je reviens sur l'inflation cosmique

[viiksu]

Bonjour,

Je n'arrive pas à faire un point correct sur cette théorie,
L'inflation cosmique n'est pas prouvée strictement néanmoins il y a des arguments en sa faveur: quels sont-ils?

J'en connais quelques uns :
La platitude de l'Univers visible mais pourquoi n'aurait'il pas été plat à l'origine?
L'homogénéité , l'isotropie, l'uniformité des températures mais pourquoi pas dès l'origine ?

Quelle est la solutions alternative à l'inflation pour expliquer un Univers indubitablement en expansion?

Merci
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[Deedee81]

Salut,

Je n'arrive pas à faire un point correct sur cette théorie,

Il ne faut pas parler de théorie dans la mesure où on ne connait pas du tout les causes de cette éventuelle inflation.
Il y a bien diverses théories spéculatives (inflaton, faux vides et brisures de symétrie) mais ce n'est justement que spéculatif.

Il est mieux de dire "l'hypothèse de l'inflation".

L'inflation cosmique n'est pas prouvée strictement néanmoins il y a des arguments en sa faveur: quels sont-ils?
J'en connais quelques uns :
La platitude de l'Univers visible mais pourquoi n'aurait'il pas été plat à l'origine?
L'homogénéité , l'isotropie, l'uniformité des températures mais pourquoi pas dès l'origine ?

C'était les arguments originaux. Les physiciens n'aime pas les coïncidences et l'absence d'explication. Et l'inflation réglait pas mal de soucis.
Je suis moi-même resté dubitatif pendant longtemps, ça faisait vraiment ad hoc.

Mais c'est plus qu'une simple coïncidence. Avec l'expansion, on devrait avoir une amplification de la courbure moyenne. Ce qui n'est pas observé sauf si celle-ci était nulle ou très petite. Or nulle elle ne l'est pas car il y a un contenu (galaxies) qui déforme l'espace-temps et la chance qu'elle soit nulle dans la portion visible est tout aussi nulle. Il faut donc supposer initialement une courbure extrêmement petite, presque "infinitésimale". Ou une curieuse cause donnant une courbure nulle mais uniquement en moyenne.

Tout ça n'est pas impossible mais quand même assez étrange.

Reste que depuis on a une autre confirmation. L'inflation permet de prédire que les fluctuations du rayonnement cosmiques présentent un spectre en puissance très caractéristique. https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_de_puissance https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectr...son-Zeldovitch
Or celui-ci est très bien confirmé maintenant.

En dehors d'une situation extrêmement ad hoc et arbitraire (pour la platitude, le spectre en puissance et l'homogénéité) je ne connais pas d'explication alternative (ça ne veut pas dire qu'il n'y en a pas !)
EDIT petit coup de google, ça existe :
https://www.cosmos.esa.int/documents...oInflation.pdf
mais je ne sais pas ce que ça vaut (j'ai juste vu des trucs basés sur les cordes et évidemment la théorie est non validée. Mais faut lire plus avant)

[Gilgamesh]

Il est difficile de refuser le titre de "théorie" à l'inflation pour la raison qu'on n'en connaitrait pas la cause. Les théories les mieux établies reposent le plus souvent sur un socle "acausal". Pourquoi les masses s'attirent-elles dans la théorie newtonienne ? C'est fondamental mais Newton n'en a strictement aucune idée. Pourquoi les masses déforment-elles l'espace-temps selon la relativité générale ? Pareil, tout repose là dessus mais la théorie est absolument muette sur ce qui justifie le signe "égal" entre Gµv et Tµv. Qu'est-ce qu'un état quantique ? C'est la base de tout le formalisme mais on n'en sait fichtrement rien. Quelle est la nature des supercordes, des branes ? Mystère et re-mystère. Etc. Donc imaginer un champ scalaire (inflaton), comme il y a un champ de Higgs, ça n'a rien d'exorbitant.

On peut quand même parler de théorie quand l'hypothèse fondatrice a donné lieu à une enquête approfondie, qu'elle rassemble de nombreux faits autrement disjoints dans un tout formellement cohérent permettant des prédictions ou au moins des post-diction non triviales et calculables. Et c'est bien le cas de la théorie de l'inflation. On peut même parler de paradigme de l'inflation, au sens où ça rassemble une famille de théories.

Les arguments en faveur du paradigme :

* expliquer l'origine de l'expansion de l'univers. Expliquer le Big Bang, en fait, ni plus, ni moins. Un univers de rayonnement et de matière initialement statique s'effondre sans coup férir, d'autant plus rapidement qu'il est dense. On a la preuve (nucléosynthèse primordiale) que l'univers a été très dense. Etant très dense, il exerçait un effet antagoniste à l'expansion. Plus l'univers a commencé dense plus il faut d'élan initial, c-à-d une gravité répulsive. Et ensuite, il faut que cette gravité répulsive s'efface (presque) complètement. Ca sent le changement de phase.

* expliquer l'origine de la matière. Ça n'est quasi jamais mentionné (sauf par Guth) m'enfin ça ne me semble pas la moitié d'un détail. D'où viennent les 10⁹⁰ particules de l'univers observable ? Ah, on peut toujours prendre sa pelle et bourrer la chaudière au départ. Mais où prend-t-on l'énergie ?

Le paradigme inflationnaire autorise un free lunch comme l'appellent les anglo-saxons. Un vide de haute énergie enfle rapidement, et l'énergie nécessaire pour créer ce vide est pris sur le champ de gravité… et jamais remboursé. Puis ce vide décroit et son énergie excite les champs de matière, produisant un plasma dense de particules qui va ensuite se diluer et refroidir, via l'expansion.

* expliquer l'homogénéité de l'univers. Sans inflation on est dans une situation où toute fluctuation de densité s'accroit avec le temps. Là encore, on peut introduire à la main une homogénéité initiale infinie, mais si on part d'un univers de matière et de rayonnement soumis à la gravité, on n'a aucun processus interne capable de lisser infiniment les fluctuations. La moindre perturbation s'effondre en trou noir.

La paradigme inflationnaire implique un univers vide au départ (l'inflaton, le champ hypothétique qui remplit l'univers est un état du vide). C'est quand même plus facile d'être homogène quand on est vide… Le vide ne risque pas de former des trous noirs. Et par ailleurs, le changement d'état du vide peut se calculer avec le formalisme classique de la théorie des champs et on prédit des fluctuations quantiques invariante d'échelle (le spectre de puissance de Harrison-Zeldovitch évoqué par DD ci-dessus) avec une toute petite distorsion (n_s = 0,96 au lieu de 1) due à la sortie de l'inflation qui tombe pile sur les observation de la mission Planck.

* expliquer la platitude de l'univers. Pour comprendre pourquoi il est difficile d'envisager spontanément un univers plat, il faut comprendre ce que ça signifie physiquement, en terme énergétique. Un univers est plat quand son potentiel de gravité et son énergie cinétique s'égalent exactement. Prenons une analogie : si je lance une pierre depuis la surface de la Terre, soit elle retombe (v² < 2GM/R) ça correspond à une univers fermé (courbure positive), soit je lui ai donné assez d'énergie (v² > 2GM/R) et elle s'en va à l'infini avec une certaine vitesse (d'une valeur égale à la différence entre la vitesse initiale et la vitesse de libération de la Terre), ce qui correspond à un univers ouvert (courbure négative). On est forcément au dessus ou en dessous de ce seuil, lancer la pierre EXACTEMENT à v² = 2GM/R, avec une précision de plus de 60 zéros après la virgule, de sorte qu'elle "s'immobilise à l'infini", ça semble incroyablement improbable.

Donc en l'état, sans paradigme inflationnaire, on a une origine de l'expansion (~ le bras du lanceur) totalement inconnue, contradictoire même dans les termes avec le fait que l'univers est très dense au départ ET qui doit égaler EXACTEMENT le potentiel GM/R de l'univers. C'est quand même dur à admettre, maître.

Dans le paradigme inflationnaire on aboutit par contre OBLIGATOIREMENT à cet état de platitude, ou du moins exponentiellement rapidement.

Et tout ça se modélise assez facilement, on passe d'univers vide à cte cosmo positive (De Sitter) à une univers de rayonnement-matière via un changement de phase, avec une cte cosmo résiduelle.

[pascelus]

Bonjour,


Un grand à toi Gilgamesh pour ce post! Depuis pas mal d'années que je lis assidument ce forum je ne peux qu'admirer ta limpidité et ta pédagogie! Quasiment chaqu'un de tes posts est très clair et bien vulgarisé, meme relire des points acquis apporte souvent plus de clarté encore.

Je voulais juste préciser un point:

Il est difficile de refuser le titre de "théorie" à l'inflation pour la raison qu'on n'en connaitrait pas la cause. Les théories les mieux établies reposent le plus souvent sur un socle "acausal". Pourquoi les masse s'attirent-elles dans la théorie newtonienne ? C'est fondamental mais Newton n'en a strictement aucune idée. Pourquoi les masses déforment l'espace-temps selon la relativité générale ? Pareil, tout repose là dessus mais la théorie est absolument muette sur ce qui justifie le signe "égal" entre Gµv et Tµv.

Non seulement la Relativité Générale ne dit rien sur l'origine de la gravitation, mais elle ne dit meme pas explicitement que ce sont les masses qui courbent l'espace-temps. Elle dit il me semble qu'en présence de masses l'espace-temps se courbe.

La nuance est un peu similaire à la différence entre:
1: "Le feu rouge arrête les voitures au carrefour".
2: "En présence du feu rouge les voitures s’arrêtent au carrefour".
On peut interpréter le 1 comme "le feu rouge est l'acteur de l’arrêt des voitures", alors que dans le 2 il se peut qu'il y ait un autre acteur pour expliquer l'arret (le freinage du conducteur) ... On simplifie couramment par la formule 1, comme traduire la RG par "les masses courbent l'espace-temps", mais ce n'est pas explicité par la théorie.

Au delà d'une jolie phrase JA Wheeler le dit très précisément: "L'espace dit à la matière comment elle doit se déplacer, et la matière dit à l'espace comment il doit s'incurver"; et non pas "la matière courbe l'espace-temps".

Que les masses déforment l'espace-temps elle-meme est aussi une hypothèse. Si crédible soit-elle rien ne l'atteste formellement.


PS: c'est pour cela que dans un autre post je demandais si le vide, déjà probable acteur d'une autre action majeure sur la géométrie de l'espace-temps, ne pourrait etre "l'origine de la gravitation". Mais le mot "origine" est très mal choisi, et en tout état de cause il ne semble pas avoir les propriétés adaptées...

[A voir en vidéo sur Futura]

[viiksu]

Merci Deedee

Par contre si on considère les détracteurs de l'inflation il reste quand même le Bigbang comment l'Univers serait-il devenu si grand à partir d'un espace-temps très "petit" selon tous les modèles? Il me semble que le modèle de Rovelli conçoit un rebond à partir du volume de Planck?

[viiksu]

Le modèle de Penrose conçoit aussi un rebond à partir d'un vide absolu de type BigFreeze.

[viiksu]

Si tout le monde conçoit notre Univers comme né d'une "region" très petite de quelque chose alors on ne peut pas évacuer une sorte d'inflation il me semble?

[Gilgamesh]

Merci Deedee

Par contre si on considère les détracteurs de l'inflation il reste quand même le Bigbang comment l'Univers serait-il devenu si grand à partir d'un espace-temps très "petit" selon tous les modèles? Il me semble que le modèle de Rovelli conçoit un rebond à partir du volume de Planck?

Dans le dans le scénario promu par la gravité quantique à boucle, le Big Bounce est suivi d'une phase d'inflation (il en est la cause).

Pareillement dans la Cosmologie Cyclique Conforme (CCC) de Penrose, le Big Bang est précédé d'une inflation qui représente en fait la phase d'expansion exponentielle (univers de De Sitter) située dans le futur lointain de l'éon antérieur (cette phrase est très bizarre, mais c'est parce que la CCC l'est !).


Pour moi les seuls modèles cosmo sans inflation sont :

le scénario de pré-Big Bang de Gasperini et Veneziano (avec une contraction suivie d'une expansion).
le scénario ekpyrotique de la théorie M
le scénario cordiste (string gas theory)

Ci dessous : dans les schéma, le temps va du bas vers le haut et l'extension spatiale de gauche (petit) vers la droite (grand).
En rouge l'évolution de l'horizon (rayon de Hubble H^-1)
En bleu l'évolution d'une perturbation de densité λ

A gauche le modèle d'inflation. La partie avec H^-1 constant (courbe rouge formant une droite verticale) représente l'inflation proprement dite (De Sitter).

Quand la courbe bleu est à gauche de la courbe rouge, les différentes parties d'une perturbation sont causalement reliées. Quand la perturbation "sort de l'horizon", elle est figée par le fait que ses différentes parties sont causalement disjointes. Pour expliquer un univers homogène à grande échelle il faut que les perturbations aient été sous l'horizon avant d'en sortir.

Au milieu le scénario pré-BB, on explique ça par le fait que l'horizon H^-1 a fortement diminué jusqu'à une "singularité" avant de réaugmenter.

Pour le scénario de string gas theory c'est un peu pareil mais le minima avant rebond n'est pas lié à la densité mais à la température.

source : Alternatives to cosmological inflation de Robert Brandenberger

[Magots]

Si j'ai bien compris : l'univers étant dense il exerce une force qui s'oppose à son expansion. Pour la platitude de l'univers : le mouvement de l'univers soit le changement de position par rapport au temps doit être égale à sa gravité. On représente ici l'Univers comme un objet en mouvement. Peut-on calculer l'énergie cinétique d'un univers? Et comment calculez la densité de l'univers?
Car dans ce cas il faut admettre une vitesse, on admet que l'univers à une vitesse V et une énergie cinétique mais par rapport à quel référentiel? Car il doit y'avoir un point de départ à cette expansion.

Mais pour en revenir au lancement de l'objet donc ici la pierre, mais la force devrait être colossale pour envoyer à l'infini cette pierre et cela expliquerait que l'expansion de l'Univers dispose d'une ressource inépuisable d'énergie. Et si l'on prend en compte les astres qui exercent eux aussi une gravité, il faudrait ajouter la vitesse de libération de la pierre ou vi = racine de 2GM/Ri et plus l'astre est grand et plus la vitesse doit être importante alors pour l'expansion cela doit être passez moi l'expression astronomique.

[viiksu]

Quelques questions encore:

sans inflation l'expansion n'a pas de moteur mais la pression de radiation de la soupe originelle n'est-elle pas suffisante?
Pourquoi la courbure de l'Univers croit-elle avec l'expansion est-ce dans FLWR?

[pascelus]

...Avec l'expansion, on devrait avoir une amplification de la courbure moyenne.

Je ne comprends pas ce raisonnement. Expansion autant qu'inflation ne changent rien à la tendance d'aplanir la courbure de l'univers. Seule la durée varie . Prenons l'image d'un ballon que l'on gonfle: que ce soit lentement (expansion) ou très vite (inflation) le résultat final n'est pas different...

[viiksu]

Je ne comprends pas ce raisonnement. Expansion autant qu'inflation ne changent rien à la tendance d'aplanir la courbure de l'univers. Seule la durée varie . Prenons l'image d'un ballon que l'on gonfle: que ce soit lentement (expansion) ou très vite (inflation) le résultat final n'est pas different...

Peut-être pas l'énergie associée à la constante cosmologique est de densité constante donc elle augmente avec le volume plus il y a d'énergie plus il y a de courbure (simple hypothèse non affirmée?).

[Sofaminou]

Pourquoi la courbure de l'Univers croit-elle avec l'expansion est-ce dans FLWR?

L'expansion étant métrique...

[Magots]

Dans le projet GAMA (Galaxy and Mass Assembly) L'analyse de cette énergie a permis aux astronomes de conclure que l'univers actuel produit environ deux fois moins d'énergie qu'il y a 2 milliards d'années. Et ce serait connu depuis les année 90. Analyser ce processus entre l'UV et les IR, offrant l'estimation la plus complète à ce jour de la quantité d'énergie produite dans l'Univers proche.

A terme, l'équipe de chercheurs espère pouvoir cartographier l'énergie produite par l'Univers jusqu'à l'époque de la recombinaison. La recombinaison marque la fin de l'époque de l'univers primordial. Elle correspond au moment où les structures de l'univers actuel (étoiles, galaxies, amas de galaxies, etc.) se mettent en place, après le découplage du rayonnement. (Modèle de Peebles)

En 1998, conclusion inverse: l’expansion de l’Univers, loin de ralentir, accélère. Le fond diffus cosmologique est très étudié depuis sa découverte pour deux raisons : il correspond à la plus vieille image électromagnétique qu'il est possible d'obtenir de l'Univers et il présente d'infimes variations de température et d'intensité selon la direction observée, anisotropies détaillées depuis le début des années 1990 qui permettent de recueillir quantité d'informations sur la structure, l'âge et l'évolution de l'Univers. L'inflation cosmique prédit que les perturbations primaires sont adiabatiques.

Le processus adiabatique (je pense à ma pompe à vélo maintenant) en tant que cas idéal sans perte est la première expérience de pensée utilisée en thermodynamique pour évaluer le comportement le plus simple d'un système. Si le système échange du travail avec le milieu extérieur par l'intermédiaire des forces de pression, son énergie interne varie et particulièrement les énergies cinétiques microscopiques. Lors d'une compression, la température augmente puisque le milieu extérieur fournit du travail au système ce qui augmente son énergie interne et donc son agitation thermique. Lors d'une détente, la température diminue car c'est le système qui fournit du travail au milieu extérieur. Si la température du système augmente ou diminue, celui-ci ne peut pas se mettre en équilibre thermique avec le milieu extérieur.

[Mémo]
Cartographier l'énergie produite => analyse de données de millions de galaxies
Matière sombre (froide)=> modèle état homogène à modèle état hétérogène avec densité Oméga = 1.
Preuves : halo sphérique de la plupart des galaxies "MACHO" (Massive Astrophysical Compact Halo Objects)
Conclusion : ajouté à la partie visible il manque une grande partie de la masse de l'Univers sous forme Baryonique (invisible UV, X, Radio, Gamma, IR)
Rayons = seulement 1/1000 de la masse cosmique

(Réponse première rapport : masse totale des galaxies / leur luminosité
masse totale des galaxies / vitesse de rotation
masse totale d'un amas de galaxies et la dispersion des vitesses

Mesurer la densité du halo X qui entoure les amas de galaxies
Mesurer l'effet de la distorsion due aux lentilles gravitationnelles (sous l'effet de la matière sombre).


https://www.spacetelescope.org/video...ic2_dome_2200/

[Gilgamesh]

Quelques questions encore:

sans inflation l'expansion n'a pas de moteur mais la pression de radiation de la soupe originelle n'est-elle pas suffisante?
Pourquoi la courbure de l'Univers croit-elle avec l'expansion est-ce dans FLWR?

Dans une cadre purement newtonien, on pourrait effectivement demander à la pression de faire le job. Mais quand on passe aux équations de la relativité générale, on voit que la source de gravité n'est plus simplement la masse comme chez Newton, mais un tenseur énergie-impulsion Tµv qui inclue la pression. Une pression très élevée va participer à l'effondrement gravitationnel (cela fait partie des éléments qui permettent d'estimer la limite de stabilité d'une étoile à neutron, au delà de laquelle elle s'effondre en trou noir).

Pour ce qui concerne la courbure, je me suis fendu d'une démonstration qui m'a pris un peu de temps à écrire ici.

k=0 une valeur infiniment peu probable

Il y a des démos plus élégantes je pense mais la conclusion est que :

Dans un univers de matière ou de rayonnement la valeur absolue de la courbure |Ωk| augmente avec le temps.

Dans un univers vide avec une constante cosmologique positive la valeur absolue de la courbure |Ωk| tend exponentiellement rapidement vers zéro.

[viiksu]

Dans un univers de matière ou de rayonnement la valeur absolue de la courbure |Ωk| augmente avec le temps.

Dans un univers vide avec une constante cosmologique positive la valeur absolue de la courbure |Ωk| tend exponentiellement rapidement vers zéro.

Incroyable c'est tellement contre-intuitif.

[viiksu]

Euh à priori dans FLRW sauf erreur la courbure (facteur k = -1,0,1) est une constante, non?

[Gilgamesh]

Euh à priori dans FLRW sauf erreur la courbure (facteur k = -1,0,1) est une constante, non?

k c'est le nombre de courbure. Le rayon de courbure lui, s'exprime comme R_c = a(t)/√|k| (avec a le facteur d'échelle) et la courbure c'est l'inverse du rayon de courbure (= facteur d'échelle).