question sur cette théorie avancée de l'avenir d'un univers en expansion à l'infini

[equilibroid]

bonjour, je suis nouveau. Veuillez donc m'excuser d'avance si mon post ne répond pas aux exigences voulues pour ce forum.

La seconde théorie de l'expansion de l'univers, celle d'un big crunch ayant été balayée par le calcul de la masse critique de nos scientifiques, je vais me retourner alors sur cette principale théorie d'un univers en expansion à l'infini qui, selon certaines affirmations, finirait dans un temps très lointain par se disloquer à force d'être de plus en plus "froid (toujours supérieur à >3 kelvin ?) et vide de matière". Or il me semblait que l'on parlait bien au prime abord de matières structurées: amas d'étoiles, nombres de galaxies en formation ou même de naissances d'étoiles puisque il s'agirait simplement d'une expansion du vide sidéral qui ne viserait en rien la structure de la matière elle même comme un nuage de poussière s'éparpillerait ? Est-il possible qu'au final cela ait une incidence au niveau atomique (rayon, composition même du noyau comme le ferait une fusion/fission voir un processus qui va au delà ? ... et comment ? Et dans le cas ou cela serait et, à priori donc, dans une évolution toute progressive de cette expansion, bien qu'exponentielle, est-ce que donc la modification atomique s'opérerait déjà (infiniment lentement, il s'en va s'en dire) à notre échelle de temps. En espérant ne pas avoir été trop confus dans l'exposé de ma question.
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[Deedee81]

Bonjour equilibroid. Bienvenue sur Futura,

Non, ça va pour ta question. Un peu confus, oui, mais ça reste compréhensible

Il est difficile de prédire l'avenir de l'univers à très longue échéance. Il y a trop d'incertitudes. Mais on peu certainement dégager quelques scénarios probables.

- Si l'accélération de l'univers est bien là (il y a brusquement un doute, va y avoir une actu là-dessus) alors il se peut qu'on ait un scénario de big rip : dans X milliards d'années, l'expansion deviendrait tellement violente que même les atomes seraient pulvérisés et éparpillés aux quatre vents.
- Sinon, l'univers va simplement se vide jusqu'à ce qu'il ne reste plus que notre amas local (galaxies proches) dans un univers très vide. Puis les étoiles vont s'éteindre. Et il ne restera plus que des corps morts. Reste deux cas possibles.
-- Si le proton est instable, tout ce qui reste dans des milliards de milliards de ... bcp .... milliards d'années sera des photons, des neutrinos qui se dispersent....
-- Sinon, la fusion spontanée (mais qui peut prendre des milliards de milliards.... bcp .... milliards d'années) va tout transformer en fer, sauf les trous noirs évidement. Puis l'érosion spontanée va progressivement transformer tout ça en poussière de fer dispersée aux quatre vents. Et les trois noirs mettrons encore plus de temps à doucement s'évaporer, essentiellement en photons et neutrinos qui eux aussi entreront dans la nuit éternelle sans un cri.

Ca reste malgré tout très très très spéculatif.

[Bluedeep]

Bonjour Deedee81

- Si l'accélération de l'univers est bien là alors il se peut qu'on ait un scénario de big rip
- Si le proton est instable, tout ce qui reste dans des milliards de milliards de ... bcp .... milliards d'années sera des photons, des neutrinos qui se dispersent.....

Dans l'hypothèse où ces deux propositions seraient vraies, quel événement se produirait en premier ? le big rip ou la "désagrégation" de la matière ?

[Quarkonium]

Salut,

Petite précision : si je ne me trompe pas, pour avoir un scénario de Big Rip, il faut que le facteur d'échelle tende vers l'infini sur une durée finie. Cela nécessite une énergie sombre de type énergie fantôme, c'est-à-dire telle que la densité d'énergie augmente avec l'expansion (imagine que tu mets de l'eau dans ton pastis, et qu'à la fin tu obtiens un pastis encore plus corsé ).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Bluedeep]

imagine que tu mets de l'eau dans ton pastis, et qu'à la fin tu obtiens un pastis encore plus corsé ).

Contre-intuitif mais économique

[curieuxdetempsaautre]

une petite question, l'expansion de l'univers nous dilate aussi je suppose, ou bien?

[papy-alain]

une petite question, l'expansion de l'univers nous dilate aussi je suppose, ou bien?

Non. L'expansion n'éloigne que les objets qui ne sont pas (ou très peu) liés par la gravitation.
L'effet de l'expansion est annulé au sein des galaxies et des amas galactiques.

[equilibroid]

pourquoi cela ?

[equilibroid]

l'expansion de l'univers ne serait donc pas en tout point de celui-ci ?
est-ce juste une histoire de relative fuite d'objets en interaction dans un univers rayonnant. Qu'entend t'on par "l'univers se dilate" au juste ?

[Deedee81]

Salut,

Dans l'hypothèse où ces deux propositions seraient vraies, quel événement se produirait en premier ? le big rip ou la "désagrégation" de la matière ?

Je pense que les deux sont possibles. On n'en sait rien en fait !

l'expansion de l'univers ne serait donc pas en tout point de celui-ci ?
est-ce juste une histoire de relative fuite d'objets en interaction dans un univers rayonnant. Qu'entend t'on par "l'univers se dilate" au juste ?

Ca signifie que les galaxies s'éloignent les unes des autres (je n'ai jamais aimé le "c'est l'espace qui se dilate").

Pour le fait que l'expansion n'agit pas à l'échelle des amas, etc... c'est dû au fait que ces systèmes sont liés par la gravitation.

Je le décrit souvent comme suit, avec une analogie (et ça reste une analogie, en particulier elle devient fausse dans le régime des champs forts de la relativité générale et donc en cas d'expansion "explosive", le Big Rip).
Supposons que tu jette une pierre en l'air = la naissance de l'univers.
Elle va s'éloigner progressivement vers le haut = l'expansion
Puis elle va retomber si elle ne va pas assez vite = Big Crunch
Soit elle va continuer si sa vitesse était supérieure à la vitesse d'évasion = Big Bang éternel (*)
(*) C'est le scénario privilégié par le Modèle Standard au vu des paramètres relevés. Dans le cas de l'univers le paramètre critique n'est pas la vitesse d'évasion mais la densité moyenne de matière et énergie.

Considérons maintenant une variante.
Tu lâches deux pierres successivement. Elle s'éloignent l'une de l'autre = l'expansion
Maintenant tu attaches les pierres par une corde = gravité qui lie deux galaxies
Sous l'éloignement la corde se tend et les pierres tombent à la même vitesse = les galaxies sont liées par la gravité et ne s'éloignent pas sous l'expansion
Si la corde est supprimée les pierres continuent à tomber à la même vitesse sans s'éloigner l'une de l'autre = l'expansion n'agit pas sur les systèmes liés même si ce n'est pas aussi rigide qu'une corde

Ca reste une analogie, assez grossière, et avec toutes les limites afférentes aux analogies (**). Mais ça montre assez bien ce qui se passe il me semble.
(**) En particulier ne pas les pousser au-delà de leurs limites sans vérifier qu'elles continuent à coller aux équations du phénomène réel.

[mach3]

l'expansion de l'univers ne serait donc pas en tout point de celui-ci ?
est-ce juste une histoire de relative fuite d'objets en interaction dans un univers rayonnant. Qu'entend t'on par "l'univers se dilate" au juste ?

En relativité générale, on prédit l'expansion de l'univers en faisant l'hypothèse qu'il contient un fluide continu, uniforme, homogène, isotrope, bref le même partout dans toutes les directions. On obtient alors la fameuse métrique de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW), qui, mis à part pour un réglage très fin des paramètres décrivant le "fluide", conduit à un univers en expansion ou en contraction.
Si on regarde dans notre voisinage local, ou même à l'échelle d'un amas de galaxie, l'univers n'est ni homogène, ni isotrope. Cette portion locale de l'univers n'est donc pas décrite par une métrique de type FLRW. La métrique dans cette portion n'implique pas d'expansion a priori (et même, plutôt une contraction très lente, par émission d'onde gravitationnelles).
Il faut regarder l'univers à une échelle beaucoup plus grande, une échelle où il parait effectivement homogène et isotrope, pour que la métrique FLRW le décrive correctement et implique donc une expansion ou une contraction de l'ensemble (l'observation montrant qu'il s'agit d'une expansion).
En pratique ce sont les grands vides entre amas de galaxie qui grandissent, les amas gardant leur taille et leur structure.

m@ch3

[Amanuensis]

En pratique ce sont les grands vides entre amas de galaxie qui grandissent, les amas gardant leur taille et leur structure.

Ce n'est pas intrinsèque il me semble. Pour toute "structure liée" il y a une limite maximale au taux d'expansion auquel la structure "résiste". Je vois cela (peut-être erronément) comme similaire à la limite de Roche, la similarité étant profonde: dans les deux cas il s'agirait d'effets de marée. Le taux d'expansion devrait alors pouvoir se traduire en un effet de marée dont l'ampleur serait croissante avec le taux d'expansion. Pour un système lié et une expansion en-dessous de sa "limite de Roche", l'expansion n'est pas "sensible", mais au-dessus le système se "pulvérise". Et pour le moment les amas de galaxies ont une "limite" plus haute que le taux d'expansion actuel.

Par ailleurs cette approche montrerait que ni la notion de distance qui augmente, ni la notion de "espace qui se dilate" ne sont satisfaisantes (car on ne les emploie pas pour les effets de marée "usuels" et la limite de Roche): c'est plutôt quelque chose en rapport avec la divergence des mouvements de chute libre, mais je ne sais pas l'exprimer mieux. Cette divergence apparaît dans les deux cas (expansion et chute vers une masse centrale), tout en ayant des caractéristiques différentes (volume croissant dans un cas, constant dans l'autre, par exemple).

[papy-alain]

Concrètement, c’est à l’échelle du superamas que l’expansion commence à se faire sentir.
Un ensemble de corps liés mutuellement par la gravité n’est pas en expansion si l’attraction mutuelle est assez forte pour résister. C’est le cas dans les amas de galaxies.
Par contre, la force gravitationnelle qui lie les amas entre eux n’est pas suffisamment puissante et l’expansion va donc se faire sentir. (L’amas de la Vierge s’éloigne du Groupe Local à 1250 kilomètres par seconde et l’amas de Coma à 6700 kilomètres par seconde.)
Les amas s’éloignent donc lentement les uns des autres et la taille des superamas augmente avec le temps.

[mach3]

Un ensemble de corps liés mutuellement par la gravité n’est pas en expansion si l’attraction mutuelle est assez forte pour résister. C’est le cas dans les amas de galaxies.
Par contre, la force gravitationnelle qui lie les amas entre eux n’est pas suffisamment puissante et l’expansion va donc se faire sentir.

je n'aime pas trop cette façon de voir les choses, avec la gravitation d'un coté et l'expansion de l'autre : ce ne sont pas deux phénomènes différents qui se compensent ou pas, c'est un seul et unique phénomène, la déviation géodésique causée par la courbure de l'espace-temps (tenseur de Riemann). L'expansion, c'est de la gravitation.

On peut essayer de séparer les deux artificiellement, en considérant que la RG c'est Newton + un autre truc, mais ça n'éclaire pas sur le sens physique, ce n'est qu'une attitude "desespérée" pour rester accrocher à la physique classique connue et rassurante.

m@ch3

[Deedee81]

Salut,

Mach3, je suis d'accord avec ce que tu dis, mais sans cette séparation artificielle, c'est assez difficile à vulgariser "grand public". Ceci dit, si on me montre le contraire, j'en serais enchanté.

[mach3]

sans cette séparation artificielle, c'est assez difficile à vulgariser "grand public"

ben oui, mais le risque c'est que le vulgarisé passe complétement à coté des concepts.

m@ch3

[Amanuensis]

Un avantage de la "séparation", c'est que c'est une extension "naturelle" du cas des systèmes liés par électro-magnétisme (ou autres interactions non gravitationnelles).

Dans ce cas la séparation est justifiée (!), et le cas des systèmes liés par gravitation est "des deux côtés" ; les traiter avec les systèmes liés par l'électromagnétisme a bien un certain sens.

Mais la séparation entre phénomènes gravitationnels reste artificielle néanmoins. Ce pourquoi le rapprochement avec les forces de marée me paraît intéressant (et susceptible d'aider pour la vulgarisation), et j'aimerais bien soit arriver à poursuivre cette piste, soit trouver une référence que le fait...

[pascelus]

je n'aime pas trop cette façon de voir les choses, avec la gravitation d'un coté et l'expansion de l'autre : ce ne sont pas deux phénomènes différents qui se compensent ou pas, c'est un seul et unique phénomène, la déviation géodésique causée par la courbure de l'espace-temps (tenseur de Riemann). L'expansion, c'est de la gravitation.

Merci pour cette explication, édifiante.

Pourrait-on vulgariser cela en imageant l'espace-temps soumis à la gravitation comme étant un tissus "contracté" par des masses, et donc loin de toute masse, au contraire, dilaté par "compensation"?

D'autre part doit-on imaginer que l'accélération de l'expansion puisse aussi être étroitement liée à la gravitation ou faut-il introduire cette mystérieuse "énergie noire" séparée?

[Amanuensis]

D'autre part doit-on imaginer que l'accélération de l'expansion puisse aussi être étroitement liée à la gravitation ou faut-il introduire cette mystérieuse "énergie noire" séparée?

?? L'introduction de l'énergie noire est étroitement liée à la gravitation pour modéliser l'accélération de l'expansion.

[yves95210]

D'autre part doit-on imaginer que l'accélération de l'expansion puisse aussi être étroitement liée à la gravitation ou faut-il introduire cette mystérieuse "énergie noire" séparée?

?? L'introduction de l'énergie noire est étroitement liée à la gravitation pour modéliser l'accélération de l'expansion.

Bonjour,
la réponse n'est pas si catégorique. Suivant qu'on place le terme Λ à gauche ou à droite (avec un signe négatif) dans l'équation d'Einstein, on peut "imaginer que l'accélération de l'expansion [est] étroitement liée à la gravitation" ou on peut l'interpréter comme une densité d'énergie.

Le premier choix revient à dire qu'il s'agit d'une propriété fondamentale de l'univers, qui rend l'équation d'Einstein un peu moins élégante - mais comme, au-delà de cette équation, on ne sait pas comment la présence d'une densité de masse-énergie crée la géométrie de l'espace-temps, rien n'interdit de penser que la constante cosmologique fait partie de ce "comment". En fait, mathématiquement, c'est plutôt l'absence de cette constante (ou plutôt le fait que sa valeur soit nulle) qui serait un cas particulier. Dans un univers hypothétique où la constante cosmologique serait nulle, cela demanderait à être justifié physiquement tout autant que sa valeur observée dans notre univers, qui n'est qu'un autre cas particulier. Sauf que dans cet univers là, les physiciens ne se seraient peut-être même pas posé la question.

Le deuxième choix (densité d'énergie) incite à rechercher quelle pourrait en être la source, et penser celle-ci comme une sorte de fluide de densité constante et de pression négative. D'où l'hypothèse de l'énergie du vide, séduisante, mais qui dans l'état actuel des connaissances, conduit à une catastrophe en termes d'ordre de grandeur.
Tant qu'on ne disposera pas d'une théorie permettant d'expliquer comment le vide produit une densité de pression de l'ordre de grandeur observé, le premier choix me semble plus économique.

[pascelus]

Merci beaucoup pour la clarté de cette réponse.

Si j'ai bien compris, est-il correct d'en déduire que dans le cas "premier choix", ce serait donc la métrique de l'univers qui serait modifiée, alors que dans le "deuxième choix" cela pourrait être un éloignement physique des galaxies mais dans la meme métrique? Autrement dit le premier choix serait directement un effet RG alors que pas forcément le second? (en fait c'est le mot "pression" qui peut semer le trouble. On imagine plus une force répulsive qu'un facteur déformant l'espace-temps.)

(mais la réponse d'Amanuensis fait comprendre que les deux choix doivent avoir exactement le meme effet, celui des observations, un espace qui se dilate et pas qui grandit)

[yves95210]

Si on reste dans le strict cadre de la RG (sans faire appel à un autre domaine de la physique), l'équation reste la même, et garde les mêmes solutions, qu'on place la constante cosmologique dans le membre de gauche ou dans celui de droite. La métrique est donc la même.

Ce n'est donc qu'un choix d'interprétation (ne modifiant pas la théorie), tant qu'on n'a pas de certitude sur l'existence de "quelque-chose", se comportant comme un fluide de densité uniforme dans l'espace et constante (ou pas?) dans le temps, qui pourrait être à l'origine du terme Λ placé à droite de l'équation d'Einstein.
Tout ce que prouvent les observations aujourd'hui, c'est qu'on ne peut pas se passer de ce terme, et qu'on sait en estimer la valeur avec une assez bonne précision. Mais elles ne donnent pas d'indication sur son origine physique. En tout cas, je ne vois pas comment elles pourraient démontrer qu'il s'agit de l'énergie du vide, telle qu'elle peut être quantifiée selon la TQC. Une nouvelle théorie (gravitation quantique, théorie des cordes ?) le permettra peut-être, mais je suis loin d'avoir les compétences nécessaires pour avoir un avis sur la question.

[papy-alain]

Si on ne connaît pas la nature physique de la cause de l'expansion, comment peut on dire l'expansion c'est de la gravitation ???

[yves95210]

Si on ne connaît pas la nature physique de la cause de l'expansion, comment peut on dire l'expansion c'est de la gravitation ???

On parle de l'accélération de l'expansion.
La gravitation est bien la cause de l'expansion, depuis Einstein, Friedmann, Lemaître etc.
Quant à son accélération, la question de sa cause reste ouverte, au moins tant qu'on ne dispose pas d'une théorie permettant de faire coller l'énergie du vide avec la valeur de la constante cosmologique.

[equilibroid]

je vous remercie de vos réponses. Je crois mieux comprendre le phénomène par rapport aux dernières réponses lorsque vous avez parlé de courbure de l'espace-temps qui créerait cette "dilatation de l'espace". J'avais complètement oublié qu'on était alors à une autre échelle... et donc pourquoi cela agit à ce niveau et pas dans un encadrement plus restreint. C'est alors en quelque sorte un effet d'éloignement naturel et non influencé par une quelconque force, ni par une réelle dilatation, juste par la courbure naturelle. Comme pour ces arcs gravitationnels, cette croix d'Einstein qui l'a rendu physiquement observable.
Par contre il y a bien une tension qui peut alors s'exercer (mais très minime) sur les objets en interaction plus localement ?. Est-ce que cela se traduit par une modification dans l'équilibre d'un système locale et isolé, lequel serait négligeable ou bien il n'y a alors réellement aucune influence de cette composante d'expansion au niveau des systèmes localement liés ?

[equilibroid]

il y a quand même une force oui, courbure générale indirectement causée par la gravité massive des objets composant l'univers jusqu'alors pour être précis. ai-je bien compris ou ?

[mach3]

Dans le cas sans accélération de l'expansion, il n'y a, a priori, aucune expansion au sein de systèmes liés. Par exemple près d'une étoile la métrique est celle de Schwarzschild en bonne approximation et de cette métrique peuvent résulter des orbites stables (aux pertes par OG près).
Par contre, si il y a accélération, c'est qu'il y a un terme en plus dans l'equation d'einstein (à gauche ou à droite selon les affinités), un terme qui a un rôle répulsif.
De ce que je comprends, si constante cosmologique il y a, alors on n'obtient pas Schwarzschild près d'une étoile, car son établissement suppose un tenseur énergie-impulsion nul dans le vide, impliquant un tenseur d'einstein nul dans le vide.
L'expansion doit donc se manifester même dans un système lié. Cela reste négligeable, par exemple pour le système solaire ou une galaxie. Dans les scénarios type big rip, cela devient significatif au bout d'un certain temps dans le futur...

m@ch3

[Amanuensis]

Dans le cas sans accélération de l'expansion, il n'y a, a priori, aucune expansion au sein de systèmes liés.

Pas général, il me semble.

De ce que je comprends, si constante cosmologique il y a, alors on n'obtient pas Schwarzschild près d'une étoile, car son établissement suppose un tenseur énergie-impulsion nul dans le vide, impliquant un tenseur d'einstein nul dans le vide.

Je le comprends différemment, même si les conséquences sont les mêmes:

C'est spécifique. La constante cosmologique agit "partout", est un terme homogène. La même chose s'applique au terme "rayonnement" quand le CMB en est le terme dominant. Mais ce n'est pas le cas du terme de masse. Pour ce dernier on va considérer que localement il est entièrement dans la masse de l'étoile. Si le terme de rayonnement est négligeable, et sans constante cosmologique, on n'a pas localement de terme de "fluide" homogène.

Ce n'est pas l'accélération en elle-même qui implique aucune expansion au sein des systèmes liés, car on aurait la même conséquence sans accélération mais avec un terme dominant dû à un rayonnement homogène.

Le raisonnement développé devient:

Accélération => terme répulsif, puis, par hypothèse supplémentaire le terme répulsif est une constante cosmologique et donc homogène à petite échelle => on doit la prendre en compte dans la métrique locale même quand la matière n'est pas homogène.