante.

Si c'est ainsi que fonctionne l'énergie noire, et qu'elle est indiscernable d'une constante cosmologique, cela nous apprend que l'Univers ne manquera jamais d'énergie, car il y aura toujours une quantité finie d'énergie inhérente au tissu de l'espace lui-même. Mais, en contrepoint important, ce n'est pas une énergie utile et extractible. Parce que la densité d'énergie noire est la même partout, il n'y a aucun moyen de tirer parti de sa présence pour effectuer une quelconque forme de travail. L'énergie noire est peut-être toujours là, mais elle ne sera pas utile comme le sont les autres formes d'énergie.

Alors que la matière (à la fois normale et sombre) et le rayonnement deviennent moins denses à mesure que l'Univers s'étend en raison de . [+] son ​​volume croissant, l'énergie noire, ainsi que l'énergie du champ lors de l'inflation, est une forme d'énergie inhérente à l'espace lui-même. Alors qu'un nouvel espace est créé dans l'Univers en expansion, la densité d'énergie noire reste constante.

E. SIEGEL / AU-DELÀ DE LA GALAXIE

Si vous souhaitez libérer de l'énergie, dont vous aurez besoin pour effectuer tout type de travail dans l'Univers, vous devez passer d'un état d'énergie supérieure à un état d'énergie inférieure. Sur Terre, cela peut être aussi simple que de mettre une masse au sommet d'une colline et de lâcher prise. Au fur et à mesure que la balle descend la colline, elle passe d'un état d'énergie potentielle gravitationnelle plus élevée à un état d'énergie potentielle gravitationnelle plus faible, à mesure qu'elle se rapproche du centre de la Terre. Cette énergie est convertie en énergie cinétique - l'énergie de mouvement de la balle - et peut être utilisée pour pratiquement n'importe quel objectif applicable que vous aimez.

Mais et si, au lieu d'avoir des collines, des vallées et une topographie autrement intéressante, notre planète était parfaitement uniforme ? Il n'y aurait aucune transition possible, chaque point de la surface serait au même niveau d'énergie que tous les autres points, et aucun moyen de passer d'un état d'énergie supérieure à un état d'énergie inférieur.

Maintenant, voici le kicker : peu importe ce qu'est cet état d'énergie. Que le monde soit entièrement au niveau de la mer ou au sommet d'un grand plateau surélevé n'aurait pas d'importance. L'énergie «absolue» n'est pas pertinente à ces fins, nous ne nous intéressons qu'aux différences énergétiques qui peuvent être exploitées.

Un champ scalaire dans un faux vide. Notez que l'énergie E est supérieure à celle dans le vide vrai ou . [+] état fondamental, mais il existe une barrière empêchant le champ de descendre classiquement vers le vrai vide. Si la valeur de E est autre que zéro dans notre Univers, une certaine forme d'énergie noire existera. L'énergie du point zéro de nombreux systèmes quantiques est connue pour être supérieure à zéro.

Utilisateur de Wikimedia Commons Stannered

C'est la partie délicate de l'énergie noire. S'il n'y avait pas du tout d'énergie noire, cela équivaudrait à avoir un état de point zéro (énergie la plus basse) pour l'Univers qui était exactement zéro. Le fait que nous ayons de l'énergie noire est fascinant dans le sens où l'énergie du point zéro, ou l'état d'énergie la plus basse de l'Univers, semble être finie et non nulle. Pour voir les choses différemment, l'Univers a une constante cosmologique, et elle est positive et finie, et personne ne sait pourquoi.

Mais l'énergie noire n'ajoute rien à l'Univers en termes de température. Oui, c'est une forme d'énergie, mais la température concerne l'énergie que les particules - ou les quanta d'un certain type - possèdent dans un système. Au fur et à mesure que l'énergie noire continue d'étendre l'Univers, les quanta qui existent vont tous se désintégrer, se séparer ou se déplacer vers le rouge jusqu'à ce qu'ils atteignent des longueurs d'onde arbitrairement grandes. Après suffisamment de temps, la température de tout, des ondes gravitationnelles aux photons en passant par tout ce que nous pouvons sonder, sera vraiment asymptotique à zéro.

Les différentes façons dont l'énergie noire pourrait évoluer dans le futur. Restant constant ou augmentant en . [+] la force (dans un Big Rip) pourrait potentiellement rajeunir l'Univers, tandis que le signe inverse pourrait conduire à un Big Crunch.Dans l'un ou l'autre de ces deux scénarios, le temps peut être cyclique, tandis que si aucun des deux ne se réalise, le temps pourrait être de durée finie ou infinie jusqu'au passé.

Il y a cependant une lueur d'espoir que peut-être un grand sort de gel - où l'Univers atteint un état où aucune énergie supplémentaire ne peut être extraite - pourrait être évité. Peut-être que l'énergie qui est liée au tissu de l'espace en raison de l'énergie noire elle-même n'est pas réellement l'état le plus énergétique de tous. Peut-être existe-t-il un état d'énergie inférieure vers lequel l'énergie noire peut passer, libérant fondamentalement de l'énergie partout où cette transition se produit.

Cela, ainsi que tout scénario dans lequel l'énergie noire évolue avec le temps (c'est-à-dire n'est pas une constante), pourrait considérablement changer le destin de l'Univers. Si cette énergie pouvait être extraite d'une manière ou d'une autre, nous pourrions soit :

  • réchauffer à nouveau les particules existantes,
  • voir l'expansion s'inverser et l'Univers s'effondrer,
  • générer de nouvelles particules en les arrachant du vide quantique,
  • ou même « rajeunir » l'Univers en créant une nouvelle version d'un Big Bang chaud avec cette transition.

Au cours de la prochaine décennie, des observatoires tels qu'Euclide, Vera Rubin et Nancy Roman mesureront si l'énergie noire est une constante ou non à l'intérieur

1% de précision. L'Univers est probablement destiné à un gros gel, mais tant que nous n'aurons pas fait les mesures critiques, nous ne pouvons pas le savoir avec certitude.


Quintessence, l'accélération de l'Univers ?

En cas de doute, revenez à l'essentiel. C'est exactement ce que les cosmologistes ont fait pour expliquer pourquoi notre univers semble s'accélérer.

Le nouveau mot à la mode en cosmologie ces jours-ci est " quintessence ", emprunté aux anciens Grecs qui utilisaient le terme pour décrire un mystérieux " cinquième élément " - en plus de l'air, de la terre, du feu et de l'eau - qui maintenait la lune et les étoiles en place. . La quintessence, disent certains cosmologues, est un type exotique de champ d'énergie qui éloigne les particules les unes des autres, maîtrisant la gravité et les autres forces fondamentales.

Si la quintessence est réelle, elle ne serait certainement pas rare. Les deux tiers de l'univers seraient constitués de cette substance. Au Texas Symposium on Relativistic Astrophysics à Austin en 2000, Paul Steinhardt de l'Université de Princeton a expliqué comment la quintessence est devenue la force dominante dans l'univers il y a quelques milliards d'années, relativement récemment, dit-il. Steinhardt n'a pas vraiment réchauffé la foule avec sa nouvelle théorie.

La cosmologie était une occupation tranquille. Aussi récemment que la fin des années 90, la plupart des gens étaient d'accord pour dire que, oui, l'univers est en expansion. La question était simplement de savoir si l'expansion s'arrêterait lentement et ramènerait l'univers sur lui-même, ou si l'univers continuerait à flotter mais à un rythme de plus en plus lent. S'il y avait suffisamment de matière dans l'univers, alors la gravité arrêterait l'expansion et aspirerait tout ce que nous savons dans le « grand craquement ». Tout ce que les cosmologistes avaient à faire était d'additionner la masse de l'univers.

Mais en 1998, les cosmologistes ont été secoués par la découverte que l'univers s'étend à une vitesse étonnante. Des observations nouvelles et améliorées de supernovae distantes rendaient la question du « gros resserrement » nulle et non avenue.

Les supernovae sont des explosions d'étoiles, et il en existe plusieurs variétés. L'une, appelée supernova de type Ia, explose avec une énergie caractéristique. Avec une bonne idée de la luminosité absolue et apparente de l'explosion, les astronomes peuvent déterminer la distance de ces objets. Puis, connaissant le décalage vers le rouge, ils peuvent calculer à quelle vitesse les supernovae s'éloignent de nous. Il s'avère que les supernovae de type 1a les plus éloignées s'éloignent beaucoup plus rapidement que les plus proches, ce qui suggère que l'expansion de l'univers s'accélère en fait, et non pas en décélération.

Il y a quelques non-croyants, pour de bonnes raisons. Certains disent que ces supernovae les plus éloignées peuvent sembler loin (c'est-à-dire sombres) car la poussière qui s'y trouve disperse leur lumière. De plus, on ne peut pas être certain que les supernovae les plus éloignées explosent de la même manière que les plus proches.

La plupart des cosmologistes, cependant, ont sauté dans le train de l'univers qui s'accélère. Leur travail consiste maintenant à expliquer comment cela peut être physiquement possible. La force de gravité, le grand attracteur, ne devrait-elle pas empêcher l'univers de s'envoler ?

Einstein a pensé à cela, mais pour la mauvaise raison. Il a développé un facteur de fudge appelé la constante cosmologique. Einstein, et tous les autres au début du 20e siècle, pensaient que l'univers était statique et que tout était contenu dans la galaxie de la Voie lactée. La constante cosmologique était une force de « vide » anti-gravité qui empêchait la gravité d'attirer l'univers sur lui-même. En 1930, Edwin Hubble découvrit que la Voie lactée n'était qu'une galaxie parmi une multitude et que l'univers était en expansion. Ainsi, il n'y avait plus besoin d'une constante cosmologique. Einstein a supprimé le nombre de ses équations, le qualifiant de "plus grande bévue".

Le problème avec la constante cosmologique, dit Steinhardt, est qu'elle est en effet constante. Il produit la même force dans le temps. Les preuves d'observation indiquent que quelle que soit cette force qui accélère l'univers, elle n'a pas été constante au fil du temps. Il devait y avoir des périodes où la force était négligeable, sinon les étoiles, les planètes et les tamias ne se seraient jamais formés.

"La constante cosmologique est une forme d'énergie très spécifique, une énergie du vide", a déclaré Steinhardt. "La quintessence englobe une large classe de possibilités. C'est une forme d'énergie dynamique, évoluant dans le temps et spatialement dépendante avec une pression négative suffisante pour entraîner l'accélération de l'expansion."

L'énergie du vide est l'énergie potentielle dans un vide absolu, dépourvu de matière ou de rayonnement. Pensez à une cheminée qui aspire l'air du salon, c'est la matière de l'univers qui s'étend dans le grand inconnu. La quintessence est un champ quantique à la fois énergétique cinétique et potentielle. Selon le rapport des deux énergies et la pression qu'elles exercent, la quintessence peut attirer ou repousser.

La quintessence est devenue une force avec laquelle il faut compter il y a environ 10 milliards d'années, selon la théorie. Cela peut sembler assez précoce dans un univers vieux de 15 milliards d'années, mais les cosmologistes ne le voient pas de cette façon. L'énergie noire a été créée lorsque l'univers était âgé de 10 à 35 secondes, elle n'a pas provoqué l'accélération de l'univers avant cinq milliards d'années. C'est un facteur de plus de 10 50 -- et relativement récemment en termes de décalage vers le rouge et de taille de l'univers.

Steinhardt suggère que la quintessence s'est activée lors de la transition d'un univers de rayonnement à un univers dominé par la matière, lorsqu'il faisait suffisamment froid pour que les atomes et éventuellement les étoiles se forment.

Mais de quoi est faite la quintessence ? Personne n'est certain. Le rayonnement, la matière ordinaire et probablement la matière noire ont tous une pression positive. Ils exercent donc une force d'attraction gravitationnelle. Tout ce qui a une pression négative, dicte la théorie générale de la relativité, aurait une force de répulsion gravitationnelle.

Pour la quintessence, le champ quantique aurait une très longue longueur d'onde, de la taille de l'univers. Son énergie cinétique dépend du taux d'oscillations de l'intensité du champ, son énergie potentielle dépend de l'interaction du champ avec la matière. Plus l'énergie cinétique est élevée, plus la pression est positive - ce qui n'est pas si probable pour une longueur d'onde de l'univers. Donc pour l'instant, l'énergie potentielle et la pression négative dominent. Par conséquent, la quintessence est une force répulsive.

Cela peut changer, dit Steinhardt. Quintessence interagit avec la matière et évolue dans le temps. La quintessence peut également se désintégrer en de nouvelles formes de matière chaude ou de rayonnement. Nous ne sommes donc pas forcément voués à un univers qui s'étend à jamais, étirant chaque atome d'ici à l'infini.

Cela semble bien, mais tout le monde n'est pas vendu.

"La théorie de l'accélération de l'univers est un travail en cours", déclare James Peebles, professeur émérite à l'Université de Princeton. "J'admire l'architecture, mais je ne voudrais pas emménager tout de suite."

En effet, au Texas Symposium, les arguments polis sur la quintessence se sont étendus jusqu'à la conférence suivante. Certains ont suggéré que la nature de l'énergie noire deviendrait claire avec une meilleure compréhension de la gravité et des ondes gravitationnelles. Steinhardt était certes perdu avec certaines des questions. Les astronomes et les cosmologues sont intrigués par la quintessence, ils ont simplement besoin de plus de détails.

Nous ne pourrons pas tenir la quintessence dans nos mains ni créer des sondes pour la détecter directement. Au mieux, nous avons besoin d'instruments capables de déterminer cet effet de quintessence sur l'univers au fil du temps. Deux missions scientifiques spatiales sont prometteuses, a déclaré Steinhardt.

Le projet d'accélération de la supernova (SNAP) rechercherait systématiquement un grand nombre de supernovae éloignées, hors de portée de la plupart des télescopes terrestres. Saul Perlmutter du Lawrence Berkeley National Laboratory, qui a également pris la parole lors de la réunion du Texas, dirige l'effort et a décrit un satellite pas si compliqué avec un télescope de deux mètres dédié à la recherche de supernovae à décalage vers le rouge élevé. SNAP trouverait environ 2 000 supernovae par an, suffisamment pour fermer considérablement les barres d'erreur sur les calculs du taux d'expansion de l'univers. La mission n'est pas encore financée. S'il est sélectionné, il sera lancé d'ici 2020.

L'autre mission est la sonde d'anisotropie micro-onde Wilkinson (WMAP), qui a été lancée en 2001. Le flux de données de WMAP est terminé et l'analyse est en cours. Cependant, WMAP a fait de nombreuses découvertes importantes, notamment en fixant des contraintes sur l'énergie noire et la géométrie de l'univers.

Steinhardt a certainement un bon bilan. Il a été l'un des initiateurs de la théorie de l'inflation et a prédit une accélération de l'univers en 1995. Si la quintessence s'avère être quelque chose dans laquelle les scientifiques peuvent mordre à pleines dents, ce serait une nouvelle confirmation des théories d'Einstein, ainsi qu'un bon signe de tête. aux anciens Grecs qui nous ont envoyé sur cette voie.


IceCube-Gen2 ouvrira une nouvelle fenêtre sur l'univers

Le 18 décembre 2010, le dernier DOM (module optique numérique) d'IceCube a été abaissé dans un trou dans la glace au pôle Sud. Après sept ans de construction et de nombreuses années de collaboration internationale autour de la conception et de la planification, l'observatoire IceCube Neutrino était terminé. Le détecteur avait maintenant 5 160 DOM sur 86 câbles (“strings”) gelés dans un kilomètre cube de la glace du glacier antarctique, attendant les signaux de minuscules particules fantomatiques de l'espace appelées neutrinos.

Depuis lors, IceCube a fait exactement ce pour quoi il a été conçu : utiliser des neutrinos astrophysiques pour scruter l'univers autrement indiscernable, où la lumière et d'autres particules sont obstruées. Au cours de la dernière décennie, la collaboration IceCube a publié plus de 150 articles sur l'astrophysique, la physique des neutrinos, la matière noire, la glaciologie, la physique des rayons cosmiques, l'instrumentation et bien plus encore. Plus particulièrement, IceCube a détecté les premiers neutrinos astrophysiques de haute énergie en 2013 et a mené les efforts dans la toute première identification d'une source de neutrinos extragalactiques et de rayons cosmiques de haute énergie en 2018, une découverte qui a prouvé le potentiel des neutrinos dans l'astronomie multimessager. .

Mais pour faire de nouvelles découvertes en physique et continuer à sonder les mystères de l'univers, des détecteurs plus gros et plus sensibles sont nécessaires. Entrez IceCube-Gen2.

Dans un livre blanc récemment soumis au Journal de physique G, la collaboration internationale IceCube-Gen2 souligne le besoin et la conception d'une extension de nouvelle génération d'IceCube. En ajoutant de nouveaux instruments optiques et radio au détecteur existant, IceCube-Gen2 augmentera le taux annuel d'observations de neutrinos cosmiques d'un ordre de grandeur, et sa sensibilité aux sources ponctuelles augmentera jusqu'à cinq fois celle d'IceCube.

« L'IceCube-Gen2 s'appuiera sur deux découvertes d'IceCube », déclare Albrecht Karle, coordinateur IceCube-Gen2 basé à l'Université du Wisconsin-Madison. L'un est la présence d'un grand flux de neutrinos cosmiques à haute énergie, l'autre est la clarté exceptionnelle de la glace. En optimisant la conception, nous pouvons augmenter le détecteur d'un ordre de grandeur avec une instrumentation très similaire.”

Prévu pour être achevé en 2033 avec des coûts de construction d'environ 350 millions de dollars, IceCube-Gen2 est conçu pour répondre à certaines des plus grandes questions de l'astronomie multimessager et de la physique des neutrinos.

Dessin schématique de l'installation IceCube-Gen2, y compris le réseau optique (région ombrée en bleu) qui contient IceCube (région ombrée en rouge) et un cœur plus densément instrumenté qui aura des capteurs supplémentaires ajoutés dans les prochaines années dans le cadre du projet de mise à niveau IceCube en cours (zone ombrée en vert). Crédit : Collaboration IceCube

« La publication d'un livre blanc est une étape importante pour tout futur projet de recherche », déclare Markus Ackermann, responsable du groupe IceCube chez DESY à Zeuthen, en Allemagne. “Avec ce document, nous souhaitons partager notre enthousiasme quant au potentiel scientifique d'IceCube-Gen2 avec l'ensemble de la communauté scientifique et tracer une voie vers la réalisation de ce projet passionnant.”

La conception d'IceCube-Gen2’s est une entreprise majeure qui nécessitera des années de construction. La première étape est déjà en cours avec la mise à niveau IceCube sponsorisée par la NSF, qui ajoutera sept chaînes avec des modules optiques nouveaux et améliorés à DeepCore, le centre de la matrice IceCube. La phase suivante consistera à ajouter le reste des 120 nouvelles cordes, qui seront espacées d'environ 240 mètres selon un motif en forme de tournesol autour de l'IceCube conçu pour englober un grand volume tout en évitant les « couloirs » à travers lesquels des signaux trompeurs peut passer. Les nouveaux modules optiques, qui devraient être capables de collecter près de trois fois plus de photons que les DOM IceCube actuels, seront espacés de 16 mètres sur la chaîne, entre 1,3 et 2,6 kilomètres sous la surface, ce qui donnera un volume total de détecteur de près de huit kilomètres cubes.

Près de la surface, IceCube-Gen2 disposera d'un nouveau composant radio composé de "stations" de détection couvrant une superficie d'environ 500 kilomètres carrés. Chaque station se compose de trois chaînes portant des antennes radio qui seront déployées près de la surface de la glace. Ce réseau détectera les émissions radio générées dans la glace par les gerbes de particules, permettant aux scientifiques de reconstituer l'énergie de la gerbe et la direction d'arrivée du neutrino.

Vue de dessus de l'observatoire de neutrinos IceCube-Gen2 envisagé au pôle Sud. De gauche à droite : Le réseau radio composé de 200 stations. Chaînes IceCube-Gen2 dans le réseau optique à haute énergie, avec 120 nouvelles chaînes (indiquées par des points orange) espacées de 240 m et instrumentées avec des modules optiques sur une longueur verticale de 1,25 km. Le volume total instrumenté dans cette conception est 7,9 fois plus grand que le réseau de détecteurs IceCube actuel (points bleus). À l'extrême droite, la disposition des sept chaînes de mise à niveau IceCube par rapport aux chaînes IceCube existantes est affichée. Crédit : Collaboration IceCube

IceCube-Gen2 est conçu pour résoudre certains des mystères qui persistent dans l'astronomie neutrino et multimessager. Plus précisément, l'extension nous permettra de résoudre le ciel des neutrinos de haute énergie à des énergies plus élevées que jamais (énergies jusqu'à EeV, ou 10^18 eV), d'étudier l'accélération des particules cosmiques grâce à des observations multimessagers, de révéler les sources et la propagation des plus hautes particules d'énergie dans l'univers et sonder la physique fondamentale avec des neutrinos de haute énergie. Ces avancées façonneront la prochaine ère de l'astronomie multimessager et révolutionneront notre compréhension de l'univers des hautes énergies.

"Au cours des 30 dernières années, nous avons assisté à l'évolution passionnante des observations de neutrinos, des premières détections de neutrinos à l'aide d'instruments précoces déployés au plus profond des calottes glaciaires à la découverte tant attendue de neutrinos astrophysiques de haute énergie avec IceCube", déclare Darren Subvention de la Michigan State University, porte-parole de l'actuelle collaboration IceCube. “IceCube-Gen2 représente l'opportunité opportune de s'appuyer sur l'expertise existante et les avancées technologiques pour passer de l'ère de la découverte à l'astronomie de précision des neutrinos.”

La collaboration sait déjà qu'IceCube-Gen2 est logistiquement possible. La construction d'IceCube a démontré la capacité de construire et de déployer des instruments dans les délais et le budget impartis dans un glacier antarctique au pôle Sud, l'un des environnements les plus inhospitaliers de la planète. Même s'il y aura des défis logistiques dans un projet d'une telle envergure, la collaboration est prête à les relever, en tenant toujours compte du fait que le pôle Sud accueille une multitude de projets scientifiques avec leurs propres besoins logistiques.

D'un point de vue global, IceCube-Gen2 transformera le paysage astrophysique multimessager une fois construit, le détecteur étendu rejoindra un réseau d'autres observatoires à grande échelle qui surveillent le ciel en rayons gamma, ondes gravitationnelles et rayons cosmiques.

"Les neutrinos ne sont qu'un ajout récent à la palette d'outils qui nous aident à explorer le cosmos", explique Olga Botner, responsable du groupe IceCube à l'Université d'Uppsala en Suède. “Alors qu'IceCube a ouvert une nouvelle fenêtre sur l'univers lointain et violent, avec IceCube-Gen2, nous allons regarder plus loin, avec plus de précision et sur une gamme d'énergie plus large. IceCube-Gen2 jouera un rôle essentiel à l'ère de l'astronomie multimessager, ouvrant la voie à de nouvelles découvertes révolutionnaires.”


Demandez-moi n'importe quoi AMA avec l'astrophysicien Dr Joe Pesce !

Je suis heureux d'être à nouveau ici sur cette AMA! Vos questions et votre enthousiasme sont formidables, et j'ai hâte de passer du temps avec vous cette semaine.

Pour récapituler mon parcours : je suis un astrophysicien qui s'intéresse principalement aux environnements des galaxies hébergeant des trous noirs supermassifs (également connus sous le nom de noyaux galactiques actifs). J'ai travaillé avec des amas de galaxies et les atmosphères d'étoiles géantes et supergéantes. Actuellement, je suis directeur de programme à la National Science Foundation (NSF), Division des sciences astronomiques, responsable de l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO), professeur à temps partiel à l'Université George Mason de Fairfax, Virginie et professeur invité au Université du Colorado, Boulder, Colorado. Et je suis membre de la Royal Astronomical Society. Oh - et j'AIME tout ce qui concerne Star Trek !!

Ma base de connaissances est large, mais je connais mieux les domaines que j'ai mentionnés ci-dessus et je devrai donc peut-être faire des recherches pour trouver la réponse à des domaines en dehors de mon expérience quotidienne. S'il vous plaît soyez patient avec moi - l'univers est énorme !

De plus, il peut y avoir beaucoup de questions auxquelles je ne peux pas répondre parce que je ne sais pas - et peut-être que la réponse n'est pas encore connue (c'est une partie amusante sur l'astronomie - beaucoup d'inconnues encore). Veuillez garder cela à l'esprit. Je vais essayer de répondre au plus de questions possible.

L'astronomie continue de surprendre et d'inspirer. Merci de m'avoir permis de le partager avec vous tous !


Le Kalam Argument cosmologique

Cet article est le texte du Dr.Craig&# 39s 2015 conférence à l'Université de Birmingham, où il a fait ses études de doctorat qui ont conduit à la renaissance de la kalam argument cosmologique de nos jours.

Enfant, je me demandais l'existence de l'univers. Je me demandais d'où ça venait. A-t-il eu un début ? Je me souviens d'être couché dans mon lit la nuit en essayant de penser à un univers sans commencement. Chaque événement serait précédé d'un autre événement, retour et retour dans le passé, sans point d'arrêt&mdashor, plus précisément, sans point de départ ! Un passé infini, sans commencement ! Mon esprit chancelait à la perspective. Cela me parait juste inconcevable. Il a dû y avoir un début à un moment donné, pensai-je, pour que tout commence.

Je ne me doutais pas que pendant des siècles&mdashmillennia, vraiment&mdashmen s'étaient débattus avec l'idée d'un passé infini et la question de savoir s'il y avait eu un commencement de l'univers. Les philosophes grecs anciens croyaient que la matière était nécessaire et incréée et donc éternelle. Dieu peut être responsable de l'introduction de l'ordre dans le cosmos, mais Il n'a pas créé l'univers lui-même.

Ce point de vue grec était en contraste avec la pensée juive encore plus ancienne sur le sujet. Les auteurs hébreux ont soutenu que l'univers n'a pas toujours existé mais a été créé par Dieu à un moment donné dans le passé. Comme le dit le premier verset des écritures saintes hébraïques : &ldquoAu commencement, Dieu créa les cieux et la terre» (Genèse 1:1).

Finalement, ces deux traditions concurrentes ont commencé à interagir. Il y a eu au sein de la philosophie occidentale un débat en cours qui a duré plus de mille ans pour savoir si l'univers avait ou non un commencement. Ce débat s'est déroulé aussi bien chez les juifs et les musulmans que chez les chrétiens, catholiques et protestants. Il a finalement eu une fin quelque peu peu concluante dans la pensée du grand philosophe allemand du XVIIIe siècle, Immanuel Kant. Il a soutenu, ironiquement, qu'il existe des arguments rationnellement convaincants pour tous les deux côtés, exposant ainsi la banqueroute de la raison elle-même !

Je n'ai pris connaissance de ce débat pour la première fois que après diplômé de l'université. Voulant me réconcilier avec cette question, j'ai décidé à la fin de mon travail de maîtrise en philosophie de trouver quelqu'un qui serait prêt à diriger une thèse de doctorat sur cette question. La personne qui s'est démarquée de toutes les autres était le professeur John Hick de l'Université de Birmingham. Nous sommes venus à Birmingham, et j'ai écrit sur l'argument cosmologique sous la direction du professeur Hick&rsquos, et finalement trois livres ont découlé de cette thèse de doctorat. J'ai pu explorer les racines historiques de l'argument, ainsi qu'approfondir et faire avancer l'analyse de l'argument. J'ai également découvert des liens assez étonnants avec l'astronomie et la cosmologie contemporaines.

En raison de ses racines historiques dans la théologie islamique médiévale, j'ai baptisé l'argument &ldquothe kalam argument cosmologique&rdquo (&ldquokalam&rdquo est le mot arabe pour la théologie médiévale). Aujourd'hui, cet argument largement oublié depuis l'époque de Kant revient sur le devant de la scène. le Compagnon de Cambridge à l'athéisme (2007), &ldquoUn nombre d'articles dans les revues de philosophie montre que davantage d'articles ont été publiés sur . . . l'argument de Kalam que n'ont été publiés à propos de tout autre. . . formulation contemporaine d'un argument en faveur de l'existence de Dieu. . . . les théistes et les athées « ne peuvent pas laisser [l'] argument de Kalam seul » (p. 183).

Quel est l'argument qui a suscité un tel intérêt ? Laissons parler l'un des plus grands protagonistes médiévaux de ce débat. Al-Ghazali était un théologien musulman du XIIe siècle originaire de Perse, ou Iran d'aujourd'hui. Il craignait que les philosophes musulmans de son époque ne soient influencés par la philosophie grecque antique pour nier la création de l'univers par Dieu. Après avoir étudié en profondeur les enseignements de ces philosophes, Ghazali a écrit une critique cinglante de leurs points de vue intitulée L'incohérence des philosophes. Dans ce livre fascinant, il soutient que l'idée d'un univers sans commencement est absurde. L'univers doit avoir un commencement, et puisque rien ne commence à exister sans cause, il doit y avoir un Créateur transcendant de l'univers.

Ghazali formule son argumentation très simplement : « Tout être qui commence a une cause pour son commencement maintenant le monde est un être qui commence donc, il possède une cause pour son commencement. » [1]

Le raisonnement de Ghazali comporte trois étapes simples :

1. Tout ce qui commence à exister a une cause de son commencement.

2. L'univers a commencé à exister.

3. Par conséquent, l'univers a une cause de son commencement.

Examinons chaque étape de cet argument.

Notez que Ghazali n'a pas besoin d'une prémisse aussi forte que (1) pour que son argument réussisse. La première prémisse peut être énoncée plus modestement.

1&39. Si l'univers a commencé à exister, alors l'univers a une cause de son commencement.

Cette version plus modeste de la première prémisse nous permettra d'éviter les distractions quant à savoir si des particules subatomiques qui sont le résultat de processus de désintégration quantique apparaissent sans cause. Cette prétendue exception à (1) n'est pas pertinente pour (1 & 39). Car l'univers comprend toute la réalité de l'espace-temps contigu. Par conséquent, pour l'univers entier, naître sans cause, c'est naître de rien, ce qui est absurde. Dans les événements de désintégration quantique, les particules ne naissent pas de rien. Comme Christopher Isham, premier cosmologiste quantique britannique, le met en garde,

Il faut être prudent lorsqu'on utilise le mot &lsquocréation&rsquo dans un contexte physique. Un exemple familier est la création de particules élémentaires dans un accélérateur. Cependant, ce qui se produit dans cette situation est la conversion d'un type de matière en un autre, la quantité totale d'énergie étant préservée dans le processus. [2]

Ainsi, cette prétendue exception à (1) n'est pas une exception à (1 & 39).

Permettez-moi de donner trois raisons à l'appui de la prémisse (1 & 39) :

1. Quelque chose ne peut pas venir de rien. Prétendre que quelque chose peut naître à partir de rien est pire que la magie. Quand un magicien sort un lapin d'un chapeau, au moins vous avez le magicien, sans parler du chapeau ! Mais si vous niez la prémisse (1 & 39), vous devez penser que l'univers entier vient d'apparaître à un moment donné dans le passé sans aucune raison. Mais personne Cordialement croit que des choses, disons, un cheval ou un village esquimau, peuvent juste surgir sans cause.

2. Si quelque chose peut naître à partir de rien, alors il devient inexplicable pourquoi n'importe quoi ou tout ne vient pas de rien. Pensez-y : pourquoi ne pas faire de vélos et de Beethoven et de root beer surgissent de rien ? Pourquoi n'y a-t-il que des univers qui peuvent naître à partir de rien ? Qu'est-ce qui rend le néant si discriminatoire ? Il ne peut y avoir rien dans le néant qui favorise les univers, car le néant n'a aucune propriété. Rien non plus ne peut contraindre le néant, car il n'y a rien à contraindre !

3. L'expérience commune et les preuves scientifiques confirment la vérité de la prémisse 1'. La science de la cosmogénie est basée sur l'hypothèse qu'il existe des conditions causales pour l'origine de l'univers. Il est donc difficile de comprendre comment quiconque s'est engagé dans la science moderne pourrait nier que (1') est plus vraisemblablement vrai que faux.

Je pense donc que la première prémisse de la kalam l'argument cosmologique est sûrement vrai.

La prémisse la plus controversée de l'argument est la prémisse 2, que l'univers a commencé à exister. Ce n'est en aucun cas évident. Examinons à la fois les arguments philosophiques et les preuves scientifiques à l'appui de la prémisse 2.

Premier argument philosophique

Ghazali a soutenu que si l'univers n'a jamais commencé à exister, alors il y a eu un nombre infini d'événements passés avant aujourd'hui. Mais, a-t-il soutenu, un nombre infini de choses ne peut pas exister. Ghazali a reconnu qu'un potentiellement nombre infini de choses pouvaient exister, mais il a nié qu'un en fait nombre infini de choses pourraient exister.

Quand on dit que quelque chose est potentiellement l'infini, l'infini ne sert que de limite idéale qui n'est jamais atteinte. Par exemple, vous pouvez diviser n'importe quelle distance finie en deux, puis en quarts, puis en huitièmes, puis en seizièmes, et ainsi de suite jusqu'à l'infini. Le nombre de divisions est potentiellement infini, dans le sens où vous pourriez continuer à diviser à l'infini. Mais vous n'arriveriez jamais à une division &ldquoinfinitieth&rdquo. Vous n'auriez jamais un nombre réellement infini de parties ou de divisions.

Maintenant, Ghazali n'a aucun problème avec l'existence d'infinis simplement potentiels, car ce ne sont que des limites idéales. Mais il a soutenu que si un nombre réellement infini de choses pouvait exister, alors diverses absurdités en résulteraient. Si nous voulons éviter ces absurdités, alors nous devons nier qu'un nombre réellement infini de choses existent. Cela implique que le nombre d'événements passés ne peut pas être réellement infini. Par conséquent, l'univers ne peut pas être sans commencement, plutôt l'univers a commencé à exister.

Il est très souvent allégué que ce genre d'argument a été invalidé par les développements des mathématiques modernes. Dans la théorie des ensembles moderne, l'utilisation d'ensembles réellement infinis est courante. Par exemple, l'ensemble des nombres naturels <0, 1, 2, . . .> contient un nombre infini de membres. Le nombre de membres de cet ensemble n'est pas simplement potentiellement infini, selon la théorie des ensembles moderne, le nombre de membres est en réalité infini. Beaucoup de gens ont déduit que ces développements sapent l'argument de Ghazali.

Mais est-ce vraiment le cas ? La théorie des ensembles moderne montre que si vous adoptez certains axiomes et règles, vous pouvez parlez sur des collections réellement infinies de manière cohérente, sans vous contredire. Tout cela accomplit montre comment mettre en place un certain univers de discours pour parler constamment des infinis réels. Mais cela ne fait absolument rien pour montrer que de telles entités mathématiques existent réellement ou qu'un nombre réellement infini de choses peut réellement exister. Si Ghazali a raison, alors cet univers de discours peut être considéré comme un simple royaume fictif, comme le monde de Sherlock Holmes, ou quelque chose qui n'existe que dans votre esprit.

La façon dont Ghazali fait ressortir l'impossibilité réelle d'un nombre réellement infini de choses est d'imaginer ce que ce serait si une telle collection pouvait exister et d'en tirer ensuite les conséquences absurdes. Permettez-moi de partager l'une de mes illustrations préférées appelée &ldquoHilbert&rsquos Hotel,&rdquo l'idée originale du grand mathématicien allemand David Hilbert.

Hilbert nous invite d'abord à imaginer un hôtel ordinaire avec un nombre fini de chambres. Supposons, en outre, que toutes les pièces soient pleines. Si un nouveau client se présente à la réception pour demander une chambre, le responsable dit : "Désolé, toutes les chambres sont pleines", et c'est la fin de l'histoire.

Mais maintenant, dit Hilbert, imaginons un hôtel avec un nombre infini de chambres, et supposons encore une fois que toutes les chambres sont pleines. Ce fait doit être clairement apprécié. Il n'y a pas un seul poste vacant dans tout l'hôtel infini, chaque chambre contient déjà une personne en chair et en os. Supposons maintenant qu'un nouveau client se présente à la réception pour demander une chambre. &ldquoPas de problème,&rdquo dit le responsable. Il déplace la personne qui logeait dans la chambre #1 dans la chambre #2, la personne qui logeait dans la chambre #2 dans la chambre #3, la personne qui logeait dans la chambre #3 dans la chambre #4, et ainsi de suite jusqu'à l'infini. À la suite de ces changements de chambre, la chambre n°1 devient désormais vacante et le nouveau client s'enregistre avec reconnaissance. Mais avant son arrivée, toutes les chambres étaient déjà pleines !

Ça s'empire! Supposons maintenant, dit Hilbert, qu'un infini des nouveaux clients se présentent à la réception pour demander des chambres. &ldquoPas de problème, pas de problème !&rdquo dit le directeur. Il déplace la personne qui logeait dans la chambre #1 dans la chambre #2, la personne qui logeait dans la chambre #2 dans la chambre #4, la personne qui logeait dans la chambre #3 dans la chambre #6, déplaçant à chaque fois la personne dans le numéro de chambre deux fois le sien. Comme tout nombre multiplié par deux est un nombre pair, tous les invités se retrouvent dans des chambres paires. En conséquence, toutes les chambres impaires deviennent vacantes et l'infinité de nouveaux invités est facilement accueillie. En fait, le gestionnaire pourrait le faire un nombre infini de fois et accueillir toujours infiniment plus d'invités. Et pourtant, avant leur arrivée, toutes les chambres étaient déjà pleines !

Comme un étudiant me l'a fait remarquer un jour, l'hôtel Hilbert&rsquos, s'il pouvait exister, devrait avoir un panneau à l'extérieur : &ldquoNo Vacancy (Guests Welcome).&rdquo Un tel hôtel peut-il exister en réalité ?

L'hôtel Hilbert&rsquos est absurde. Puisque rien ne dépend de l'illustration concernant un hôtel, l'argument peut être généralisé pour montrer que l'existence d'un nombre réellement infini de choses est absurde.

Parfois, les gens réagissent à l'hôtel Hilbert en disant que ces absurdités résultent du fait que le concept d'infini nous dépasse et que nous pouvons le comprendre. Mais cette réaction est erronée et naïve. Comme je l'ai dit, la théorie des ensembles infinis est une branche très développée et bien comprise des mathématiques modernes. Les absurdités résultent du fait que nous fais comprendre la nature de l'infini actuel. Hilbert était un gars intelligent, et il savait bien comment illustrer les conséquences bizarres de l'existence d'un nombre en fait infini de choses.

Vraiment, la seule chose que le critique puisse faire à ce stade est de juste mordre la balle et de dire qu'un hôtel Hilbert n'est pas absurde. Parfois, les critiques essaieront de justifier ce mouvement en disant que si un infini réel pouvait exister, alors de telles situations sont exactement ce à quoi nous devrions nous attendre. Mais cette réponse est insuffisante. Hilbert serait, bien sûr, d'accord que si un infini réel pourrait exister, la situation avec son hôtel imaginaire est ce à quoi nous nous attendrions. Sinon, ce serait une bonne illustration ! Mais la question est de savoir si un tel hôtel est vraiment possible.

Je pense donc que le premier argument de Ghazali est bon. Il montre que le nombre d'événements passés doit être fini. Par conséquent, l'univers doit avoir eu un commencement. Nous pouvons résumer l'argument de Ghazali comme suit :

1. Un infini réel ne peut pas exister.

2. Une régression temporelle infinie des événements est un infini actuel.

3. Par conséquent, une régression temporelle infinie des événements ne peut pas exister.

Deuxième argument philosophique

Ghazali a un deuxième argument indépendant pour le début de l'univers. La série d'événements passés, observe Ghazali, a été formée en ajoutant un événement après l'autre. La série d'événements passés est comme une séquence de dominos tombant les uns après les autres jusqu'à ce que le dernier domino, aujourd'hui, soit atteint. Mais, soutient-il, aucune série formée en ajoutant un membre après l'autre ne peut être réellement infinie. Car vous ne pouvez pas traverser un nombre infini d'éléments un à la fois.

Ceci est facile à voir dans le cas d'essayer de compter à l'infini. Peu importe à quel point vous comptez, il reste toujours une infinité de nombres à compter.

Mais si vous pouvez&rsquot compter à l'infini, comment peux-tu compter à rebours de infini? Ce serait comme si quelqu'un prétendait avoir décompté tous les nombres négatifs, se terminant à zéro : . . ., -3, -2, -1, 0. Cela semble fou. Car avant de pouvoir compter 0, il devrait compter -1, et avant de pouvoir compter -1, il devrait compter -2, et ainsi de suite, jusqu'à l'infini. Avant qu'un nombre puisse être compté, une infinité de nombres devra d'abord avoir été comptée. Vous êtes simplement repoussé dans le passé, de sorte qu'aucun nombre ne puisse jamais être compté.

Mais alors le domino final ne pourrait jamais tomber si un nombre infini de dominos devait tomber d'abord. Donc, aujourd'hui n'a jamais pu être atteint. Mais évidemment nous y sommes ! Cela montre que la série d'événements passés doit être finie et avoir un début.

Ghazali a cherché à accroître l'impossibilité de former un passé infini en donnant des illustrations des absurdités qui en résulteraient si cela pouvait être fait. Par exemple, supposons que pour chaque orbite que Saturne complète autour du soleil Jupiter en complète deux. Plus ils orbitent longtemps, plus Saturne prend du retard. S'ils continuent à orbiter indéfiniment, ils approcheront d'une limite à laquelle Saturne est infiniment loin derrière Jupiter. Bien sûr, ils n'atteindront jamais réellement cette limite.

Mais maintenant, retournez l'histoire : supposons que Jupiter et Saturne orbitent autour du soleil depuis l'éternité. Lequel aura effectué le plus d'orbites ? La réponse est que le nombre de leurs orbites est exactement le même : l'infini ! (Nous pouvons sortir de cet argument en disant que l'infini n'est pas un nombre. En mathématiques modernes, il est un nombre, le nombre d'éléments dans l'ensemble <0, 1, 2, 3, . . . >.) Mais cela semble absurde, car plus ils orbitent longtemps, plus la disparité augmente. Alors, comment le nombre d'orbites devient-il magiquement égal en les faisant orbiter depuis l'éternité ?

Autre illustration : supposons que nous rencontrions quelqu'un qui prétend avoir compté depuis l'éternité et qui termine maintenant : . . . -3, -2, -1, 0 ! Ouf! Pourquoi, pouvons-nous demander, termine-t-il son compte à rebours aujourd'hui ? Pourquoi n'a-t-il pas fini hier ou avant-hier ? Après tout, un temps infini s'était déjà écoulé. Ainsi, si l'homme comptait à raison d'un nombre par seconde, il disposait déjà d'un nombre infini de secondes pour terminer son compte à rebours. Il devrait déjà être fait! En fait, à quelconque point dans le passé, il a déjà eu un temps infini et devrait donc déjà avoir terminé. Mais alors à aucun moment dans le passé on ne retrouve l'homme en train de terminer son compte à rebours, ce qui contredit l'hypothèse qu'il compte depuis l'éternité.

Alexander Pruss et Robert Koons ont récemment défendu une version contemporaine engageante de l'argument de Ghazali appelé le Grim Reaper Paradox. Il existe une infinité de Faucheuses (que nous pouvons identifier comme des dieux, afin de prévenir toute objection physique). Vous êtes vivant à minuit. Grim Reaper 1 vous frappera à 1 h du matin si vous êtes encore en vie à ce moment-là. Grim Reaper 2 vous frappera mort à 00h30 si vous êtes encore en vie à ce moment-là. Grim Reaper 3 vous frappera à 0 h 15, et ainsi de suite. Une telle situation semble clairement concevable&mdashétant donné la possibilité d'un nombre en fait infini de choses&mdashmais conduit à une impossibilité : vous ne pouvez pas survivre après minuit, et pourtant vous ne pouvez pas être tué par un Grim Reaper à tout moment. Pruss et Koons montrent comment reformuler le paradoxe afin que les faucheuses soient réparties sur un temps infini plutôt que sur une seule heure, par exemple, en faisant balancer sa faux à chaque faucheuse le 1er janvier de chaque année si vous avez réussi à vivre aussi longtemps.

Ces illustrations ne font que renforcer l'affirmation de Ghazali qu'aucune série formée en ajoutant un membre après l'autre ne peut être en réalité infinie. Puisque la série d'événements passés a été formée en ajoutant un événement après l'autre, elle peut être en réalité infinie. Cela a dû avoir un début. Nous avons donc un deuxième bon argument pour la prémisse 2, que l'univers a commencé à exister. Nous pouvons résumer cet argument comme suit :

1. Une collection formée par additions successives ne peut pas être un infini actuel.

2. La série temporelle d'événements est un ensemble formé par additions successives.

3. Par conséquent, la série temporelle d'événements ne peut pas être un infini réel.

Première confirmation scientifique

L'un des développements les plus étonnants de l'astronomie moderne, que Ghazali n'aurait jamais anticipé, est que nous avons maintenant de solides preuves scientifiques du début de l'univers. La première confirmation scientifique du commencement de l'univers vient de l'expansion de l'univers.

Tout au long de l'histoire, les hommes ont supposé que l'univers dans son ensemble était immuable. Bien sûr, les choses dans l'univers bougeait et changeait, mais l'univers lui-même était juste là, pour ainsi dire. C'était également l'hypothèse d'Albert Einstein lorsqu'il a commencé à appliquer sa nouvelle théorie de la gravité, appelée la théorie de la relativité générale, à l'univers en 1917.

Mais Einstein a découvert qu'il y avait quelque chose qui n'allait pas du tout. Ses équations décrivaient un univers qui soit gonflait comme un ballon, soit s'effondrait sur lui-même. Au cours des années 1920, le mathématicien russe Alexander Friedman et l'astronome belge Georges LeMaître décidèrent de prendre les équations d'Einstein pour argent comptant, et par conséquent ils arrivèrent indépendamment à des modèles d'un univers en expansion. En 1929, l'astronome américain Edwin Hubble, grâce à des observations inlassables au mont. Wilson Observatory, a fait une découverte surprenante qui a vérifié la théorie de Friedman et LeMaçeur. Il a découvert que la lumière des galaxies lointaines semblait être plus rouge que prévu. Ce "décalage" de la lumière était très vraisemblablement dû à l'étirement des ondes lumineuses lorsque les galaxies s'éloignent de nous. Partout où Hubble a dirigé son télescope dans le ciel nocturne, il a observé ce même décalage vers le rouge dans la lumière des galaxies. Il est apparu que nous étions au centre d'une explosion cosmique, et toutes les autres galaxies s'envolent loin de nous à des vitesses fantastiques !

Or, selon le modèle de Friedman-LeMa&icirtre, nous ne sommes pas vraiment au centre de l'univers. Plutôt un observateur dans quelconque galaxie regardera et verra les autres galaxies s'éloigner de lui. C'est parce que, selon la théorie, c'est bien l'espace lui-même qui s'étend. Les galaxies sont en fait au repos dans l'espace, mais elles s'éloignent les unes des autres à mesure que l'espace lui-même s'étend.

Le modèle de Friedman-LeMaître a fini par être connu sous le nom de théorie du Big Bang. Mais ce nom peut être trompeur. Considérer l'expansion de l'univers comme une sorte d'explosion pourrait nous faire croire que les galaxies se déplacent vers un espace vide préexistant à partir d'un point central. Ce serait une incompréhension totale du modèle. La théorie est bien plus radicale que cela.

Au fur et à mesure que vous retracez l'expansion de l'univers dans le temps, tout se rapproche de plus en plus. Finalement, la distance entre deux points quelconques dans l'espace devient zéro. Vous ne pouvez pas être plus proche que cela ! Donc, à ce moment-là, vous avez atteint la limite de l'espace et du temps. L'espace et le temps ne peuvent pas être prolongés plus loin que cela. C'est littéralement le début de l'espace et du temps.

Pour obtenir une image de cela, nous pouvons représenter notre espace tridimensionnel comme un disque bidimensionnel qui se rétrécit au fur et à mesure que vous remontez dans le temps (Fig. 2).

Fig. 2. Représentation géométrique de l'espace-temps. Le disque bidimensionnel représente notre espace tridimensionnel. La dimension verticale représente le temps. Au fur et à mesure que l'on remonte dans le temps, l'espace se rétrécit jusqu'à ce que la distance entre deux points quelconques soit nulle. L'espace-temps a donc la géométrie d'un cône. La pointe du cône est la limite de l'espace et du temps.

Finalement, la distance entre deux points quelconques dans l'espace devient zéro. Ainsi, l'espace-temps peut être représenté géométriquement comme un cône. Ce qui est important à ce sujet, c'est que même si un cône peut être étendu indéfiniment dans une direction, il a un point limite dans l'autre direction. Étant donné que cette direction représente le temps et que le point limite se situe dans le passé, le modèle implique que le temps passé est fini et a eu un début.

Parce que l'espace-temps est l'arène dans laquelle toute matière et énergie existent, le début de l'espace-temps est aussi le début de toute matière et énergie. C'est le début de l'univers.

Remarquez qu'il n'y a tout simplement rien avant la limite initiale de l'espace-temps. Ne nous laissons pas tromper par les mots. Quand les cosmologistes disent : « Il n'y a rien avant la limite initiale », ils le font ne pas signifie qu'il y a un état de choses antérieur à cela, et c'est un état de néant. Ce serait ne rien traiter comme si c'était quelque chose ! Ils signifient plutôt qu'au point limite, il est faux que &ldquoIl y a quelque chose avant ce point.&rdquo

Le modèle standard du Big Bang prédit ainsi un début absolu de l'univers. Si ce modèle est correct, alors nous avons une confirmation scientifique étonnante de la deuxième prémisse de la kalam argumentation cosmologique.

Le modèle est-il donc correct ou, plus important encore, est-il correct pour prédire un début de l'univers ? Malgré sa confirmation empirique, le modèle standard du Big Bang devra être modifié de diverses manières. Le modèle est basé, comme nous l'avons vu, sur la théorie de la relativité générale d'Einstein. Mais la théorie d'Einstein s'effondre lorsque l'espace est réduit à des proportions subatomiques. Nous devons introduire la physique subatomique à ce stade, et personne ne sait vraiment comment cela doit être fait. De plus, l'expansion de l'univers n'est probablement pas constante, comme dans le modèle standard. Il s'accélère probablement et a peut-être connu un bref moment d'expansion ultra-rapide dans le passé.

Mais aucun de ces ajustements n'a besoin d'affecter la prédiction fondamentale du début absolu de l'univers. En effet, les physiciens ont proposé des dizaines de modèles alternatifs au cours des décennies depuis les travaux de Friedman et LeMaître, et ceux qui n'ont pas de commencement absolu se sont avérés à maintes reprises inapplicables. En d'autres termes, les seuls modèles non standard viables sont ceux qui impliquent un commencement absolu de l'univers. Ce début peut ou non impliquer un début point. Mais sur les théories (telles que Stephen Hawking&rsquos & la proposition de limite de ldquono&rdquo) qui n'ont pas un début ponctuel, le passé est toujours fini, pas infini. Selon de telles théories, l'univers n'a pas existé depuis toujours, mais a vu le jour, même s'il l'a fait à un point bien défini.

Dans un sens, l'histoire de la cosmologie du vingtième siècle peut être vue comme une série d'échecs successifs pour éviter le début absolu prédit par le modèle standard du Big Bang. Cette prédiction dure maintenant depuis près de 100 ans, au cours d'une période d'énormes progrès en astronomie d'observation et de travaux théoriques créatifs en astrophysique.

Pendant ce temps, une série de théorèmes de singularité remarquables a de plus en plus resserré la boucle autour de modèles empiriquement tenables en montrant que dans des conditions de plus en plus généralisées, un début est inévitable. En 2003, Arvind Borde, Alan Guth et Alexander Vilenkin ont pu montrer que tout univers qui est, en moyenne, dans un état d'expansion cosmique tout au long de chaque histoire ne peut pas être infini dans le passé mais doit avoir un commencement. Cela vaut également pour les scénarios multivers. En 2012, Vilenkin a montré que les modèles qui ne remplissent pas cette seule condition échouent toujours pour d'autres raisons à éviter le début de l'univers. Vilenkin a conclu, &ldquoAucun de ces scénarios ne peut en fait être passé éternel.&rdquo [3] &ldquoToutes les preuves que nous avons indiquent que l'univers a eu un commencement.&rdquo [4]

Le théorème de Borde-Guth-Vilenkin prouve que l'espace-temps classique, sous une seule condition très générale, ne peut pas être étendu à l'infini passé mais doit atteindre une frontière à un moment donné dans le passé fini. Soit il y avait quelque chose de l'autre côté de cette frontière, soit pas. Sinon, alors cette frontière n'est que le début de l'univers. S'il y avait quelque chose de l'autre côté, alors ce serait une région décrite par la théorie encore à découvrir de la gravité quantique. Dans ce cas, dit Vilenkin, il sera le commencement de l'univers. Quoi qu'il en soit, l'univers a commencé à exister.

Bien entendu, les résultats scientifiques sont toujours provisoires. Nous pouvons pleinement nous attendre à ce que de nouvelles théories soient proposées, essayant d'éviter le début de l'univers. De telles propositions sont à saluer et à tester. Néanmoins, il est assez clair dans quelle direction les preuves pointent. Aujourd'hui, le partisan de l'argument cosmologique de Ghazali se tient confortablement dans le courant scientifique dominant en soutenant que l'univers a commencé à exister.

Deuxième argument scientifique

Comme si cela ne suffisait pas, il y a en fait une deuxième confirmation scientifique du début de l'univers, celle-ci de la deuxième loi de la thermodynamique. Selon la deuxième loi, à moins que de l'énergie ne soit injectée dans un système, ce système deviendra de plus en plus désordonné.

Or, déjà au XIXe siècle, les scientifiques ont réalisé que la Deuxième Loi impliquait une sombre prédiction pour l'avenir de l'univers. Avec suffisamment de temps, toute l'énergie de l'univers se répartira uniformément dans tout l'univers. L'univers deviendra une soupe sans relief dans laquelle aucune vie n'est possible. Une fois que l'univers atteint un tel état, aucun autre changement significatif n'est possible. C'est un état de équilibre. Les scientifiques ont appelé cela la "mort thermique" de l'univers.

Mais cette prédiction fâcheuse souleva une autre énigme : si, avec suffisamment de temps, l'univers volonté stagner inévitablement dans un état de mort thermique, alors pourquoi, s'il existe depuis toujours, n'est-ce pas à présent en état de mort par la chaleur ? Si dans un laps de temps fini, l'univers volonté atteindre l'équilibre, alors, étant donné le temps passé infini, il devrait maintenant être déjà en état d'équilibre. Mais ce n'est pas le cas. Nous sommes dans un état de diséquilibre, où l'énergie est encore disponible pour être utilisée et l'univers a une structure ordonnée.

Le physicien allemand du XIXe siècle Ludwig Boltzmann a proposé une solution audacieuse à ce problème. Boltzmann a suggéré que peut-être l'univers est, en fait, dans un état d'équilibre global. Néanmoins, par hasard seul, il apparaîtra ici et là des poches de déséquilibre plus ordonnées. Boltzmann appelle ces régions isolées de déséquilibre des &ldquomondes.&rdquo Notre univers se trouve être l'un de ces mondes. Finalement, en accord avec la deuxième loi, il reviendra à l'état général d'équilibre.

Les physiciens contemporains ont universellement rejeté l'hypothèse de Boltzmann osant plusieurs mondes comme explication du déséquilibre observé de l'univers. Son défaut fatal est que si notre monde n'est qu'une fluctuation fortuite d'un état d'équilibre global, alors nous devrions observer une parcelle d'ordre beaucoup plus petite. Pourquoi? Parce qu'une petite fluctuation par rapport à l'équilibre est beaucoup plus probable que l'énorme fluctuation soutenue nécessaire pour créer l'univers que nous voyons, et pourtant une petite fluctuation serait suffisante pour notre existence. Par exemple, une fluctuation qui a formé un monde pas plus grand que notre système solaire serait suffisante pour que nous soyons en vie et serait incompréhensiblement plus susceptible de se produire qu'une fluctuation qui a formé l'univers entier que nous voyons !

En fait, l'hypothèse de Boltzmann, si elle était appliquée de manière cohérente, conduirait à une étrange sorte d'illusionnisme : selon toute probabilité, nous avons vraiment fais habitent un monde plus petit, et les étoiles et les planètes que nous observons ne sont que des illusions, de simples images sur le ciel. Car ce genre de monde est beaucoup plus probable qu'un univers qui, au mépris de la deuxième loi de la thermodynamique, s'est éloigné de l'équilibre pendant des milliards d'années pour former l'univers que nous observons.

La découverte de l'expansion de l'univers dans les années 1920 a modifié le type de mort thermique prédite sur la base de la deuxième loi, mais elle n'a pas modifié la question fondamentale. Des découvertes récentes indiquent que l'expansion cosmique s'accélère en fait. Parce que le volume de l'espace augmente si rapidement, l'univers s'éloigne de plus en plus d'un état d'équilibre dans lequel la matière et l'énergie sont uniformément réparties. Mais l'accélération de l'expansion de l'univers ne fait qu'accélérer sa disparition. Pour l'instant, les différentes régions de l'univers deviennent de plus en plus isolées les unes des autres dans l'espace, et chaque région bloquée devient sombre, froide, diluée et morte. Encore une fois, pourquoi notre région est-elle dans un tel état si l'univers existe déjà depuis un temps infini ?

L'implication évidente de tout cela est que la question est basée sur une fausse hypothèse, à savoir que l'univers existe depuis un temps infini. Aujourd'hui, la plupart des physiciens diraient que la matière et l'énergie ont été simplement mises dans l'univers comme condition initiale, et l'univers a suivi le chemin tracé par la Deuxième Loi depuis son commencement il y a un temps fini.

Bien sûr, des tentatives ont été faites pour éviter le début de l'univers prédit sur la base de la deuxième loi de la thermodynamique. Mais aucun d'entre eux n'a réussi. Les sceptiques pourraient espérer que la gravité quantique servira à éviter les implications de la deuxième loi de la thermodynamique. Mais en 2013, le cosmologue Aron Wall de l'Université de Californie a pu formuler un nouveau théorème de singularité qui semble fermer la porte à cette possibilité. Wall montre que, étant donné la validité de la deuxième loi généralisée de la thermodynamique en gravité quantique, l'univers doit avoir commencé à exister, à moins que l'on postule un renversement de la flèche du temps (le temps s'écoule à reculons !) à un moment donné dans le passé, ce qui, observe-t-il à juste titre, implique un commencement thermodynamique dans le temps qui « semble soulever les mêmes sortes de questions philosophiques que n'importe quel autre type de commencement dans le temps ». Wall rapporte que ses résultats ne nécessitent la validité que de certains concepts de base, de sorte qu'il est raisonnable de croire que les résultats seront valables dans une théorie complète de la gravité quantique.

Ainsi, une fois de plus, les preuves scientifiques confirment la vérité de la deuxième prémisse de l'argument cosmologique de Ghazali.

Sur la base, par conséquent, de preuves à la fois philosophiques et scientifiques, nous avons de bonnes raisons de croire que l'univers a commencé à exister. Il s'ensuit donc que l'univers a une cause de son commencement.

Quelles propriétés doit posséder cette cause de l'univers ? Cette cause doit être elle-même sans cause parce que nous avons vu qu'une série infinie de causes est impossible. C'est donc la cause première sans cause. Elle doit transcender l'espace et le temps, puisqu'elle a créé l'espace et le temps. Par conséquent, il doit être immatériel et non physique. Il doit être d'une puissance inimaginable, puisqu'il a créé toute la matière et l'énergie.

Enfin, Ghazali a fait valoir que cette cause première sans cause doit également être un être personnel. C'est la seule façon d'expliquer comment une cause éternelle peut produire un effet avec un commencement comme l'univers.

Voici le problème : si une cause est suffisante pour produire son effet, alors si la cause est là, l'effet doit être là aussi. Par exemple, la cause du gel de l'eau est que la température est inférieure à 0 degré Celsius. Si la température est inférieure à 0 degré depuis l'éternité, alors toute eau autour serait gelée depuis l'éternité. Il serait impossible que l'eau commencer geler il y a juste un temps fini. Or la cause de l'univers est là en permanence, puisqu'elle est intemporelle. Alors pourquoi l'univers est-il là aussi en permanence ? Pourquoi l'univers est-il né il y a seulement 14 milliards d'années ? Pourquoi est-il aussi permanent que sa cause ?

Ghazali a soutenu que la réponse à ce problème est que la Cause Première doit être un être personnel doté de la liberté de volonté. Sa création de l'univers est un acte libre et indépendant de toute condition préalable déterminante. Son acte de création peut donc être quelque chose de spontané et de nouveau. La liberté de la volonté permet d'obtenir un effet avec un commencement à partir d'une cause permanente et intemporelle. Ainsi, nous sommes amenés non seulement à une cause transcendante de l'univers, mais à son Créateur Personnel.

C'est vrai que c'est difficile à imaginer pour nous. Mais une façon d'y penser est d'envisager Dieu existant seul sans l'univers comme immuable et intemporel. Son acte libre de création est un événement temporel simultané à la naissance de l'univers. Par conséquent, Dieu entre dans le temps lorsqu'Il crée l'univers. Dieu est donc intemporel sans l'univers et dans le temps avec l'univers.

L'argument cosmologique de Ghazali nous donne ainsi de puissantes raisons de croire en l'existence d'un Créateur Personnel de l'univers sans commencement, sans cause, sans temps, sans espace, sans changement, immatériel, extrêmement puissant.

Al-Gha-zalı-, Kitab al-Iqtisad fi&rsquol-I&rsquotiqad, cité dans S. de Beaurecueil, &ldquoGazzali et S. Thomas d&rsquoAquin : Essai sur la preuve de l&rsquoexitence de Dieu proposéée dans l&rsquoIqtisad et sa comparaison avec les &lsquovoies&rsquo Thomiste,&rdquo Bulletin de l&rsquoInstitut Français d&rsquoArchaeologie Orientale 46 (1947): 203.

Al-Gha-zalı-, Kitab al-Iqtisad fi&rsquol-I&rsquotiqad, cité dans S. de Beaurecueil, &ldquoGazzali et S. Thomas d&rsquoAquin : Essai sur la preuve de l&rsquoexitence de Dieu proposéée dans l&rsquoIqtisad et sa comparaison avec les &lsquovoies&rsquo Thomiste,&rdquo Bulletin de l&rsquoInstitut Français d&rsquoArchaeologie Orientale 46 (1947): 203.

Christopher Isham, &ldquoCreation of the Universe as a Quantum Process,&rdquo p. 378.

Christopher Isham, &ldquoCreation of the Universe as a Quantum Process,&rdquo p. 378.

Audrey Mithani et Alexander Vilenkin, &ldquoL'univers a-t-il eu un commencement ?&rdquo arXiv:1204.4658v1 [hep-th] 20 avril 2012, p. 5. Pour une vidéo accessible, voir http://www.youtube.com/watch?v=NXCQelhKJ7A (consulté le 23 février 2014), où Vilenkin conclut qu'il n'existe actuellement aucun modèle qui fournit un modèle satisfaisant pour un univers sans commencement.&rdquo

Audrey Mithani et Alexander Vilenkin, &ldquoL'univers a-t-il eu un commencement ?&rdquo arXiv:1204.4658v1 [hep-th] 20 avril 2012, p. 5.Pour une vidéo accessible, voir http://www.youtube.com/watch?v=NXCQelhKJ7A (consulté le 23 février 2014), où Vilenkin conclut qu'il n'existe actuellement aucun modèle qui fournit un modèle satisfaisant pour un univers sans un commencement.»

A.Vilenkin, cité dans « Pourquoi les physiciens ne peuvent pas éviter un événement de création », par Lisa Grossman, Nouveau scientifique (11 janvier 2012).

A.Vilenkin, cité dans « Pourquoi les physiciens ne peuvent pas éviter un événement de création », par Lisa Grossman, Nouveau scientifique (11 janvier 2012).

Aron C. Wall, &ldquoLa deuxième loi généralisée implique un théorème de singularité quantique,&rdquo arXiv : 1010.5513v3 [gr-qc] 24 (janvier 2013), p. 38.

Aron C. Wall, &ldquoLa deuxième loi généralisée implique un théorème de singularité quantique,&rdquo arXiv : 1010.5513v3 [gr-qc] 24 (janvier 2013), p. 38.


76 réponses à & ldquo L'antigravité pourrait remplacer l'énergie noire comme cause de l'expansion de l'univers & rdquo

Quelque chose ne va pas ici. J'ai regardé le papier et je vais essayer de lire ceci pour voir ce qui ne va pas. Il y a pourtant un germe de quelque chose ici.

Voici le problème. J'utilise simplement la deuxième loi du mouvement de Newton F = ma et considère la force comme la gravité newtonienne F = -Gmm'/r^2. Soit m la masse et m' l'anti-masse. Considérons le mouvement de l'anti-masse m' a = -Gm/r^2,

où il s'avère que le signe de m' est sans rapport avec l'accélération de m'. Cela signifie que l'anti-masse est attirée par la masse. Considérons maintenant l'accélération de la masse m,

où le signe de l'anti-masse considérée n'a pas d'importance, mais l'autre antimasse inverse le signe de l'accélération de la pesanteur. Dès lors, deux anti-masses accéléreraient l'une de l'autre.

Pour réfléchir à la relativité générale par rapport à l'anti-masse, considérons le rayonnement de Hawking d'un trou noir. Un trou noir a cet horizon des événements, et pour un trou noir modeste, l'horizon peut avoir une courbure suffisante pour qu'un peu de diffusion des ondes par courbure se produise. Considérons le cas où l'onde diffusée est le champ de Dirac. Le champ de Dirac est la "racine carrée" de l'intervalle de quantité de mouvement en relativité restreinte E^2 – p^2 = m^2 sous forme quantifiée. Cela signifie que les champs spineurs ont des solutions d'énergie positive et négative. L'énergie-impulsion du champ lors de la diffusion change sa valeur de racine. C'est la mer de Dirac, et la courbure de l'espace-temps perturbe la mer de Dirac d'états d'énergie négative et les états de particules d'énergie positive. Cela signifie que les particules de Dirac d'énergie négative peuvent être dispersées hors de la mer de Dirac par la courbure de l'espace-temps dans un état de particule réel, qui est le rayonnement de Hawking.

L'énergie négative dans cette mer de Dirac, qui est une forme du vide quantique, entre dans un trou noir et annule une unité de masse dans le trou noir où cette masse apparaît à l'extérieur du trou noir. C'est la logique standard de la mer de Dirac, où un quanta d'anti-énergie E + mc^2 (tous deux négatifs) interagit avec une masse positive E pour générer une particule de masse positive avec une masse m et une certaine énergie cinétique. En raison d'autres nombres quantiques, tels que la charge, qui sont conservés, l'énergie d'entrée doit être suffisante pour générer une particule plus une particule d'antimatière. La particule de masse négative a des valeurs opposées à d'autres nombres quantiques, où seule l'anti-masse est inversée en masse.

Considérons maintenant le vide de Dirac comme un ensemble d'états d'occupation (tous remplis) d'énergie négative (anit-masse). L'analyse ci-dessus avec la gravité newtonienne indique que ce vide est auto-répulsif. Maintenant, le vide de Dirac a des particules de masse m existant dans un cône de lumière d'impulsion d'énergie E = E' + m < 0 qui est arbitrairement grand. Il y a donc quelque chose qui annule cela. C'est le partenaire supersymétrique de ces particules fermioniques. Lorsque les nombres quantiques sont calculés (ce qui n'a pas été fait complètement), l'énergie du vide peut en effet être négative. Ou peut-être mieux, cela a un aspect négatif. C'est une partie du "problème de signe" avec la compréhension du champ de Fermi-Dirac. On pourrait alors dire que ce composant globalement négatif de l'état de vide est auto-répulsif et c'est peut-être alors un aspect de la raison pour laquelle l'univers accélère.

J'ai reposté ça. Malheureusement, cela a un problème avec les carottes, ce qui signifie que moins que les symboles ont pour effet de tuer des parties des choses. J'ai déjà rencontré cela ailleurs, ce qui est extrêmement ennuyeux.

Quelque chose ne va pas ici. J'ai regardé le papier et je vais essayer de lire ceci pour voir ce qui ne va pas. Il y a pourtant un germe de quelque chose ici.

Voici le problème. J'utilise simplement la deuxième loi du mouvement de Newton F = ma et considère la force comme la gravité newtonienne F = -Gmm'/r^2. Soit m la masse et m' l'anti-masse. Considérons le mouvement de l'anti-masse 0 > m'

où il s'avère que le signe de m' est sans rapport avec l'accélération de m'. Cela signifie que l'anti-masse est attirée par la masse. Considérons maintenant l'accélération de la masse m,

et depuis 0 > m' le signe de l'accélération est modifié. Cela signifie que la masse accélère en s'éloignant de l'anti-masse. Cela signifie que si la masse m et l'anti-masse m' ont la même amplitude, donc la masse totale m + m' = 0, alors la masse et l'anti-masse accéléreront dans la même direction. C'est une situation amusante, mais puisque la masse totale est nulle, cela équivaut à l'accélération de rien au total.

Que se passe-t-il si m et m' sont tous les deux des anti-masse ? Eh bien, la deuxième loi du mouvement est

où le signe de l'anti-masse considérée n'a pas d'importance, mais l'autre antimasse inverse le signe de l'accélération de la pesanteur. Dès lors, deux anti-masses accéléreraient l'une de l'autre.

Pour réfléchir à la relativité générale par rapport à l'anti-masse, considérons le rayonnement de Hawking d'un trou noir. Un trou noir a cet horizon des événements, et pour un trou noir modeste, l'horizon peut avoir une courbure suffisante pour qu'un peu de diffusion des ondes par courbure se produise. Considérons le cas où l'onde diffusée est le champ de Dirac. Le champ de Dirac est la "racine carrée" de l'intervalle de quantité de mouvement en relativité restreinte E^2 – p^2 = m^2 sous forme quantifiée. Cela signifie que les champs spineurs ont des solutions d'énergie positive et négative. L'énergie-impulsion du champ lors de la diffusion change sa valeur de racine. C'est la mer de Dirac, et la courbure de l'espace-temps perturbe la mer de Dirac d'états d'énergie négative et les états de particules d'énergie positive. Cela signifie que les particules de Dirac d'énergie négative peuvent être dispersées hors de la mer de Dirac par la courbure de l'espace-temps dans un état de particule réel, qui est le rayonnement de Hawking.

L'énergie négative dans cette mer de Dirac, qui est une forme de vide quantique, entre dans un trou noir et annule une unité de masse dans le trou noir où cette masse apparaît à l'extérieur du trou noir. C'est la logique standard de la mer de Dirac, où un quanta d'anti-énergie E + mc^2 (tous deux négatifs) interagit avec une masse positive E pour générer une particule de masse positive avec une masse m et une certaine énergie cinétique. En raison d'autres nombres quantiques, tels que la charge, qui sont conservés, l'énergie d'entrée doit être suffisante pour générer une particule plus une particule d'antimatière. La particule de masse négative a des valeurs opposées à d'autres nombres quantiques, où seule l'anti-masse est inversée en masse.

Considérons maintenant le vide de Dirac comme un ensemble d'états d'occupation (tous remplis) d'énergie négative (anit-masse). L'analyse ci-dessus avec la gravité newtonienne indique que ce vide est auto-répulsif. Maintenant, le vide de Dirac a des particules de masse m existant dans un cône de lumière d'impulsion d'énergie 0 > E = E' + m qui est arbitrairement grand. Il y a donc quelque chose qui annule cela. C'est le partenaire supersymétrique de ces particules fermioniques. Lorsque les nombres quantiques sont calculés (ce qui n'a pas été fait complètement), l'énergie du vide peut en effet être négative. Ou peut-être mieux, cela a un aspect négatif. C'est une partie du "problème de signe" avec la compréhension du champ de Fermi-Dirac. On pourrait alors dire que ce composant globalement négatif de l'état de vide est auto-répulsif et c'est peut-être alors un aspect de la raison pour laquelle l'univers accélère.

La mer de Dirac n'a-t-elle pas été abandonnée parce que c'est un modèle terriblement affiné introduisant des énergies infinies (ayant une énergie positive infinie compensant la mer négative infinie) ?

J'ai jeté un coup d'œil à Wikipédia, et que savez-vous : ils mentionnent cela, et m'ont également rappelé / souligné que
– La mer de Dirac était basée sur des fermions pour la séparation des États. Nous n'avons pas cela ici, je pense, car le graviton est un boson médiateur de force. Je ne suis pas sûr que cela aide que la gravité soit couplée à la densité d'énergie du vide, si l'équilibre est basé sur le réseau d'états du graviton. (Mais peut-être que ce n'est pas le cas et je ne peux pas voir comment.)

Si nous n'avons pas de mer, les particules perdraient de l'énergie indéfiniment. Les anti-particules essaieraient de sortir de tout confinement en essayant de s'éloigner des champs de gravité dès que possible (obtenant ainsi une énergie négative encore plus élevée, à moins que je ne me trompe) ! Cela n'est pas observé.

– Vous pouvez toujours trouver de nouvelles particules qui peuvent être insérées dans la mer. Le concept peut ne pas être cohérent. “Captin, je pense que nous avons un petit problème ici.”

Je suppose que ma question, en dehors des difficultés techniques, est de savoir si une mer de Dirac peut être réintroduite pour un seul type de particule ? Cela ne semble pas être un résultat probable.


Les trois grands regrets d'Einstein

En raison de la diversité dont bénéficient mes articles de blog, il y a des moments où je me demande si le sujet que je choisis pour le prochain article trouvera un écho auprès de la plupart de mon public. Mes lecteurs de cultures très diverses connaîtront-ils ou seront-ils intéressés par le message proposé ?

Avec Albert Einstein comme sujet, ces inquiétudes sont atténuées. Einstein est sans doute la personnalité (et le visage) la plus reconnaissable des temps modernes. Ceci, bien sûr, le résultat de son influence sans précédent sur la science - une entreprise qui ne connaît par nature aucune frontière culturelle ou linguistique grâce à la langue universelle dans laquelle elle s'exprime - les mathématiques. Einstein est également l'une des personnes les plus fascinantes de tous les temps d'un point de vue personnel - la "Personne du siècle" du magazine Time.

Après que l'énergie ait été assimilée à la masse, le monde n'a jamais été le même

Malgré son éloge universel, la vie de travail d'Einstein lui a laissé des goûts amers dans la bouche, une grave indigestion et trois regrets ! La première d'entre elles concerne l'équation la plus connue en science : e=mc 2 . L'énonciation par Einstein de cette fameuse relation – que l'énergie et la masse sont équivalentes et interchangeables – est venue en 1905 dans la foulée de sa théorie de la relativité restreinte. Le monde n'a jamais été le même depuis les formulations d'Einstein sur la relativité - certainement pas le monde scientifique, ni le monde quotidien de la plupart des habitants de cette planète. Cette fameuse équation, à la fois si compacte mais profonde, est la base théorique à la fois de la libération de l'énergie nucléaire et de la réalité des armes de destruction massive.

Un pacifiste qui découvre des bombes plus grosses ?

Le fait est TOUJOURS plus étrange que la fiction, n'est-ce pas ? Einstein était l'un des grands pacifistes du monde, un porte-parole de l'humanité et de la paix mondiale. Les attitudes pacifistes n'étaient pas des points de vue adoptés par lui au fur et à mesure qu'il vieillissait et qu'il devenait plus sage, mais plutôt une partie essentielle de sa personnalité et de son système de croyances. Le rôle d'Einstein dans l'histoire des armes nucléaires se limite strictement à sa découverte scientifique concernant l'équivalence de la masse et de l'énergie - à une exception spécifique, une circonstance qu'il a regrettée plus tard. En 1939, de nombreux collègues de la communauté internationale des physiciens se sont inquiétés de l'intérêt de l'Allemagne pour les gisements d'uranium du Congo belge. À l'époque de la célèbre révélation d'Einstein en 1905 selon laquelle e=mc 2 , il n'était pas du tout clair que de grandes quantités d'énergie pouvaient être libérées à partir de petites quantités de masse comme le déclare l'équation - du moins pas à une échelle pratique. En 1939, la faisabilité d'armes puissantes basées sur l'équation d'Einstein était pratiquement assurée.

Le collègue d'Einstein, le Hongrois Leo Szilard, prévoyait de présenter au président Franklin Roosevelt une lettre l'avertissant des intentions allemandes potentielles concernant l'uranium et le développement d'armes atomiques. Einstein a accepté d'apposer sa signature sur la lettre.

Le reste appartient à l'histoire, bien sûr, et Einstein n'a eu aucune implication dans le programme de crash résultant pour développer l'arme. Einstein vivait aux États-Unis après avoir fui son Allemagne natale en 1931 à cause de l'ascension d'Hitler. Après la guerre, lorsqu'il a été démontré que l'Allemagne n'avait fait aucun progrès réel vers une bombe atomique, Einstein a déclaré : « Si j'avais su que les Allemands ne réussiraient pas à produire une bombe atomique, je n'aurais jamais levé le petit doigt. Il a en outre expliqué que, malheureusement en 1939, il n'y avait aucun moyen de le savoir.

Je crois qu'Einstein était à juste titre en paix avec son travail scientifique, le travail qui prédisait la possibilité théorique de l'énergie nucléaire et des armes de destruction massive. Son regret ultime dans toute cette affaire était que l'humanité avait converti la joie et la beauté de la pure découverte scientifique en la sinistre menace des armes nucléaires. Toujours attentif et méfiant à l'égard de la nature humaine et de ses fragilités, il a déclaré : « Le déchaînement de [la] puissance de l'atome a tout changé, sauf nos modes de pensée et ainsi nous dérivons vers des catastrophes sans précédent. »

Le prix Nobel de physique d'Einstein en 1921 pour la découverte de
l'effet photoélectrique : entrez dans la mécanique quantique

Einstein peut être appelé à juste titre le père de la mécanique quantique, cette branche moderne de la physique que personne, même à ce jour, ne « comprend » vraisemblablement à un niveau sophistiqué, mais qui, néanmoins, « explique » de nombreux phénomènes physiques que la mécanique classique, la physique d'Isaac Newton, ne pouvait pas. Le célèbre article scientifique d'Einstein de 1905 sur l'effet photoélectrique qui lui a valu son prix Nobel lui a également valu le titre de "père de la mécanique quantique". En fait, c'était un titre qu'il partageait en fait avec son collègue allemand, le physicien Max Planck qui a le premier ouvert la « porte quantique » avec son analyse marquante de 1900 du rayonnement émis par des corps de masse chauffés.

Einstein a lutté pendant la plus grande partie de sa vie en essayant de se réconcilier avec «l'enfant terrible» qu'il avait co-père avec Planck. Pourquoi était-ce? Tout comme les théories de la relativité d'Einstein ont renversé bon nombre de nos notions séculaires sur l'espace et le temps, la physique quantique a rapidement ébranlé nos notions existantes de lumière, de rayonnement et de structure atomique. Le plus difficile pour Einstein avec sa vision déterministe de la physique était un locataire central de la mécanique quantique qui déclare une limite à ce que nous pouvons savoir et prédire dans les régions submicroscopiques où résident les atomes. Einstein ne pouvait pas se plier aux préceptes de la nouvelle science qui déclarait que certaines choses se produisent purement par hasard statistique dans ce petit monde. Du coup, les événements étaient régis par des probabilités statistiques et n'étaient pas le résultat d'une relation de cause à effet prévisible comme dans l'ancienne physique déterministe de Newton.

Les fréquentes discussions techniques d'Einstein avec son bon ami et architecte en chef de la physique quantique, le grand physicien Neils Bohr, se terminaient souvent par la réaffirmation par Einstein de son affirmation selon laquelle « Dieu ne joue pas aux dés avec l'univers », ce à quoi Bohr s'opposerait : « Comment toi savoir ce que Dieu ferait ? Juste après sa curiosité passionnée, pensant comme Dieu à la science et à la façon dont elle devrait fonctionner a été un élément clé du succès scientifique d'Einstein - un élément clé de son « art » scientifique, si vous voulez, Bohr a su toucher le point faible d'Einstein dans ces discussions controversées mais toujours amicales et respectueuses.

Einstein et Bohr : Discuter de la mécanique quantique ?

La résistance d'Einstein à la mécanique quantique dura toute sa vie, mais le succès de la science fut bientôt indéniable, cependant. Einstein a accepté ce fait, mais a affirmé que la base théorique de la mécanique quantique était incomplète - la raison pour laquelle la nature de ses affirmations était si étrange et déroutante.

À la fin de sa vie, Einstein a été contraint de faire la paix avec le fait que la mécanique quantique ne serait pas complète et déchiffrable (à sa satisfaction) au moment où il quitterait cette terre. Ne pas voir de résolution au dilemme quantique de son vivant était le deuxième grand regret d'Einstein.

La célèbre « constante cosmologique » d'Einstein
Grand regret #3

En 1917, Einstein a amendé sa théorie de la relativité générale de 1915 en ajoutant pas moins d'un « facteur de fudge » à sa théorie pour expliquer le fait que l'univers semblait être de nature relativement « statique » – ni en contraction ni en expansion. La théorie gravitationnelle de Newton de 1687 et la redéfinition radicale de sa nature par Einstein en 1915 prédisaient que l'action d'attraction gravitationnelle mutuelle entre N'IMPORTE QUEL deux corps de masse devrait entraîner un univers qui se contracte – se rapproche. Pour expliquer notre univers apparemment statique, Einstein a modifié à contrecœur sa théorie générale de la relativité de 1915 en proposant ce qu'il a appelé, une « constante cosmologique » pour expliquer l'écart.

Surprendre! L'univers est redéfini… et s'étend rapidement !

En 1924, l'un des plus grands astronomes de la science, Edwin Hubble, a livré une bombe à la science en général et à l'astronomie en particulier. En utilisant le nouveau télescope à réflexion Hooker de 100 pouces sur le mont Wilson, en Californie, Hubble a annoncé que l'univers n'est pas défini par la galaxie dans laquelle nous résidons. La réalité est qu'il existe des millions de galaxies sœurs réparties dans un univers d'ordres de grandeur plus grands qu'on ne le croyait auparavant.

Télescope Hubble : vue en champ profond d'innombrables galaxies

Beaucoup de ces "étoiles et nubules" faibles et floues que l'homme a observées pendant des milliers d'années sont en fait des galaxies complètes à part entière, chacune contenant des milliards d'étoiles… et probablement des planètes similaires à la nôtre. De plus, Hubble a déterminé plus tard que ces myriades de galaxies s'éloignent rapidement les unes des autres, en d'autres termes, l'univers est en expansion rapide. La galaxie principale la plus proche de la nôtre est la galaxie d'Andromède, à seulement 2,4 millions d'années-lumière. Puisque la lumière voyage à la vitesse constante de 186 000 miles par seconde, lorsque nous voyons la galaxie d'Andromède aujourd'hui, nous voyons en fait la lumière qui l'a quittée il y a 2,4 millions d'années !

Einstein s'est retrouvé avec le sac contenant sa constante cosmologique qui était une détermination réticente et ad hoc de sa part en premier lieu et basée sur un univers totalement différent.Il a appelé les circonstances entourant sa constante, ma « plus grande bévue ». Aujourd'hui, le mystère d'un univers en expansion a suscité des enquêtes sur des entités étranges et difficilement détectables dans l'espace, telles que la «matière noire» et «l'énergie noire». On pense que ceux-ci peuvent fournir au moins une partie de la réponse au comportement étrange de notre univers en expansion.

La science change constamment, affinant les «vérités» précédemment détenues avec des versions améliorées de celles-ci et insérant parfois de nouvelles percées révolutionnaires - comme celle de Hubble. Je pense qu'Einstein était trop dur avec lui-même en ce qui concerne la constante cosmologique, étant donné cette réalité. RIP Albert Einstein : Tu as bien fait…réel bien!


Les physiciens du Dark Energy Survey ouvrent une nouvelle fenêtre sur l'énergie noire

Une carte du ciel montrant la densité des amas de galaxies, des galaxies et de la matière dans l'univers sur la partie du ciel observée par le Dark Energy Survey. Le panneau de gauche montre la densité des galaxies dans cette partie du ciel, tandis que le panneau du milieu montre la densité de matière et le droit montre la densité des amas de galaxies. Les zones rouges sont plus denses et les zones bleues sont moins denses que la moyenne. Crédit : Chun-Hao To/Stanford University, SLAC National Accelerator Laboratory

L'univers s'étend à un rythme toujours croissant, et bien que personne ne sache pourquoi, les chercheurs du Dark Energy Survey (DES) avaient au moins une stratégie pour le comprendre : ils combineraient des mesures de la distribution de la matière, des galaxies et amas de galaxies pour mieux comprendre ce qui se passe.

Atteindre cet objectif s'est avéré assez délicat, mais maintenant une équipe dirigée par des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, de l'Université de Stanford et de l'Université de l'Arizona a trouvé une solution. Leur analyse, publiée le 6 avril dans Lettres d'examen physique, donne des estimations plus précises de la densité moyenne de la matière ainsi que de sa propension à se regrouper, deux paramètres clés qui aident les physiciens à sonder la nature de la matière noire et de l'énergie noire, les substances mystérieuses qui constituent la grande majorité de l'univers.

"C'est l'une des meilleures contraintes de l'un des meilleurs ensembles de données à ce jour", déclare Chun-Hao To, auteur principal du nouvel article et étudiant diplômé au SLAC et à Stanford travaillant avec le directeur de l'Institut Kavli pour l'astrophysique des particules et la cosmologie. Risa Wechsler.

Lorsque DES a entrepris en 2013 de cartographier un huitième du ciel, l'objectif était de rassembler quatre types de données : les distances à certains types de supernovae ou d'étoiles en explosion la répartition de la matière dans l'univers la répartition des galaxies et amas de galaxies. Chacun raconte quelque chose aux chercheurs sur la façon dont l'univers a évolué au fil du temps.

Idéalement, les scientifiques rassembleraient les quatre sources de données pour améliorer leurs estimations, mais il y a un hic : les distributions de la matière, des galaxies et des amas de galaxies sont toutes étroitement liées. Si les chercheurs ne tiennent pas compte de ces relations, ils finiront par « compter deux fois », en accordant trop de poids à certaines données et pas assez à d'autres, dit To.

Pour éviter de mal gérer toutes ces informations, l'astrophysicienne de l'Université d'Arizona Elisabeth Krause et ses collègues ont développé un nouveau modèle qui pourrait correctement tenir compte des connexions dans les distributions des trois quantités : matière, galaxies et amas de galaxies. Ce faisant, ils ont pu produire la toute première analyse pour combiner correctement tous ces ensembles de données disparates afin d'en savoir plus sur la matière noire et l'énergie noire.

L'ajout de ce modèle dans l'analyse DES a deux effets, dit To. Premièrement, les mesures des distributions de la matière, des galaxies et des amas de galaxies ont tendance à introduire différents types d'erreurs. La combinaison des trois mesures facilite l'identification de telles erreurs, ce qui rend l'analyse plus robuste. Deuxièmement, les trois mesures diffèrent par leur sensibilité à la densité moyenne de la matière et à son agglutination. En conséquence, la combinaison des trois peut améliorer la précision avec laquelle le DES peut mesurer la matière noire et l'énergie noire.

Dans le nouvel article, To, Krause et leurs collègues ont appliqué leurs nouvelles méthodes à la première année de données DES et ont affiné la précision des estimations précédentes de la densité et de l'agrégation de la matière.

Maintenant que l'équipe peut incorporer simultanément la matière, les galaxies et les amas de galaxies dans leur analyse, l'ajout de données de supernova sera relativement simple, car ce type de données n'est pas aussi étroitement lié aux trois autres, dit To.

"La prochaine étape immédiate", dit-il, "est d'appliquer la machine aux données DES Année 3, qui ont une couverture du ciel trois fois plus grande." Ce n'est pas aussi simple qu'il y paraît : bien que l'idée de base soit la même, les nouvelles données nécessiteront des efforts supplémentaires pour améliorer le modèle afin de suivre la meilleure qualité des données les plus récentes, a déclaré To.

"Cette analyse est vraiment excitante", a déclaré Wechsler. "Je m'attends à ce qu'il établisse une nouvelle norme dans la façon dont nous sommes capables d'analyser les données et d'en apprendre davantage sur l'énergie noire à partir de grandes enquêtes, non seulement pour le DES, mais aussi dans l'attente des données incroyables que nous obtiendrons de l'enquête Legacy de l'observatoire Vera Rubin de l'Espace et du Temps dans quelques années."


La mission romaine de la NASA pour sonder les secrets cosmiques à l'aide d'étoiles qui explosent

Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA

Le prochain télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA verra des milliers d'étoiles exploser appelées supernovae à travers de vastes étendues de temps et d'espace. À l'aide de ces observations, les astronomes visent à mettre en lumière plusieurs mystères cosmiques, offrant une fenêtre sur le passé lointain et le présent brumeux de l'univers.

L'étude de la supernova de Roman aidera à clarifier les mesures contradictoires de la vitesse à laquelle l'univers s'étend actuellement, et fournira même un nouveau moyen de sonder la distribution de la matière noire, qui n'est détectable que par ses effets gravitationnels. L'un des principaux objectifs scientifiques de la mission consiste à utiliser des supernovae pour aider à cerner la nature de l'énergie noire, la pression cosmique inexpliquée qui accélère l'expansion de l'univers.

Le plus grand mystère de l'espace

"L'énergie noire constitue la majorité du cosmos, mais nous ne savons pas vraiment ce que c'est", a déclaré Jason Rhodes, chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. "En réduisant les explications possibles, Roman pourrait révolutionner notre compréhension de l'univers - et l'énergie noire n'est qu'un des nombreux sujets que la mission explorera!"

Roman utilisera plusieurs méthodes pour enquêter sur l'énergie noire. L'une consiste à sonder le ciel à la recherche d'un type spécial d'étoile qui explose, appelée supernova de type Ia.

De nombreuses supernovae se produisent lorsque des étoiles massives manquent de carburant, s'effondrent rapidement sous leur propre poids, puis explosent à cause de fortes ondes de choc qui se propulsent hors de leur intérieur. Ces supernovae se produisent environ une fois tous les 50 ans dans notre galaxie de la Voie lactée. Mais les preuves montrent que les supernovae de type Ia proviennent de certains systèmes d'étoiles binaires qui contiennent au moins une naine blanche, le petit noyau chaud résiduel d'une étoile semblable au Soleil. Les supernovae de type Ia sont beaucoup plus rares, se produisant environ une fois tous les 500 ans dans la Voie lactée.

Dans certains cas, le nain peut siphonner du matériel de son compagnon. Cela déclenche finalement une réaction d'emballement qui fait exploser le voleur une fois qu'il atteint un point spécifique où il a gagné tellement de masse qu'il devient instable. Les astronomes ont également trouvé des preuves soutenant un autre scénario, impliquant deux naines blanches qui spiralent l'une vers l'autre jusqu'à ce qu'elles fusionnent. Si leur masse combinée est suffisamment élevée pour entraîner une instabilité, elles peuvent également produire une supernova de type Ia.

Ces explosions culminent à une luminosité intrinsèque similaire connue, faisant des supernovae de type Ia ce qu'on appelle des bougies standard - des objets ou des événements qui émettent une quantité spécifique de lumière, permettant aux scientifiques de trouver leur distance avec une formule simple. Pour cette raison, les astronomes peuvent déterminer à quelle distance se trouvent les supernovae en mesurant simplement leur luminosité.

Cette illustration montre une naine blanche accrétant de la matière à partir d'une étoile compagne. Une fois que la naine blanche atteint un point de basculement de masse spécifique, elle explose en tant que supernova de type Ia. Crédit : Laboratoire d'images conceptuelles du Goddard Space Flight Center de la NASA

Les astronomes utiliseront également Roman pour étudier la lumière de ces supernovae afin de déterminer à quelle vitesse elles semblent s'éloigner de nous. En comparant la vitesse à laquelle ils reculent à différentes distances, les scientifiques traceront l'expansion cosmique au fil du temps. Cela nous aidera à comprendre si et comment l'énergie noire a changé tout au long de l'histoire de l'univers.

"À la fin des années 1990, les scientifiques ont découvert que l'expansion de l'univers s'accélérait en utilisant des dizaines de supernovae de type Ia", a déclaré Daniel Scolnic, professeur adjoint de physique à l'Université Duke de Durham, en Caroline du Nord, qui aide à concevoir l'enquête sur les supernovas de Roman. . "Roman les trouvera par milliers, et bien plus loin que la majorité de ceux que nous avons vus jusqu'à présent."

Les précédents relevés de supernova de type Ia se sont concentrés sur l'univers relativement proche, en grande partie en raison des limitations des instruments. La vision infrarouge de Roman, son champ de vision gigantesque et sa sensibilité exquise étendront considérablement la recherche, écartant suffisamment les rideaux cosmiques pour permettre aux astronomes de repérer des milliers de supernovae distantes de type Ia.

La mission étudiera en détail l'influence de l'énergie noire sur plus de la moitié de l'histoire de l'univers, alors qu'il avait entre quatre et 12 milliards d'années. L'exploration de cette région relativement peu sondée aidera les scientifiques à ajouter des pièces cruciales au puzzle de l'énergie noire.

"Les supernovae de type Ia sont parmi les sondes cosmologiques les plus importantes dont nous disposons, mais elles sont difficiles à voir quand elles sont loin", a déclaré Scolnic. "Nous avons besoin de mesures extrêmement précises et d'un instrument incroyablement stable, ce qui est exactement ce que Roman fournira."

Hubble brouhaha constant

En plus de fournir un recoupement avec les autres relevés d'énergie noire de la mission, les observations de supernova de type Ia de Roman pourraient aider les astronomes à examiner un autre mystère. Des divergences continuent d'apparaître dans les mesures de la constante de Hubble, qui décrit la vitesse à laquelle l'univers s'étend actuellement.

Les prédictions basées sur les données de l'univers primitif, d'environ 380 000 ans après le big bang, indiquent que le cosmos devrait actuellement s'étendre à environ 42 miles par seconde (67 kilomètres par seconde) pour chaque mégaparsec de distance (un mégaparsec est d'environ 3,26 millions d'années-lumière ). Mais les mesures de l'univers moderne indiquent une expansion plus rapide, entre environ 43 à 47 miles par seconde (70 à 76 kilomètres par seconde) par mégaparsec.

Roman vous aidera en explorant différentes sources potentielles de ces écarts. Certaines méthodes pour déterminer à quelle vitesse l'univers s'étend maintenant reposent sur des supernovae de type Ia. Bien que ces explosions soient remarquablement similaires, c'est pourquoi elles sont des outils précieux pour mesurer les distances, de petites variations existent. L'enquête approfondie de Roman pourrait améliorer leur utilisation en tant que bougies standard en nous aidant à comprendre les causes des variations.

La mission devrait révéler comment les propriétés des supernovae de type Ia changent avec l'âge, car elle les examinera à travers une si vaste étendue de l'histoire cosmique. Roman repérera également ces explosions à divers endroits dans leurs galaxies hôtes, ce qui pourrait offrir des indices sur la façon dont l'environnement d'une supernova modifie son explosion.

Illuminer la matière noire

Dans un article de 2020, une équipe dirigée par Zhongxu Zhai, associé de recherche postdoctorale à Caltech/IPAC à Pasadena, en Californie, a montré que les astronomes pourront glaner encore plus d'informations cosmiques à partir des observations de supernova de Roman.

"Roman devra regarder à travers d'énormes étendues de l'univers pour voir des supernovae lointaines", a déclaré Yun Wang, chercheur principal à Caltech/IPAC et co-auteur de l'étude. "Beaucoup de choses peuvent arriver à la lumière lors de si longs voyages dans l'espace. Nous avons montré que nous pouvons en apprendre beaucoup sur la structure de l'univers en analysant comment la lumière des supernovae de type Ia a été courbée lorsqu'elle a traversé la matière intermédiaire."

Tout ce qui a de la masse déforme le tissu de l'espace-temps. La lumière se déplace en ligne droite, mais si l'espace-temps est courbé, ce qui se produit à proximité d'objets massifs, la lumière suit la courbe. Lorsque nous examinons les supernovae distantes de type Ia, l'espace-temps déformé autour de la matière intermédiaire, telle que des galaxies individuelles ou des amas de matière noire, peut amplifier la lumière de l'explosion plus lointaine.

En étudiant cette lumière amplifiée, les scientifiques auront une nouvelle façon de sonder comment la matière noire est regroupée dans l'univers. En savoir plus sur la matière qui compose le cosmos aidera les scientifiques à affiner leur modèle théorique de l'évolution de l'univers.

En traçant le comportement de l'énergie noire à travers l'histoire cosmique, en se concentrant sur la façon dont l'univers se développe aujourd'hui et en fournissant plus d'informations sur la mystérieuse matière noire, la mission romaine fournira une avalanche de données aux astronomes cherchant à résoudre ces problèmes et d'autres de longue date. Avec sa capacité à aider à résoudre tant de mystères cosmiques, Roman sera l'un des outils les plus importants pour étudier l'univers que nous ayons jamais construit.

Le télescope spatial romain Nancy Grace est géré au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, avec la participation du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de Caltech/IPAC en Californie du Sud, du Space Telescope Science Institute de Baltimore et d'équipes scientifiques composées de scientifiques de diverses recherches. établissements.


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