Vulgarisation

[cg13]

Bonjour,

selon la théorie du Big Bang, à "l'ère électrofaible", pendant la phase de réchauffement, l'expansion exponentielle qui s'était produite pendant l'Inflation cosmique aurait cessée. Cela pourrait s'expliquer par le fait que la matière noire (qui exercerait une force attractive) était en quantité plus importante dans l'Univers, que l'énergie sombre (qui exercerait une force répulsive).

=> Pourquoi à ce moment là, n'y a-t-il pas eu une contraction de l'Univers ?

=> Et à quel moment l'énergie sombre serait-elle devenue majoritaire dans l'Univers par rapport à la matière noire, pour que l'expansion de l'Univers reprenne son cours (tel que ce serait le cas aujourd'hui) ?

Merci d'avance à celles et ceux qui voudront bien me corriger si j'ai fait une ou des erreur(s) de compréhension dans mes lectures sur le sujet, et qui m'apporteront des réponses à mes questions.


cg
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[Gilgamesh]

Bonjour,
selon la théorie du Big Bang, à "l'ère électrofaible", pendant la phase de réchauffement, l'expansion exponentielle qui s'était produite pendant l'Inflation cosmique aurait cessée. Cela pourrait s'expliquer par le fait que la matière noire (qui exercerait une force attractive) était en quantité plus importante dans l'Univers, que l'énergie sombre (qui exercerait une force répulsive).

Plusieurs chose à corriger là dedans :

1) en mineur, on situe la fin de l'inflation plutôt à l'ère de Grande Unification, mais ça n'est pas encore bien contraint
2) c'est le fait que l'inflation cesse qui induit la création de matière et non l'inverse
3) A l'ère électrofaible (~10¹⁵ GeV), il est bien tôt pour parler de l'effet de la matière noire, constituée d'une population de particules qui a survécu à ces époque de très haute énergie, où coexistent encore des particules bien plus massives que les reliques actuelles.
4) C'est sans doute le plus important à comprendre : la matière (mc²) joue encore un rôle assez mineur à ces niveaux d'énergie. L'essentiel de la densité d'énergie est radiative, c'est à dire constitué de l'énergie impulsionnelle des particules. Un peu comme dans le LHC actuel, où l'énergie cinétique des protons est 7500 fois plus élevée que leur énergie de masse - et on est, dans le LHC, encore bien loin des niveaux d'énergie de l'ère électrofaible.

=> Pourquoi à ce moment là, n'y a-t-il pas eu une contraction de l'Univers ?

Parce que la 2e équation de Friedman est une équation différentielle qui nous dit comment varie le taux d'expansion en fonction de la densité de d'énergie-impulsion de l'univers. L'inflation fait partir H d'une valeur très très élevée. Le cycliste déboule pleine balle. L'apparition d'un plasma chaud de très haute énergie est comparable à un frein serré à son maximum. Le cycliste, à sa vitesse maximale, serre le frein comme jamais. S'appliquant à une vitesse maximale, le frein est loin d'annuler l'expansion, il ne fait que la diminuer fortement. Et comme l'expansion dilue le contenu matière et énergie de l'univers, elle desserre également le frein : l'univers freinera avec de moins en moins de vigueur. Jusqu’à ce que la densité d'énergie sombre supplante à nouveau la densité de matière. Le taux d'expansion va rejoindre alors asymptotiquement une valeur constante.

=> Et à quel moment l'énergie sombre serait-elle devenue majoritaire dans l'Univers par rapport à la matière noire, pour que l'expansion de l'Univers reprenne son cours (tel que ce serait le cas aujourd'hui) ?

J'ai la flemme de calculer le moment exact mais ça se calcule sans difficulté et ça se situe vers la moitié de l'âge actuel, à un grosse vache près.

[cg13]

Merci beaucoup Gilgamesh pour la "vulgarisation" de la réponse à mes questions. J'admets que ta réponse n'est pas assez "vulgarisée" pour ma compréhension, mais avec les éléments de ta réponse, je vais chercher encore, pour que ce soit plus clair pour moi.

Néanmoins, je veux bien que tu complètes ta réponse.
Dans mes lectures wikipédia (soyez tolérants, je suis juste un humain qui cherche à comprendre), la phase de réchauffement est incluse dans "l'ère électrofaible". Il est indiqué que selon les théories, l'expansion exponentielle a cessé pendant la phase de réchauffement.
=> Gilgamesh, tu dis que l'expansion n'a pas cessé mais a freiné ; donc qu'elle ne s'est jamais interrompue ; et, tu situes ce moment à l'ère de la Grande Unification. Ai-je bien compris ta réponse ?

Je comprends qu'à cette époque de l'Univers, la matière jouait un rôle assez mineur et que de ce fait, on ne pourrait pas imputer à la matière noire la cause de la fin de l'Inflation cosmique. Néanmoins, il semble qu'on ne sait toujours pas caractériser aujourd'hui ce que sont la "matière noire" et "l'énergie noire" et leur influence réelle dans l'Univers.
=> Quels sont les éléments qui te permettraient de calculer le moment exact où "la bascule" se serait opérée entre quantités de "matière noire" et "d'énergie noire", pour que "l'énergie noire" domine et accélère l'expansion de l'Univers (tel que ce serait le cas aujourd'hui) ?

[Gilgamesh]

Merci beaucoup Gilgamesh pour la "vulgarisation" de la réponse à mes questions. J'admets que ta réponse n'est pas assez "vulgarisée" pour ma compréhension, mais avec les éléments de ta réponse, je vais chercher encore, pour que ce soit plus clair pour moi.

Néanmoins, je veux bien que tu complètes ta réponse.
Dans mes lectures wikipédia (soyez tolérants, je suis juste un humain qui cherche à comprendre), la phase de réchauffement est incluse dans "l'ère électrofaible". Il est indiqué que selon les théories, l'expansion exponentielle a cessé pendant la phase de réchauffement.
=> Gilgamesh, tu dis que l'expansion n'a pas cessé mais a freiné ; donc qu'elle ne s'est jamais interrompue ; et, tu situes ce moment à l'ère de la Grande Unification. Ai-je bien compris ta réponse ?

Mmmh pas sûr. On reprend.

On part d'un vide de haute énergie, celui du multivers dont procède notre univers. On situe sa densité d'énergie au niveau de Grande Unification (10¹⁶ GeV). Ce vide possède une énergie positive, mais une pression de même valeur mais en négatif. C'est la valeur très élevée mais négative de la pression qui donne sa valeur très élevée au taux d'expansion. C'est ça le "bang" du Big Bang.

Puis ce vide décroit jusqu'à son niveau actuel, résiduel. Et l'énergie du vide est convertie en matière et rayonnement, dont la densité d'énergie et la pression sont toute deux positive. C'est le réchauffement (reheating). Son effet sur le taux d'expansion est inverse à celui du vide. Le taux d'expansion, plus soutenu par une pression négative et désormais freiné par le contenu matériel, s'effondre, mais il ne s'annule pas.

Je comprends qu'à cette époque de l'Univers, la matière jouait un rôle assez mineur et que de ce fait, on ne pourrait pas imputer à la matière noire la cause de la fin de l'Inflation cosmique. Néanmoins, il semble qu'on ne sait toujours pas caractériser aujourd'hui ce que sont la "matière noire" et "l'énergie noire" et leur influence réelle dans l'Univers.
=> Quels sont les éléments qui te permettraient de calculer le moment exact où "la bascule" se serait opérée entre quantités de "matière noire" et "d'énergie noire", pour que "l'énergie noire" domine et accélère l'expansion de l'Univers (tel que ce serait le cas aujourd'hui) ?

On ne connait pas la nature exact de la matière noire, ni de l'énergie sombre, mais on les caractérise très bien par leur effet sur la taux d'expansion.

test LaTeX



Marche pas encore. On attendra pour les formules :/

[A voir en vidéo sur Futura]

[cg13]

Merci Gilgamesh. Mais j'avoue que j'ai l'impression de mieux comprendre ta 1ère réponse que ta seconde.

=> Dans l'Histoire de l'Univers, l'expansion s'est-elle interrompue ou a-t-elle seulement ralenti ?

=> A partir de quels éléments, on pourrait identifier le moment où "l'énergie noire" aurait dominé la "matière noire" ?

[ansset]

=> Dans l'Histoire de l'Univers, l'expansion s'est-elle interrompue ou a-t-elle seulement ralenti ?

déjà, ne pas associer et encore moins confondre l'inflation initiale et l'expansion qui a suivie.
concernant cette dernière, il ne faut pas aussi confondre le "taux" d'expansion et l'expansion elle même
https://fr.wikipedia.org/wiki/Taux_d...n_(cosmologie)

=> A partir de quels éléments, on pourrait identifier le moment où "l'énergie noire" aurait dominé la "matière noire" ?

il est difficile de comprendre cette question, sachant qu'il s'agit de deux phénomènes distincts.
"l'énergie noire" semble être indirectement liée à la topologie de l'univers et donc un phénomène global ( structurel )
"la matière noire" est elle plutôt de l'ordre du local ( autour des amas ou galaxies ).
il est difficile dans ce cadre de parler de "domination" .
que Gil me corrige volontiers.
Cdt

[cg13]

Je vais prendre le risque de dire que l'Inflation cosmique est un modèle qui décrit une expansion exponentielle de l'Univers.

Ce que j'aimerais comprendre : est ce que selon les théories actuelles, l'expansion s'est interrompue ou a seulement freiné ? Ce que j'ai pu lire, c'est qu'elle aurait cessé à "l'ère électrofaible". Dans ce cas, je me suis posé la question pourquoi à ce moment précis, l'Univers ne s'est pas contracté (supposant que l'équilibre entre expansion et contraction de l'Univers ne puisse pas être atteint).

J'ai pu lire également que l'une des causes principales de l'accélération de l'expansion serait liée à l'influence (répulsive) qu'exerce "l'énergie noire" dans l'Univers ; et que l'origine de l'expansion de l'Univers pourrait s'expliquer par une domination des effets (répulsifs) de "l'énergie noire" sur ceux de la "matière noire" (force attractive).

[Lansberg]

Merci Gilgamesh. Mais j'avoue que j'ai l'impression de mieux comprendre ta 1ère réponse que ta seconde.

=> Dans l'Histoire de l'Univers, l'expansion s'est-elle interrompue ou a-t-elle seulement ralenti ?

Non. L'univers est en expansion depuis le "début". Le taux d'expansion n'a par contre cessé de diminuer. Le modèle d'univers retenu jusque dans les années 90 faisait tendre ce taux d'expansion vers 0 dans le futur. Le modèle actuel (LambdaCDM) amène à un taux d'expansion qui devrait se stabiliser dans un lointain futur conduisant à une expansion exponentielle de l'univers.

=> A partir de quels éléments, on pourrait identifier le moment où "l'énergie noire" aurait dominé la "matière noire" ?

Le modèle actuel est défini par des équations dans lesquelles interviennent les densités des différents paramètres cosmologiques qui décrivent l'évolution de l'univers (rayonnement ; matière ; "énergie noire") ainsi que le facteur d'échelle.

Gilgamesh a répondu à ta question : "J'ai la flemme de calculer le moment exact mais ça se calcule sans difficulté et ça se situe vers la moitié de l'âge actuel, à un grosse vache près".

On ne parle pas de matière noire mais de matière dans son ensemble. La transition de la dominance matière- énergie noire se calcule en effet assez facilement à partir de cette relation : S = 0,317.a + 0,683.a^2 + 0,000091971 / a^2

0,317 ; 0,683 ; 0,000091971 sont les densités de matière, d'énergie noire et de rayonnement (calculées à partir des données du satellite Planck). S, est la somme de toutes ces contributions au potentiel gravitationnel de l'univers. "a" est le facteur d'échelle (caractérise la taille de l'univers par rapport à sa taille actuelle. a(o) = 1 pour l'univers actuel. a = 0,25 pour un univers 4 fois plus petit qu'aujourd'hui par exemple).

La somme précédente est minimale lorsque sa dérivée par rapport à "a" s'annule. Cela correspond à l'époque où l'énergie noire commence à dominer sur la matière. La résolution donne un facteur d'échelle d'environ 0,58 ce qui correspond effectivement à un âge de l'univers proche de la moitié de son âge actuel.

Bon, c'est tout de même un peu technique...

[cg13]

Merci Lansberg.

Si je résume ta réponse, l'Univers est en expansion depuis le "début", mais son taux d'expansion ne fait que diminuer. Ai-je bien compris ?

Voici la lecture qui m'a fait penser que l'expansion de l'Univers avait pu cesser : "Pendant la phase de réchauffement, l'expansion exponentielle qui s’était produite pendant l’inflation cesse et l’énergie potentielle du champ d’inflation se désintègre en un plasma de particules relativiste et chaud..." lien : https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_l%27Univers

Merci également pour ta réponse sur les éléments permettant d'identifier la transition de la dominance "matière-énergie noire", mais j'avoue que je n'ai pas les connaissances nécessaires pour comprendre ton explication (j'avais précisé par le titre de la discussion, que c'était une tentative de vulgarisation des théories de l'Histoire de l'Univers).

[Gilgamesh]

Merci Lansberg.

Si je résume ta réponse, l'Univers est en expansion depuis le "début", mais son taux d'expansion ne fait que diminuer. Ai-je bien compris ?

C'est ça.

Voici la lecture qui m'a fait penser que l'expansion de l'Univers avait pu cesser : "Pendant la phase de réchauffement, l'expansion exponentielle qui s’était produite pendant l’inflation cesse et l’énergie potentielle du champ d’inflation se désintègre en un plasma de particules relativiste et chaud..." lien : https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_de_l%27Univers

Voilà, ce plasma joue le rôle de frein, mais ne fait que diminuer le taux d'expansion de la valeur très élévée qui était la sienne, elle ne l'amène pas à zéro.

[cg13]

Merci à vous deux pour vos réponses.

Pour compléter ma compréhension :
=> est ce que c'est en même temps que l'Inflation cosmique qu'un champ de force invisible aurait balayé l'Univers (le champ de Higgs), conférant une masse aux particules ?

[Gilgamesh]

Merci à vous deux pour vos réponses.

Pour compléter ma compréhension :
=> est ce que c'est en même temps que l'Inflation cosmique qu'un champ de force invisible aurait balayé l'Univers (le champ de Higgs), conférant une masse aux particules ?

L'image d'un champ de force qui balaye l'univers n'est pas très bonne Il faut voir ça comme un nouveau changement de phase du vide, qui caractérise la transition électrofaible, c-a-d le passage d'une force électrofaible unifiée à la force faible d'un côté et la force électromagnétique de l'autre. Grosso modo, tant que l'univers est assez chaud (> 300 GeV) il existe un champs qui est symétrique et en dessous de ce seuil de température, il doit "choisir" un état unique parmis une infinité d’états possibles qui sont tous équivalents. C'est ce qu'on appelle une brisure spontanée de symétrie, ou mécanisme de Goldstone. La brisure de symétrie entraîne le scindement du champ électrofaible en deux champs distincts. Le boson médiateur de l'électromagnétisme (photon) va rester sans masse, ce qui explique que cette force ait une portée infinie, mais les 3 autres bosons médiateurs de l’interaction faibles (W± et Z°) vont devenir très massifs (80 à 90 GeV) en se couplant avec le champ de Higgs, ce qui entraîne que l’interaction faible est à très courte portée.