energie sombre et galaxies

[papyneo]

Bonjour,

Je pense ne pas me tromper en disant que l'univers est en expansion accélérée et cette accélération serait due à une énergie sombre.

3 questions:

1. Si c'est l’énergie sombre qui accélère l'expansion, en faisant cela elle perd de l’énergie. Donc, peut-on imaginer qu'à un moment il y aura un équilibre et que l'univers aura toujours une expansion mais sans accélération?

2. Pourquoi cette expansion accélérée est appliquée à l'univers et pas aux galaxies (les étoiles d'une même galaxie ne sont pas en expansion entre elles)

3. Il semble que cette énergie sombre ne soit pas répartie uniformément dans la galaxie. La découverte du great repeller prouve qu'il y a une accumulation d'énergie sombre d'un coté de la galaxie. D'où peut provenir cette grande concentration d'énergie sombre à un endroit plutôt qu'à un autre?

Merci
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[Deedee81]

Salut,

Je pense ne pas me tromper en disant que l'univers est en expansion accélérée et cette accélération serait due à une énergie sombre.
1. Si c'est l’énergie sombre qui accélère l'expansion, en faisant cela elle perd de l’énergie. Donc, peut-on imaginer qu'à un moment il y aura un équilibre et que l'univers aura toujours une expansion mais sans accélération?

A vrai dire on n'en sait rien. "L'énergie sombre", au sens stricto sensus de "énergie" n'est qu'un moyen de modéliser le phénomène (par exemple par une constante cosmologique qui a les dimensions d'une énergie). Tout dépend de sa nature et il y a des tonnes d'hypothèses. L'observation devra trancher... mais on en sait encore trop pe'u.

2. Pourquoi cette expansion accélérée est appliquée à l'univers et pas aux galaxies (les étoiles d'une même galaxie ne sont pas en expansion entre elles)

Réponse identique. Et d'ailleurs si l'effet existait au niveau galactique, par proportionnalité, ce serait infiniment trop faible pour être mesuré.

3. Il semble que cette énergie sombre ne soit pas répartie uniformément dans la galaxie. La découverte du great repeller prouve qu'il y a une accumulation d'énergie sombre d'un coté de la galaxie. D'où peut provenir cette grande concentration d'énergie sombre à un endroit plutôt qu'à un autre?

Là tu confonds avec la matière noire.

[Gilgamesh]

Bonjour,

Je pense ne pas me tromper en disant que l'univers est en expansion accélérée et cette accélération serait due à une énergie sombre.

C'est bien ça.

3 questions:

1. Si c'est l’énergie sombre qui accélère l'expansion, en faisant cela elle perd de l’énergie. Donc, peut-on imaginer qu'à un moment il y aura un équilibre et que l'univers aura toujours une expansion mais sans accélération?

La question de l'énergie sombre oblige à pénétrer dans une contrée étrange de la physique. Dans le modèle ΛCDM, l'énergie sombre est une constante cosmologique, c'est à dire que densité d'énergie associée (la quantité d'énergie contenue dans un volume unitaire d'espace) est constante pour cette forme d'énergie. Donc non seulement elle ne diminue pas, mais sa quantité totale augmente avec l'expansion.


Tu as 4 formes d'énergie dans l'univers, sur le plan de leur évolution avec l'expansion :

* la courbure : on se souvient qu'en relativité générale, la gravité s'identifie avec la courbure de l'espace temps. L'équation d'Einstein identifie le tenseur de courbure avec le contenu énergétique de l'univers. Mais ce qui complique la résolution de l'équation, c'est que la courbure elle même représente elle même une forme d'énergie. En d'autres termes, la gravité... gravite. La densité d'énergie associée est inversement proportionnel au facteur d'échelle.

ρ_k ~ a^-2

Toutefois, il se trouve que cette quantité est proche de zéro, à moins de 5% près, quand on la mesure aujourd'hui. Vu que cette densité d'énergie augmente quand l'univers rapetisse, il faut que sa valeur ait été extraordinairement proche de zéro dès l'origine. C'est ce qu'on appelle le problème de la courbure (un des principal fait d'observation motivant la théorie de l'inflation cosmique, qui aurait porté cette courbure à une valeur très proche de zéro en un temps extrêmement bref à un stade très précoce de l'histoire de l'univers). La courbure est donc négligée dans la suite du propos.

* l'énergie de masse des "poussières", le terme poussières représentant toute la matière dite baryonique (étoiles, planètes, gaz, etc) ainsi ici que la matière noire. En terme plus technique il s'agit de la composante non relativiste. Pour expliciter ça : on se souvient que l'énergie relativiste est donnée par l'addition de deux termes quadratiques :

E² = (mc²)² + (pc)²

Lors que l'énergie de masse mc² >> pc, avec p l'impulsion et c la vitesse de la lumière, la particule est non relativiste, lorsque c'est l'inverse elle est relativiste. La fraction non relativiste de l'énergie, celle de la masse au repos, est insensible à l'expansion. La fraction relativiste, celle de l'impulsion s'affaiblit avec l'expansion.

Si je double la taille de l'univers, je multiplie son volume par 2³=8 et la composante non relativiste formée par les poussières va se diluer dans ce plus grand volume mais la quantité totale (le produit de la densité par le volume) sera conservé. Soit ρ la densité d'énergie et a le facteur d'échelle de l'univers, le symbole ~ signifie "varie comme" :

ρ_m ~ a^-3

* le rayonnement : fond radio de l'univers, lumière stellaire... Essentiellement des photons, donc. On peut mettre les neutrinos avec. En terme plus technique il s'agit de la composante relativiste, cad de la fraction du contenu pour lequel E = pc (ou quasi pour les neutrinos). Cette composante se dilue comme la matière dans des volumes de plus en plus vastes mais il s'ajoute un terme de redshift. La longueur d'onde du rayonnement évolue comme le facteur d'échelle. Comme l'énergie d'un photon (son impulsion p) est inversement proportionnelle à la longueur d'onde, la densité d'énergie évolue comme 1/a³ (dilution en volume) * 1/a (diminution de l'impulsion) soit :

ρ_r ~ a^-4

* la constante cosmologique (ou énergie sombre) notée Λ (lambda). Dans le modèle standard de la cosmologie elle est de densité constante.

ρ_Λ ~ cte


Quand l'univers est petit, le rayonnement domine (ère radiative). En se refroidissant la matière prend le dessus (ère de matière). Puis c'est la constante cosmologique qui domine (ère de l'énergie sombre). Aujourd'hui la densité de l'univers provient à 0,74 de la cte cosmo et à 0,26 de la matière (et a seulement 0,05 la matière ordinaire).

Si tu fais le compte en intégrant sur le volume de l'univers :

* l'énergie de courbure est nulle,
* l'énergie de masse est constante,
* l'énergie du rayonnement s'affaiblit (elle passe de presque tout à presque rien)
*...et il y a toujours plus d'énergie du vide.

2. Pourquoi cette expansion accélérée est appliquée à l'univers et pas aux galaxies (les étoiles d'une même galaxie ne sont pas en expansion entre elles)

Imagine que tu place des particule-test (masse négligeable) au repos à différentes distances distances R d'une galaxie de masse M, pour voir ce qui va se passer : est ce que la particule va tomber vers le centre de la galaxie, ou est ce qu'elle va s'éloigner, entraînée par l'expansion de l'univers ?

Pour calculer ce qui va se passer, tu calcules pour commencer la vitesse de chute libre v_L à cette distance R.



Par ailleurs, la loi de Hubble nous dit que la vitesse de récession v_H d'une particule située à une distance R est proportionnelle à cette distance, le facteur de proportionnalité étant le taux d'expansion H₀ :



Ce sont deux vitesse antagoniste : l'une tend à éloigner, l'autre à rapprocher. Pour savoir à partir de quelle distance l'expansion va l'emporter sur la chute libre on pose :






En faisant l'hypothèse simplificatrice que la masse est répartie uniformément dans le volume R³



R définit un genre d'horizon : à cette distance il y a divergence. En deçà de cette distance, les corps se rapprochent, et plus ils se rapprochent, plus la vitesse de chute augmente. Au delà de cette distance, ils s'éloignent, plus ils s'éloignent, et plus ils sont éloignés, plus la vitesse d'éloignement augmente.

3. Il semble que cette énergie sombre ne soit pas répartie uniformément dans la galaxie. La découverte du great repeller prouve qu'il y a une accumulation d'énergie sombre d'un coté de la galaxie. D'où peut provenir cette grande concentration d'énergie sombre à un endroit plutôt qu'à un autre?

Le dipole repeller est une zone de sous-densité dont s'éloignent les galaxies situées à proximité. A l'origine de de ce phénomène, il n'y a aucune force de répulsion à proprement parler, c'est juste que la présence d'une vide contribue à faire apparaître une force résultante orientée vers l'extérieur de cette zone.

Dans le modèle actuel, Λ est un état du vide, et ce vide est le même partout (ce qui revient à dire que les lois de la Physique sont uniformes dans l'Univers). Donc en l'état, il n'est pas question de faire varier sa valeur.

[papyneo]

Donc non seulement elle ne diminue pas, mais sa quantité totale augmente avec l'expansion.

N'est ce pas le serpent qui se mord la queue: l’énergie sombre augmente avec l'expansion et cette energie augmente la vitesse d'expansion...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

N'est ce pas le serpent qui se mord la queue: l’énergie sombre augmente avec l'expansion et cette energie augmente la vitesse d'expansion...

C'est carrément miraculeux, oui

Et donc là tu te dis que ça viole joyeusement le principe de conservation de l'énergie. C'est pour ça que je parle de l'énergie du vide comme d'une contrée étrange de la physique.
Il semble toutefois que tout rentre dans l'ordre si on réalise un bilan d'énergie comptabilisant en positif cette énergie du vide et en négatif l'énergie gravitationnelle.

Voir ici l'explication qu'en donne A. Guth (au sujet de l'inflation, dont le mécanisme est exactement celui ci) :

How Does Inflation Work?

En particulier ce passage :
The increase in mass probably seems strange at first, because it sounds like a gross violation of the principle of energy conservation. Mass and energy are equivalent, so we are claiming that the energy of the matter within the patch increased by a colossal factor. The reason this is possible is that the conservation of energy has a sort of a loophole, which physicists have known at least since the 1930s,R. C. Tolman, Phys. Rev. 39, 320 (1932).but haven't talked about very much. Energy is always conserved; there are no loopholes to that basic statement. However, we normally think of energies as always being positive. If that were true, then the large amount of energy that we see in the universe could not possibly have gotten here unless the universe started with a lot of energy. However, this is the loophole: energies are not always positive. In particular, the energy of a gravitational field is negative. This statement, that the energy of a gravitational field is negative, is true both in the context of the Newtonian theory of gravity and also in the more sophisticated context of general relativity.

So, during inflation, total energy is conserved. As more and more positive energy (or mass) appears as the patch expands at constant density, more and more negative energy is simultaneously appearing in the gravitational field that fills the region. The total energy is constant, and it remains incredibly small because the negative contribution of gravity cancels the enormous positive energy of the matter. The total energy, in fact, could very plausibly be zero. It is quite possible that there is a perfect cancellation between the negative energy of gravity and the positive energy of everything else.

Je traduis grossièrement :

L'augmentation de l'énergie de l'univers semble violer le principe de conservation de l'énergie. Ce qui rend cela possible, c'est un genre de faille (loophole) dans le principe de conservation, connue depuis (Tolman, 1932) mais rarement discutée depuis. En fait l'énergie est bien conservée, le loup réside dans le fait que nous considérons généralement l'énergie comme une quantité toujours positive. Si c'était le cas, l'immense quantité que représente l'univers n'aurait pas pu apparaître. Mais il existe un façon de contourner la contrainte : l'énergie n'est pas toujours positive. En particulier l'énergie du champ de gravité est négative. C'est vrai aussi bien en relativité générale quand dans la théorie newtonienne classique. Ainsi, durant l'inflation de plus en plus d'énergie positive apparaît du fait de la croissance du vide, et simultanément une quantité équivalente d'énergie négative apparaît dans le champ gravitationnel qui remplit ces régions. L'énergie totale pourrait très bien être nulle, il est tout à fait possible que l'énergie positive que représente l'univers s'annule parfaitement avec l'énergie négative du champ gravitationnel.

[papyneo]

Ainsi, durant l'inflation de plus en plus d'énergie positive apparaît du fait de la croissance du vide, et simultanément une quantité équivalente d'énergie négative apparaît dans le champ gravitationnel qui remplit ces régions. L'énergie totale pourrait très bien être nulle, il est tout à fait possible que l'énergie positive que représente l'univers s'annule parfaitement avec l'énergie négative du champ gravitationnel.

Merci gilgamesh pour ces explications détaillées. Si je comprends bien, l'augmentation de l'énergie sombre due à l'expansion de l'univers serait compensée par une augmentation d'énergie négative gravitationnelle. Ce qui fait que le bilan énergétique serait nul. Que devient ce surplus d'énergie négative gravitationnelle?

[Gilgamesh]

Merci gilgamesh pour ces explications détaillées. Si je comprends bien, l'augmentation de l'énergie sombre due à l'expansion de l'univers serait compensée par une augmentation d'énergie négative gravitationnelle. Ce qui fait que le bilan énergétique serait nul. Que devient ce surplus d'énergie négative gravitationnelle?

Dans l'idée, il n'y a pas de surplus, puisque le bilan est nul.

Et si c'était le cas, l'énergie totale de l'univers serait négative... mmmh il me semble en bonne logique qu'on serait dans le cas d'un univers ouvert (courbure négative).

[papyneo]

Gilgamesh,

Je pense que j'ai mal exprimé ma pensée. Si le fait d'augmenter l'énergie positive sombre génère en même temps une énergie négative dans le champ gravitationnel, alors le bilan énergétique est nul mais les 2 énergies cohabitent puisque la première accélère l'expansion de l'univers. Alors que fait la deuxième? c'est dans ce sens là que je parle de surplus. C'est un surplus par rapport à l'énergie négative qu'il y avait avant l'accroissement.