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Bilan énergétique de l'univers



  1. #1
    Mumyo

    Question Bilan énergétique de l'univers


    ------

    Bonjour je souhaiterais poser la question suivante :

    Que sait-on aujourd'hui du bilan énergétique de l'univers ?
    Le big bang est-il une expansion d'une énergie pré-existante, et invariante : (Rien se se perd, Rien ne se crée ).
    Ou bien la singularité s'accompagne t-elle d'une création d'énergie ex-nihilo, lors du processus d'expansion de l'univers.
    Comment évolue la densité d'énergie de l'univers lors de l'expansion ?

    Cordialement,

    Mumyo

    -----
    Libre l'électron, toujours là où on ne l'attend pas, du coup tout se tient...

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  3. #2
    Seirios

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Bonjour,

    Je vais essayer de donner quelques éléments de réponses avec mes quelques connaissances :

    Que sait-on aujourd'hui du bilan énergétique de l'univers ?
    Je ne sais pas si je réponds à la question, mais l'énergie noire (assez hypothétique pour le moment) représenterait 70% du bilan énergétique, et on trouverait dans les 30% restant, 90% de matière noire (dont l'existence paraît fortement plausible) ; les 10% pourcents sera de la matière ordinaire. (Les pourcentages sont de mémoire, donc pourront être à corrigés...)

    Le big bang est-il une expansion d'une énergie pré-existante, et invariante : (Rien se se perd, Rien ne se crée ).
    Je ne crois pas, à cause d'une variance par rapport au temps du système.

    Ou bien la singularité s'accompagne t-elle d'une création d'énergie ex-nihilo, lors du processus d'expansion de l'univers.
    Comment évolue la densité d'énergie de l'univers lors de l'expansion ?
    Je en crois pas qu'on puisse le savoir ; on ne peut à l'heure actuelle remonter au-delà de 10-43 s après le temps dit zéro (dont l'appellation peut porter à confusion).
    If your method does not solve the problem, change the problem.

  4. #3
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Bonjour,

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    Que sait-on aujourd'hui du bilan énergétique de l'univers ?
    Le big bang est-il une expansion d'une énergie pré-existante, et invariante : (Rien se se perd, Rien ne se crée ).
    Effectivement, l'énergie est une quantité conservée.

    Ceci dit, en relativité générale et donc pour l'univers dans sa globalité, l'énergie totale est une quantité mal définie, pour plusieurs raisons, mais en particulier parce qu'iil faudrait regarder la quantité totale d'énergie à un moment donné. Or, "à un moment donné" pour tout l'univers n'a pas de sens en relativité. Une autre difficulté est que l'énergie du champ gravitationnel lui-même ne peut être définie que par un observateur extérieur.... qui n'existe pas ici !

    Toutefois, il y a moyen de s'en sortir grâce au principe cosmologique. L'univers étant globalement homogène et isotrope, cela permet de définir un temps cosmologique etc...

    Une fois passé ces difficultés techniques dans la définition de l'énergie totale, oui, tu peux considérer que l'énergie totale reste constante.

    Attention toutefois : il ne peut y avoir d'énergie pré-existant à l'univers. Pour une raison triviale : l'énergie ce n'est qu'une propriété caractérisant l'état d'un système, la matière, le rayonnement, etc... Pas de matière (ou de rayonnement, on d'ondes gravitationnelles, etc...), pas d'énergie. Exactement comme pour la vitesse, par exemple.

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    Ou bien la singularité s'accompagne t-elle d'une création d'énergie ex-nihilo, lors du processus d'expansion de l'univers.
    Ca on ne saurait pas répondre car personne ne sait comment ça a débuté. La seule chose dont on est à peu près sûr c'est qu'il n'y a pas de singularité (la RG devient invalide autour de ce point, il faut une théorie de la gravité quantique.... qu'on a pas).

    Personnellement je n'aime pas cette idée de création de matière (ayant une certaine énergie) ex-nihilo. Mais ça ne constitue pas une démonstration.

    En l'absence de singularité cela parait également peu probable.

    La théorie des cordes (ou tout au moins les modèles cosmologiques utilisant la TDC) et la gravité quantique à boucles ne parlent pas de création ex-nihilo mais d'une simple transformation (cyclique ou non). "l'origine" t=0 n'étant qu'une convention qui résulte de l'univers que nous voyons actuellement.

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    Comment évolue la densité d'énergie de l'univers lors de l'expansion ?
    Ca dépend de l'époque considérée. Actuellement, grosso modo comme l'inverse du (co)volume. Et donc la densité diminue avec l'expansion. Tu as les relations exactes ici :
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9_d'%C3%A9nergie#Co smologie
    Keep it simple stupid

  5. #4
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Salut,

    Citation Envoyé par Phys2 Voir le message
    Je ne sais pas si je réponds à la question, mais l'énergie noire (assez hypothétique pour le moment) représenterait 70% du bilan énergétique, et on trouverait dans les 30% restant, 90% de matière noire (dont l'existence paraît fortement plausible) ; les 10% pourcents sera de la matière ordinaire. (Les pourcentages sont de mémoire, donc pourront être à corrigés...)
    J'avais oublié de donner ce bilan ! Merci Phys2.
    Keep it simple stupid

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. #5
    Quintilio

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Citation Envoyé par Deedee81 Voir le message
    Ca dépend de l'époque considérée. Actuellement, grosso modo comme l'inverse du (co)volume. Et donc la densité diminue avec l'expansion. Tu as les relations exactes ici :
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Densit%C3%A9_d'%C3%A9nergie#Co smologie
    Bonjour,

    Il me semble qu'il n'y a que la matiere (noire et baryonique) qui se dilue avec l'expansion. L'energie noire elle reste constante.
    C'est d'ailleure ce qui explique que l'univers n'etait en expansion a l'origine: l'energie noire etait minoritaire.
    "Toute nouvelle vérité naît malgré l'évidence." Gaston Bachelard

  8. #6
    Mumyo

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Une fois passé ces difficultés techniques dans la définition de l'énergie totale, oui, tu peux considérer que l'énergie totale reste constante.

    Attention toutefois : il ne peut y avoir d'énergie pré-existant à l'univers. Pour une raison triviale : l'énergie ce n'est qu'une propriété caractérisant l'état d'un système, la matière, le rayonnement, etc... Pas de matière (ou de rayonnement, on d'ondes gravitationnelles, etc...), pas d'énergie. Exactement comme pour la vitesse, par exemple.
    Oui effectivement.
    Se pourrait-il dans ce cas que la singularité que nous appelons Big Bang,
    corresponde à un état particulier du Système Univers quantifiable notamment par son énergie totale qui au cours de son demeurerait constante ?

    Un modèle cosmologique à énergie constante en somme.

    Cordialement,

    Mumyo
    Libre l'électron, toujours là où on ne l'attend pas, du coup tout se tient...

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  10. #7
    Seirios

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Citation Envoyé par Deedee81
    Effectivement, l'énergie est une quantité conservée
    Cela m'étonne ; il me semble avoir lu dans une discussion que l'énergie n'était pas conservée dans l'univers, ce dernier constituant un système qui n'était pas invariant dans le temps. Je vais essayer de retrouver la discussion.
    If your method does not solve the problem, change the problem.

  11. #8
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Salut,

    Citation Envoyé par Quintilio Voir le message
    [...] L'energie noire elle reste constante.
    C'est d'ailleure ce qui explique que l'univers n'etait en expansion a l'origine: l'energie noire etait minoritaire.
    En effet, mais c'est une hypothèse, ça reste à confirmer (c'est en cours ).

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    Oui effectivement.
    Se pourrait-il dans ce cas que la singularité que nous appelons Big Bang,
    corresponde à un état particulier du Système Univers quantifiable notamment par son énergie totale qui au cours de son demeurerait constante ?
    Un modèle cosmologique à énergie constante en somme.
    Oui, tout à fait.
    Keep it simple stupid

  12. #9
    Mumyo

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    En relativité générale j'ai cru comprendre que la vitesse d'écoulement du temps locale dépendait de la répartition du champs locale d'énergie/matière.

    temps=fonction(densité)

    Ne peut-on pas en conclure qu'au échelles cosmologiques, il en soit de même ?

    Qu'il existe une fonction f telle que :

    T = f (E/C)

    T : Temps cosmologique
    E : Énergie totale
    C : Covolume

    Ceci afin de rester en accord avec la RG.

    La logique impose cette idée, et pourtant il semblerait que ce soit faux.


    Cordialement,
    Mumyo
    Dernière modification par Mumyo ; 17/07/2008 à 12h51.
    Libre l'électron, toujours là où on ne l'attend pas, du coup tout se tient...

  13. #10
    Mumyo

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Mon idée est de définir un T cosmologique, fonction de la densité moyenne.

    Et de définir le t locale en fonction de cette densité moyenne.

    Ce qui me permet d'établir un lien entre le temps local, et le temps T cosmologique correspondant à une densité moyenne donnée, et donc à un état particulier du système univers.
    Libre l'électron, toujours là où on ne l'attend pas, du coup tout se tient...

  14. #11
    Mumyo

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Cette densité moyenne de l'univers, ne correspond-t-elle pas à l'énergie du vide ?
    Il y aurait ainsi des liens logiques entre différents aspects du système univers.

    Cordialement,

    Mumyo
    Libre l'électron, toujours là où on ne l'attend pas, du coup tout se tient...

  15. #12
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Salut,

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    En relativité générale j'ai cru comprendre que la vitesse d'écoulement du temps locale dépendait de la répartition du champs locale d'énergie/matière.

    temps=fonction(densité)
    C'est un peu plus compliqué que ça. Le temps ne peut se définir dans l'absolu. Ce n'est qu'une coordonnée. Ce qui peut avoir un sens physique c'est le temps propre, celui dicté par une horloge, et celui-ci n'est pas une variable, pas une fonction, c'est l'horloge elle-même. Et tu peux ensuite définir le temps comme étant le tictac de l'horloge.

    Ensuite, ce que tu as est une différence d'écoulement entre deux points. C'est relatif. Toujours.

    Entre deux points, si le champ gravitationnel est différent entre ces deux points, alors le temps d'un point s'écoule différemment relativement à l'autre point.

    Tu peux faire le rapprochement avec le décalage vers le rouge/bleu gravitationnel (car la fréquence d'une onde = le rythme de vibration des atomes qui émettent cette onde = horloge). Une onde lumineuse qui passe d'un point à l'autre doit sortir/entrer du puit de potentiel gravitationnel, perd/gagne de l'énergie et donc voir sa fréquence diminuer/augmenter.

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    [...]
    T = f (E/C)
    [...]
    La logique impose cette idée, et pourtant il semblerait que ce soit faux.
    Simplement à cause de ce que j'explique ci-dessus.

    La "variation d'écoulement du temps" ne peut se faire que relativement à un autre observateur (c'est logique : si ton temps "ralentit", quel que soit le sens qu'on donne à ça, ta montre ralentit, ton coeur ralentit, ton cerveau ralentit,... physiquement, tout va au même rythme et il n'y a aucun changement. Seul quelqu'un d'autre qui ne subit pas çà peut le constater).

    En cosmologie, on fait l'hypothèse (conforme à l'observation) du principe cosmologique. Donc la densité est la même partout. Et donc le temps le même partout. Il n'y a donc pas de sens à parler de temps cosmologique allant plus ou moins vite.

    Heureusement d'ailleurs. Sans le principe cosmologique, il devient difficile voire impossible de définir un temps cosmologique.

    Le temps cosmologique ce n'est que des étiquettes. Des étiquettes indiquant les époques.

    Le mieux qu'on puisse faire, pour être en accord avec la physique, c'est de faire coller ces étiquettes au temps indiqué par une horloge. C'est-à-dire le temps local. Le même partout because principe cosmologique. On définit un "fluide cosmologique", abstrait, au repos local (il suit l'expansion) et on dit qu'un observateur est comobile quand il suit ce fluide. Le temps cosmologique est le temps indiqué par une horloge comobile.

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    Mon idée est de définir un T cosmologique, fonction de la densité moyenne.
    Bien entendu, avec ton temps cosmologique, tu es libre. Ce n'est que des étiquettes. Donc, tu peux très bien dire : je fixe T=f(1/rho). A condition que la densité soit strictement décroissante (pour que T soit croissant).

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    Et de définir le t locale en fonction de cette densité moyenne.
    [...]
    Mais il faudra quand même faire le lien avec le temps propre quelque part. Le temps des horloges. Car c'est ça qui est physique. Et on parle quand même de physique là !

    Citation Envoyé par Mumyo Voir le message
    Cette densité moyenne de l'univers, ne correspond-t-elle pas à l'énergie du vide ?
    Il y aurait ainsi des liens logiques entre différents aspects du système univers.
    L'énergie du vide en RG c'est 0.

    En théorie quantique des champs c'est entre 0 et.... l'infini ! Et on la pose à 0.

    En gravité quantique c'est.... on ne sait pas. On aimerait bien savoir

    Bonne soirée, à demain,
    Keep it simple stupid

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  17. #13
    alain_r

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Citation Envoyé par Deedee81 Voir le message
    Salut,



    C'est un peu plus compliqué que ça.

    [...] on ne sait pas. On aimerait bien savoir [...]

    Bonne soirée, à demain,
    Cher Deedee,

    je m'interroge encore et toujours sur la raison de vos interventions sur ce forum. Il y a un tel fatras d'absurdité dans ce que vous dites !

    Pour votre information, non, l'énergie n'est pas conservée en relativité générale. Ce n'est pas une question de défintion du temps, mais d'impossiblité de localiser le champ gravitationnel comme on peut le faire en relativité restreinte.

  18. #14
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Salut,

    Citation Envoyé par alain_r Voir le message
    je m'interroge encore et toujours sur la raison de vos interventions sur ce forum.
    Le plaisir de discuter physique. Tu viens par obligation ?

    Citation Envoyé par alain_r Voir le message
    Il y a un tel fatras d'absurdité dans ce que vous dites !
    La nuit, tu devrais dormir. Poster à minuit ça te rend méchant. Prend un prosac et va faire dodo.

    Citation Envoyé par alain_r Voir le message
    Pour votre information, non, l'énergie n'est pas conservée en relativité générale.
    Elle l'est localement. Le tenseur énergie impulsion de la matière est de divergence nulle (Thorne relie même ça au identités de Bianchi, bien que amha on ne devrait pas raisonner dans ce "sens" là).

    Citation Envoyé par alain_r Voir le message
    Ce n'est pas une question de défintion du temps, mais d'impossiblité de localiser le champ gravitationnel comme on peut le faire en relativité restreinte.
    On sait localiser le champ gravitationnel en relativité restreinte ? Je savais bien que poster à minuit était une mauvaise idée Et c'est moi qui suis "sensé" lâcher un fatras d'absurdité

    C'est aussi une question de structure des variétés en RG. Comment définir globalement (dont pas besoin de localiser quoi que ce soit) l'énergie quand le feuilletage spatial est ambigu ? Le problème de localisation se pose pour le champ gravitationnel, mais uniquement localement (définition d'un tenseur d'énergie du champ).

    Pour rappel, j'ai dit :

    Citation Envoyé par Deedee81 Voir le message
    Ceci dit, en relativité générale et donc pour l'univers dans sa globalité, l'énergie totale est une quantité mal définie, pour plusieurs raisons [...]
    Une fois passé ces difficultés techniques dans la définition de l'énergie totale,
    Le mise en gras pour bien indiquer que je n'essayais pas de "localiser le champ gravitationnel", si je puis dire.

    Je trouve donc ta critique assez mal venue.

    Il est impossible de définir un tenseur énergie-impulsion du champ gravitationnel qui satisfait à toutes les exigences qu'on peut en attendre, en particulier pour le problème de localisation que tu donnes. On ne peut y arriver que dans certaines circonstances particulières. Par exemple, dans la gravité linéarisée, ça aide beaucoup pour calculer l'énergie transportée par les ondes gravitationnelles. Voir par exemple le livre de Edgard Elbaz où il passe les difficultés par dessus là jambe et où il définit un tel tenseur juste pour les besoins de la cause (ceci dit, je ne trouve pas ça très pédagogique). Ou, globalement, dans le cas cosmologique, avec le principe cosmologique, bien que dans ce cas ce soit une définition ad hoc.

    Mais c'est déjà difficile à vulgariser, alors je ne vais certainement pas entrer dans des détails techniques. Je renvoie pour cela au cours de Caroll, il y a un petit passage là-dessus (http://www-cosmosaf.iap.fr/MIT-RG6F.htm#difficulte) ou au livre Gravitation de Thorne, Misner et Wheeler où la problématique est moins détaillée mais vue plus généralement. En particulier sur l'impossibilité de physiquement bien définir l'énergie du champ gravitationnel sans observateur extérieur.
    Keep it simple stupid

  19. #15
    ordage

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Citation Envoyé par Phys2 Voir le message
    Cela m'étonne ; il me semble avoir lu dans une discussion que l'énergie n'était pas conservée dans l'univers, ce dernier constituant un système qui n'était pas invariant dans le temps. Je vais essayer de retrouver la discussion.
    Ce qui est certain, c'est que dans un univers en expansion (dont la métrique dépend du temps, comme dans la théorie du BB) l'énergie d'une particule ou d'un photon sur une géodésique n'est pas conservée.

    http://www-cosmosaf.iap.fr/MIT-RG8F.htm#tenseur_kill

    Par exemple les photons du RFC qu'on observe aujourd'hui ont une énergie bien plus faible qu'au moment où ils ont été émis.



    Pour ce qui est de l'univers dans son ensemble il faut déjà s'entendre sur ce qu'on appelle l'énergie "totale" de l'univers, notamment sur "l'énergie de gravitation". Comme cette "énergie" de gravitation est représentée localement par un pseudo tenseur, sa valeur (ce qu'on peut espérer mesurer) dépend de l'observateur local, à l'intérieur de l'univers!

    Manifestement ce paramètre physique n'a pas de définition locale invariante,(on peut en général l'annuler localement par un changement de coordonnées, ce qui montre que ce n'est pas un tenseur, car s'il est nul dans un référentiel il doit être nul dans tous les référentiels), mais cela ne préjuge pas qu'il ne puisse pas en avoir au niveau global de l'univers.

    Mais si l'univers est un système isolé (qui n'échange ni travail ni chaleur avec l'extérieur), la thermodynamique nous incite à penser que l'énergie totale de l'univers est conservée.

    D'ailleurs des équations de Friedmann on tire:

    http://www-cosmosaf.iap.fr/Dynamique...tm#energy_cons

    qui est un paragraphe de

    http://www-cosmosaf.iap.fr/Dynamique...big%20bang.htm

    (document original sur le site du C.D.F)

  20. #16
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Ouuuups, Phys2, désolé je n'avais pas vu ta remarque.

    Effectivement la problématique n'est pas simple. Voir ma discussion avec alain_r.

    Citation Envoyé par ordage Voir le message
    Pour ce qui est de l'univers dans son ensemble il faut déjà s'entendre sur ce qu'on appelle l'énergie "totale" de l'univers, notamment sur "l'énergie de gravitation". Comme cette "énergie" de gravitation est représentée localement par un pseudo tenseur, sa valeur (ce qu'on peut espérer mesurer) dépend de l'observateur local, à l'intérieur de l'univers!
    C'est effectivement ce que j'ai essayé d'expliquer mais tu le dis beaucoup mieux que moi

    Citation Envoyé par ordage Voir le message
    Mais si l'univers est un système isolé (qui n'échange ni travail ni chaleur avec l'extérieur), la thermodynamique nous incite à penser que l'énergie totale de l'univers est conservée.
    Et ça c'est la "définition ad hoc" dont je parlais. Merci aussi de l'explication pédagogique.

    Citation Envoyé par ordage Voir le message
    D'ailleurs des équations de Friedmann on tire:
    http://www-cosmosaf.iap.fr/Dynamique...tm#energy_cons
    Génial ! Cette déduction à partir de Friedman (pas très compliquée en plus) je ne la connaissais pas. Excellent. Je ne suis pas venu pour rien.

    Donc, ce n'est pas que ad hoc. Ca un sens physique de parler de l'énergie totale même si l'énergie du champ gravitationnel est mal définie localement. C'est mieux que je ne pensais.

    Merci de tes explications plus précises,
    Keep it simple stupid

  21. #17
    Karibou Blanc

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Ceci dit, en relativité générale et donc pour l'univers dans sa globalité, l'énergie totale est une quantité mal définie, pour plusieurs raisons, mais en particulier parce qu'iil faudrait regarder la quantité totale d'énergie à un moment donné. Or, "à un moment donné" pour tout l'univers n'a pas de sens en relativité
    Sauf si la densité d'énergie est constante dans l'espace, ce qui est le cas, par hypothèse, en cosmologie. Cela permet donc de définir proprement un temps (dit cosmologique) qui paramètre globalement l'évolution de l'univers, simplement parce que ce dernier est homogène et isotrope (encore une fois aux échelles cosmologiques)
    Well, life is tough and then you graduate !

  22. #18
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Salut,

    Citation Envoyé par Karibou Blanc Voir le message
    Sauf si la densité d'énergie est constante dans l'espace, ce qui est le cas, par hypothèse, en cosmologie. Cela permet donc de définir proprement un temps (dit cosmologique) qui paramètre globalement l'évolution de l'univers, simplement parce que ce dernier est homogène et isotrope (encore une fois aux échelles cosmologiques)
    C'est ce que je disais en substance dans la phrase suivante Pourquoi fais-tu remonter ce "vieux" message ?
    Keep it simple stupid

  23. Publicité
  24. #19
    Karibou Blanc

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    Pourquoi fais-tu remonter ce "vieux" message ?
    Parce que la phrase en question était passé entre les mailles (bien laches) de mon filet. mea culpa
    Well, life is tough and then you graduate !

  25. #20
    GillesH38a

    Re : Bilan énergétique de l'univers

    désolé de devoir le redire comme Alain_r : il n'y a aucune quantité conservée qui puisse s'appeler "énergie totale" qui se conserve, meme sous l'hypothese cosmologique isotrope (à part le cas tres particulier d'un Univers plat auquel on peut attribuer une énergie nulle).

    Le tenseur d'énergie-impulsion est de 4-divergence covariante nulle, certes, mais ça ne décrit pas une conservation au sens habituel du terme dans le sens où il n'y a aucune quantité intégrée conservée dans le temps, même localement : il s'agit en effet du tenseur d'e-p hors champ gravitationnel, n'incluant PAS en particulier l'énergie potentielle de gravitation, et donc ça décrit plutot les changements d'énergie dus à la gravitation qu'une énergie conservée.

    Il n'y a aucun moyen de définir un tenseur d'énergie impulsion associé au champ gravitationnel tel que la somme se conserve "vraiment" (c'est à dire de généraliser l'énergie potentielle de gravitation) contrairement à l'élctromagnétisme, sauf dans un cas particulier : un univers asymptotiquement plat, avec la matière et le champ gravitationnel confinés dans une région finie de l'espace - conditions malheureusement non remplies par les solutions cosmologiques FRW.

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