Au début du XXe siècle, un jeune scientifique du nom d'Albert Einstein s'est penché sur les propriétés de la lumière et de la masse et sur leurs relations. Le résultat de ses réflexions fut la théorie de la relativité. Son travail a changé la physique et l'astronomie modernes d'une manière qui se fait encore sentir aujourd'hui. Chaque élève étudie sa célèbre équation E=MC2 pour comprendre comment la masse et l'énergie sont liées. C'est l'un des faits fondamentaux de l'existence du cosmos.
Qu'est-ce que la constante cosmologique ?
Aussi profondes que soient les équations d'Einstein pour la relativité générale, elles présentaient un problème. Il a cherché à expliquer comment la masse et la lumière existent dans l'univers, comment leur interaction peut conduire à un univers statique (c'est-à-dire non en expansion). Malheureusement, ses équations prédisaient qu'il se contracterait ou se dilaterait, et continuerait à le faire pour toujours, mais finirait par atteindre un point où il se contracterait.
Ça ne lui convenait pas, alors Einstein a dû lui expliquer comment maintenir la gravité,pour expliquer l'univers statique. Après tout, la plupart des physiciens et astronomes de son temps supposaient simplement que c'était le cas. Einstein a donc inventé le facteur Fudge, appelé la "constante cosmologique", qui a ordonné les équations et a abouti à un univers qui ne se dilate ni ne se contracte. Il a inventé le signe "lambda" (lettre grecque), désignant la densité d'énergie dans le vide de l'espace. Il contrôle l'expansion, et son manque arrête ce processus. Il fallait maintenant un facteur pour expliquer la théorie cosmologique.
Comment calculer ?
Albert Einstein a présenté la première version de la théorie de la relativité générale (RG) au public le 25 novembre 1915. Les équations originales d'Einstein ressemblaient à ceci:
Dans le monde moderne, la constante cosmologique est:
Cette équation décrit la théorie de la relativité. En outre, une constante est également appelée membre lambda.
Les galaxies et l'univers en expansion
La constante cosmologique n'a pas arrangé les choses comme il l'avait prévu. En fait, cela a fonctionné, mais seulement pendant un certain temps. Le problème de la constante cosmologique n'a pas été résolu.
Cela a continué jusqu'à ce qu'un autre jeune scientifique, Edwin Hubble, fasse une observation approfondie d'étoiles variables dans des galaxies lointaines. Leur scintillement a révélé les distances à ces structures cosmiques et plus encore.
Le travail de Hubble a démontrénon seulement que l'univers comprenait de nombreuses autres galaxies, mais il s'est avéré qu'il était en expansion, et maintenant nous savons que le rythme de ce processus change avec le temps. Cela a largement réduit la constante cosmologique d'Einstein à zéro, et le grand scientifique a dû réviser ses hypothèses. Les chercheurs ne l'ont pas complètement abandonné. Cependant, Einstein a qualifié plus tard l'ajout de sa constante à la relativité générale de la plus grande erreur de sa vie. Mais est-ce ?
Nouvelle constante cosmologique
En 1998, une équipe de scientifiques travaillant avec le télescope spatial Hubble, étudiant les supernovae lointaines, a remarqué quelque chose de complètement inattendu: l'expansion de l'univers s'accélère. De plus, le rythme du processus n'est pas celui auquel ils s'attendaient et l'a été par le passé.
Étant donné que l'univers est rempli de masse, il semble logique que l'expansion ralentisse, même si elle était si petite. Ainsi, cette découverte semblait contredire ce que prédisaient les équations et la constante cosmologique d'Einstein. Les astronomes n'ont pas compris comment expliquer l'accélération apparente de l'expansion. Pourquoi, comment cela se passe-t-il ?
Réponses aux questions
Pour expliquer l'accélération et les notions cosmologiques à ce sujet, les scientifiques sont revenus à l'idée de la théorie originale.
Leur dernière spéculation n'exclut pas l'existence de quelque chose appelé énergie noire. C'est quelque chose qui ne peut pas être vu ou ressenti, mais ses effets peuvent être mesurés. C'est la même chose que sombrematière: son effet peut être déterminé par la manière dont il affecte la lumière et la matière visible.
Les astronomes ne savent peut-être pas encore ce qu'est cette énergie noire. Cependant, ils savent que cela affecte l'expansion de l'univers. Pour comprendre ces processus, il faut plus de temps pour l'observation et l'analyse. Peut-être que la théorie cosmologique n'est pas une si mauvaise idée après tout ? Après tout, cela peut s'expliquer en supposant que l'énergie noire existe. Apparemment, c'est vrai et les scientifiques doivent chercher d'autres explications.
Que s'est-il passé au début ?
Le modèle cosmologique original d'Einstein était un modèle homogène statique avec une géométrie sphérique. L'effet gravitationnel de la matière provoqua une accélération de cette structure, qu'Einstein ne put expliquer, puisqu'à cette époque on ne savait pas que l'univers était en expansion. Par conséquent, le scientifique a introduit la constante cosmologique dans ses équations de la relativité générale. Cette constante est appliquée pour contrecarrer l'attraction gravitationnelle de la matière, et elle a donc été décrite comme l'effet anti-gravité.
Oméga Lambda
Au lieu de la constante cosmologique elle-même, les chercheurs font souvent référence à la relation entre la densité d'énergie qui lui est due et la densité critique de l'univers. Cette valeur est généralement notée comme suit: ΩΛ. Dans un univers plat, ΩΛ correspond à une fraction de sa densité d'énergie, qui s'explique également par la constante cosmologique.
Notez que cette définition est liée à la densité critique de l'époque actuelle. Elle évolue avec le temps, mais la densitél'énergie, due à la constante cosmologique, reste inchangée tout au long de l'histoire de l'univers.
Considérons plus en détail comment les scientifiques modernes développent cette théorie.
Preuve cosmologique
L'étude actuelle de l'univers en accélération est maintenant très active, avec de nombreuses expériences différentes couvrant des échelles de temps, des échelles de longueur et des processus physiques très différents. Un modèle CDM cosmologique a été créé, dans lequel l'Univers est plat et a les caractéristiques suivantes:
- densité d'énergie, qui représente environ 4 % de la matière baryonique;
- 23 % de matière noire;
- 73 % de la constante cosmologique.
Le résultat d'observation critique qui a amené la constante cosmologique à sa signification actuelle a été la découverte que les supernovae distantes de type Ia (0<z<1) utilisées comme bougies standard étaient plus faibles que prévu dans un univers en ralentissement. Depuis lors, de nombreux groupes ont confirmé ce résultat avec plus de supernovae et une gamme plus large de décalages vers le rouge.
Expliquons plus en détail. Les observations selon lesquelles les supernovae à redshift extrêmement élevé (z>1) sont plus brillantes que prévu sont particulièrement importantes dans la pensée cosmologique actuelle, ce qui est une signature attendue du temps de décélération menant à notre période d'accélération actuelle. Avant la publication des résultats de la supernova en 1998, il y avait déjà plusieurs sources de preuves qui ont ouvert la voie à une évolution relativement rapide.acceptation de la théorie de l'accélération de l'Univers à l'aide de supernovae. En particulier, trois d'entre eux:
- L'univers s'est avéré plus jeune que les étoiles les plus âgées. Leur évolution a été bien étudiée et leurs observations dans les amas globulaires et ailleurs montrent que les formations les plus anciennes ont plus de 13 milliards d'années. Nous pouvons comparer cela à l'âge de l'univers en mesurant son taux d'expansion aujourd'hui et en remontant à l'époque du Big Bang. Si l'univers ralentissait jusqu'à sa vitesse actuelle, alors l'âge serait inférieur à s'il accélérait jusqu'à sa vitesse actuelle. Un univers plat, composé uniquement de matière, aurait environ 9 milliards d'années, un problème majeur étant donné qu'il est plus jeune de plusieurs milliards d'années que les étoiles les plus anciennes. D'autre part, un univers plat avec 74% de la constante cosmologique aurait environ 13,7 milliards d'années. Donc, voir qu'elle accélère actuellement a résolu le paradoxe de l'âge.
- Trop de galaxies lointaines. Leur nombre a déjà été largement utilisé pour tenter d'estimer le ralentissement de l'expansion de l'Univers. La quantité d'espace entre deux redshifts diffère en fonction de l'historique d'expansion (pour un angle solide donné). En utilisant le nombre de galaxies entre deux décalages vers le rouge comme mesure du volume de l'espace, les observateurs ont déterminé que les objets distants semblent trop grands par rapport aux prédictions d'un univers en ralentissement. Soit la luminosité des galaxies ou leur nombre par unité de volume a évolué avec le temps de manière inattendue, soit les volumes que nous avons calculés étaient erronés. La matière en accélération pourraitexpliquerait les observations sans déclencher une théorie étrange de l'évolution des galaxies.
- La planéité observable de l'univers (malgré des preuves incomplètes). En utilisant des mesures des fluctuations de température dans le fond diffus cosmologique (CMB), depuis l'époque où l'univers avait environ 380 000 ans, on peut conclure qu'il est spatialement plat à quelques pour cent près. En combinant ces données avec une mesure précise de la densité de matière dans l'univers, il devient clair qu'elle n'a qu'environ 23% de la densité critique. Une façon d'expliquer la densité d'énergie manquante est d'appliquer la constante cosmologique. Il s'est avéré qu'une certaine quantité est simplement nécessaire pour expliquer l'accélération observée dans les données de supernova. C'était juste le facteur nécessaire pour rendre l'univers plat. Par conséquent, la constante cosmologique a résolu la contradiction apparente entre les observations de densité de matière et CMB.
À quoi ça sert ?
Pour répondre aux questions qui se posent, considérez ce qui suit. Essayons d'expliquer la signification physique de la constante cosmologique.
Nous prenons l'équation GR-1917 et mettons le tenseur métrique gab entre parenthèses. Par conséquent, à l'intérieur des parenthèses, nous aurons l'expression (R / 2 - Λ). La valeur de R est représentée sans indices - c'est la courbure scalaire habituelle. Si vous expliquez sur les doigts - c'est l'inverse du rayon du cercle / sphère. L'espace plat correspond à R=0.
Dans cette interprétation, une valeur non nulle de Λ signifie que notre Univers est courbépar lui-même, y compris en l'absence de toute gravité. Cependant, la plupart des physiciens ne le croient pas et pensent que la courbure observée doit avoir une cause interne.
Matière noire
Ce terme est utilisé pour la matière hypothétique dans l'univers. Il est conçu pour expliquer de nombreux problèmes avec le modèle cosmologique standard du Big Bang. Les astronomes estiment qu'environ 25% de l'univers est composé de matière noire (peut-être assemblée à partir de particules non standard telles que les neutrinos, les axions ou les particules massives à interaction faible [WIMP]). Et 70 % de l'Univers dans leurs modèles est constitué d'énergie noire encore plus obscure, ne laissant que 5 % à la matière ordinaire.
Cosmologie créationniste
En 1915, Einstein a résolu le problème de la publication de sa théorie générale de la relativité. Elle a montré que la précession anormale est une conséquence de la façon dont la gravité déforme l'espace et le temps et contrôle les mouvements des planètes lorsqu'elles sont particulièrement proches de corps massifs, là où la courbure de l'espace est la plus prononcée.
La gravité newtonienne n'est pas une description très précise du mouvement planétaire. Surtout quand la courbure de l'espace s'éloigne de la planéité euclidienne. Et la relativité générale explique presque exactement le comportement observé. Ainsi, ni la matière noire, dont certains ont suggéré qu'elle se trouvait dans un anneau de matière invisible autour du Soleil, ni la planète Vulcain elle-même, n'étaient nécessaires pour expliquer l'anomalie.
Conclusions
Au débutla constante cosmologique serait négligeable. Plus tard, la densité de la matière sera essentiellement nulle et l'univers sera vide. Nous vivons dans cette courte époque cosmologique où la matière et le vide sont d'une ampleur comparable.
Dans la composante matière, apparemment, il y a des contributions à la fois des baryons et d'une source non baryonique, les deux sont comparables (au moins, leur rapport ne dépend pas du temps). Cette théorie vacille sous le poids de son manque de naturel, mais franchit néanmoins la ligne d'arrivée bien avant la concurrence, tant elle cadre bien avec les données.
En plus de confirmer (ou de réfuter) ce scénario, le principal défi pour les cosmologistes et les physiciens dans les années à venir sera de comprendre si ces aspects apparemment désagréables de notre univers sont simplement des coïncidences étonnantes ou reflètent réellement la structure de base que nous ne comprends pas encore.
Si nous avons de la chance, tout ce qui semble contre nature maintenant servira de clé pour une compréhension plus profonde de la physique fondamentale.
