La densité de l'énergie noire

[flo8585]

Bonjour,

Je me renseigne depuis peu sur ce qu'on appelle l'énergie noire, et je me suis posé plusieurs questions en lisant des articles à son sujet et sur son impact sur le destin de l'univers.

En effet, j'ai pu lire que (hypothétiquement) si la densité de l'énergie noire n'augmentait pas, toutes les structures qui ne seraient pas liées gravitationnellement finiraient par s'éloigner les unes des autres. Dans ce scénario là, cela n'a pas un gros impact sur nous n'est-ce pas ? En effet, à part le fait que notre galaxie serait de plus en plus isolée, il n'y a pas de conséquences à plus petite échelle non ?
Enfin, d'autres théories parlent d'une modification de la densité de l'énergie noire qui nous mènerait soit à un big crunch, soit à un big rip. Seulement ce que je ne comprends pas dans ces théories, c'est qu'elles n'expliquent pas ce qui provoquerait cette modification de densité. Une énergie (à supposer que l'énergie noire en soit bien une) peut-elle voir sa densité changer sans raison ? Si non, quelles phénomènes engendrerait une modification de la densité de l'énergie noire ?

En continuant à me renseigner sur le sujet, j'ai découvert que des travaux réalisés en 2004 avec le satellite Chandra montreraient que l'expansion de l'univers a commencé à accélérer il y a 6 milliards d'années et que l'énergie noire semble rester constante. Avez-vous plus d'information au sujet de cette étude ? Car je me pose pas mal de questions. En effet, si l'expansion de l'univers a commencé à accélérer il y a "seulement" 6 milliards d'années, cela veut-il dire que l'énergie noire était moins dense avant ? Si c'est bien le cas, à quoi est du cette augmentation de la densité de l'énergie noire ? De plus, s'il s'avère que la densité de l'énergie noire a déjà changé dans le passé, cela donne du crédit aux théories de big rip et de big crunch.

Par ailleurs, étant novice en la matière, j'aimerais savoir si l'on avait déjà réussi à modifier en laboratoire la densité énergétique d'une énergie ? J'entends par là la question d'une forme d'énergie à partir d'un type d'énergie déjà existant ?

Merci d'avance pour vos réponses,
flo8585
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[Deedee81]

Salut,

En effet, si l'expansion de l'univers a commencé à accélérer il y a "seulement" 6 milliards d'années, cela veut-il dire que l'énergie noire était moins dense avant ?

Non, l'univers devenant de moins en moins dense (la matière et le rayonnement), ce serait l'époque où la densité d'énergie noire (qui elle reste peut-être constante) est devenue dominante.

Je n'en sais pas plus, je ne suis pas spécialiste de l'énergie noire (bon, faut avouer qu'on n'en sait guère plus ). Mais certains ici pourront sans doute te donner des infos plus précises sur les mesures avec Chandra et sur les modèles. Je leur laisse la main.

[flo8585]

Bonjour et merci pour ta réponse.

C'est justement un point que j'ai du mal à comprendre. Tu dis que l'univers devient de moins en moins dense car il y a de moins en moins de matière et que c'est à cause de ce phénomène que la densité de l'énergie noire serait devenue dominante il y a 6 milliards d'années c'est ça? Dans ce cas, qu'est devenu la matière qui a disparu ? Elle se serait transformé en énergie noire ?

[Deedee81]

AAAARG je me suis mal expliqué.

Elle n'a pas disparu. Simplement avec l'expansion, elle se "dilue" et sa densité diminue.
Tandis que la densité d'énergie noire serait (conditionnel) constante.

[A voir en vidéo sur Futura]

[flo8585]

Ah d'accord je viens de comprendre pour la matière merci de l'explication. J'ai cependant du mal à me figurer une densité d'énergie constante. Cela veut-il dire que dans un trou noir, là où la masse est incroyablement condensé, la densité d'énergie noire serait moindre que dans le reste de l'univers ?

[Deedee81]

Ah d'accord je viens de comprendre pour la matière merci de l'explication. J'ai cependant du mal à me figurer une densité d'énergie constante. Cela veut-il dire que dans un trou noir, là où la masse est incroyablement condensé, la densité d'énergie noire serait moindre que dans le reste de l'univers ?

A priori la densité d'énergie noire serait constante, une constante universelle. Donc la même partout, y compris dans un trou noir.
C'est la constante cosmologique.
Mais ça reste une modélisation, si c'est une constante cosmologique il serait sans doute abusif de le considérer comme une "énergie".
Mais si c'est une énergie du vide, due à un champ de type "inflaton" (un champ scalaire particulier) alors oui ce serait bien une forme d'énergie.
Tout ça reste à vérifier (et même sa valeur constante n'est encore qu'une hypothèse)

On ne sait pas grand chose sur l'énergie noire. Tout ce qu'on peut dire c'est qu'il y a une accélération de l'expansion. C'est très peu.
(et il existe d'ailleurs un tas d'hypothèses alternatives.... j'ai même la mienne )

[Gilgamesh]

Bonjour,

Je me renseigne depuis peu sur ce qu'on appelle l'énergie noire, et je me suis posé plusieurs questions en lisant des articles à son sujet et sur son impact sur le destin de l'univers.

En effet, j'ai pu lire que (hypothétiquement) si la densité de l'énergie noire n'augmentait pas, toutes les structures qui ne seraient pas liées gravitationnellement finiraient par s'éloigner les unes des autres. Dans ce scénario là, cela n'a pas un gros impact sur nous n'est-ce pas ? En effet, à part le fait que notre galaxie serait de plus en plus isolée, il n'y a pas de conséquences à plus petite échelle non ?
Enfin, d'autres théories parlent d'une modification de la densité de l'énergie noire qui nous mènerait soit à un big crunch, soit à un big rip. Seulement ce que je ne comprends pas dans ces théories, c'est qu'elles n'expliquent pas ce qui provoquerait cette modification de densité. Une énergie (à supposer que l'énergie noire en soit bien une) peut-elle voir sa densité changer sans raison ? Si non, quelles phénomènes engendrerait une modification de la densité de l'énergie noire ?

En continuant à me renseigner sur le sujet, j'ai découvert que des travaux réalisés en 2004 avec le satellite Chandra montreraient que l'expansion de l'univers a commencé à accélérer il y a 6 milliards d'années et que l'énergie noire semble rester constante. Avez-vous plus d'information au sujet de cette étude ? Car je me pose pas mal de questions. En effet, si l'expansion de l'univers a commencé à accélérer il y a "seulement" 6 milliards d'années, cela veut-il dire que l'énergie noire était moins dense avant ? Si c'est bien le cas, à quoi est du cette augmentation de la densité de l'énergie noire ? De plus, s'il s'avère que la densité de l'énergie noire a déjà changé dans le passé, cela donne du crédit aux théories de big rip et de big crunch.

Par ailleurs, étant novice en la matière, j'aimerais savoir si l'on avait déjà réussi à modifier en laboratoire la densité énergétique d'une énergie ? J'entends par là la question d'une forme d'énergie à partir d'un type d'énergie déjà existant ?

Merci d'avance pour vos réponses,
flo8585

L'équation de Friedman qui gouverne l'expansion peut être ultra stylisée comme ça :

H² ~ ρ

avec :
H le taux d'expansion. H est la dérivée logarithmique du facteur d'échelle (le facteur d'échelle, noté a est la taille de l'univers si tu veux) : H = (da/dt)/a = ȧ/a
ρ la densité de l'univers.

Warning : cette équation donnerait à penser que la densité de l'univers provoque son expansion, mais c'est trompeur. La masse de l'univers agit bien comme un frein de l'expansion. C'est donné par une 2e équation qui dit que l'évolution de H dans le temps, dH/dt = ä/a, est proportionnelle à -ρ. En gros ce que dit la 1e équation c'est que si H a une valeur donnée à un instant donné, quand on remonte dans le temps, H augmente ainsi que la densité vu que l'univers était plus petit.

On peut décomposer ρ en différente composante, il y en a 4 (rayonnement, matière, courbure, cte cosmo) mais pour simplifier on va n'en prendre que 2 (les deux autres ont un impact négligeable pour ce qui nous intéresse) : la matière ρ_m et la constante cosmo ρ_Λ. Et introduire dans l'équation la façon dont cette composante évolue avec la croissance du facteur d'échelle.

Pour la matière c'est simple, elle se dilue dans le volume croissant de l'univers lui même proportionnel au cube du facteur d'échelle. Si je note ρ_0,m la densité actuelle de matière, et en prenant pour convention que le facteur d'échelle actuel a₀=1, la densité de matière pour un facteur d'échelle quelconque ρ_m(a) est donnée par :

ρ_m(a) = ρ_0,m/a³

Et pour la constante cosmologique, comme le Port Salut, c'est marqué dessus, elle est constante. Enfin, dans le modèle standard en tout cas.


Notre équation devient :

H² ~ ρ_0,m/a³ + ρ_Λ

Au début, comme a est très petit, le premier terme est archi-dominant (et dominé lui même par la densité de rayonnement) et la cte cosmo est parfaitement négiligeable dans le bilan. Mais comme l'univers ne cesse de grandir, le premier terme s'évanouit progressivement (l'univers se dilue) et arrive fatalement un moment où ρ_Λ > ρ_0,m/a³. C'est ce basculement qui signe le passage de l'ère de matière à l'ère du vide (il y a ~ 6 Ga, j'ai pas fais le calcul mais c'est dans ces eaux là). Et dans le future, ne reste que le second terme dans l'équation:

H² ~ ρ_Λ = cte

on a donc :

ȧ/a = cte

Si je fait passer a de l'autre coté

ȧ ~ a

La croissance du facteur d'échelle da/dt est proportionnel au facteur d'échelle. Plus une distance séparant deux points de coordonnées fixes (on dit "comobiles") est grande, plus l'écart qui les sépare s’accroît rapidement, et l’expression de a devient une exponentielle du temps :

a ~ e^Ht

C'est ça qu'on appelle l'accélération de l'univers.

Si ρ_Λ était égale à 0 tu vois que au contraire ce taux d'accroissement tendrait vers zéro.


Si tu veux les équations exactes car j'ai tellement stylisé que c'est presque faux un cours ici : Évolution de l’Univers, le modèle standard de la cosmologie

[flo8585]

Merci pour vos réponses détaillées.

Donc si j'ai bien compris les équations, l'expansion de l'univers entraîne une baisse de la densité de matière dans l'univers et donc, à un point donné, il y a de moins en moins de matières et l'énergie noire, qui resterait constante, devient de plus en plus influente. J'ai cependant du mal à le concevoir. En effet, si l'univers contient la même quantité de matières et d'énergie noire qu'à sa naissance, comment peut-il être en expansion. Par exemple, c'est comme s'il était possible de faire une terrasse de 50 mètres carrés avec le même nombre de dalles qu'une terrasse de 10 mètres carrés. je peux très bien espacer les dalles, mais il y aura donc du vide entre chaque dalles. Est-ce qu'il serait possible que l'expansion de l'univers crée du vide total ?

Je suis également tombé sur la théorie d'un physicien français selon laquelle l'expansion de l'univers serait causé par l'antimatière qui générerait de l'antigravité. Ce serait cette antigravité que l'on appellerait énergie noire. A ce sujet, j'ai lu que des expériences au CERN entre 2019 et 2021 viseraient à mesurer cette antigravité. Auriez-vous des informations sur l'avancée de ces recherches ?

[Deedee81]

Si la densité d'énergie noire est constante alors avec l'expansion cette énergie serait en augmentation. Franchement, ça, ça m'embête. Mais j'ai peut de trop m'avancer de ce côté là. Je ne maitrise pas assez.

Pour l'antigravité, les mesures sont encours, sûrement des infos avant la fin de l'année (ça avance ENFIN).
Mais je doute que ça explique l'énergie noire : y a trèèèèèès peu d'antimatière dans l'univers observable (et c'est lui qu'on voit accélérer)

[invite44510b00]

Bonjour

Tout ce qu'on peut dire c'est qu'il y a une accélération de l'expansion.

Il me semble qu'il y a quelques mois est sorti un papier qui remettait non pas en cause l’accélération directement (enfin, si, au final ....) , mais les mesures de distance aboutissant à la conclusion de l'accélération.
Sauf erreur de ma part, hier ou avant hier, la NL de Nature faisait mention d'un autre papier qui allait dans le même sens.

Où en est on de ce sujet ?

[invite44510b00]

(suite)

Le papier mentionné dans la NL de Nature, c'est pas tout à fait aussi radical :
https://www.scientificamerican.com/a...63b68-43768949

L'abstract de la NL mentionne :

Taking these clusters as beacons of the rate of cosmic expansion, the findings would mean that one region is expanding slower than the rest of the Universe, and another is expanding faster.

.

[Deedee81]

(suite)

Le papier mentionné dans la NL de Nature, c'est pas tout à fait aussi radical :
https://www.scientificamerican.com/a...63b68-43768949

L'abstract de la NL mentionne :

.

Ca c'est intéressant. TRES. Et récent. A suivre.
Merci

[Gilgamesh]

Merci pour vos réponses détaillées.

Donc si j'ai bien compris les équations, l'expansion de l'univers entraîne une baisse de la densité de matière dans l'univers et donc, à un point donné, il y a de moins en moins de matières et l'énergie noire, qui resterait constante, devient de plus en plus influente. J'ai cependant du mal à le concevoir. En effet, si l'univers contient la même quantité de matières et d'énergie noire qu'à sa naissance, comment peut-il être en expansion. Par exemple, c'est comme s'il était possible de faire une terrasse de 50 mètres carrés avec le même nombre de dalles qu'une terrasse de 10 mètres carrés. je peux très bien espacer les dalles, mais il y aura donc du vide entre chaque dalles. Est-ce qu'il serait possible que l'expansion de l'univers crée du vide total ?

C'est exactement l'idée, aussi choquant que ça puisse paraître. Mais, magie de la Physique, ça se fait à bilan d'énergie nul. Là, j'ai pas la démo, juste le cours de Alan Guth là dessus mais l'idée est que cette augmentation de l'énergie totale du vide (positive) est "payée" par le potentiel de gravité de l'univers qui devient de plus en plus négatif. Les deux se compensent exactement. Comme y'a pas de limite à énergie négative du champ de gravité, tu peux considérer que la gravité joue le rôle d'une banque capable de fournir indéfiniment du crédit sans être jamais remboursée. And here we are

Si tu n'es pas bloqué par l'anglais : Alan Guth Module 2: Negative Energy Density

Trad Google du résumé du cours
MODULE 2: Résumé de la densité d'énergie négative

L'inflation propose qu'un «patch» de matériau de gravité répulsif existait dans l'univers primitif.

- Si l'expansion inflationniste avait eu lieu à l'échelle de la théorie grand-unifiée, le patch requis aurait pu être aussi petit que 10^-28 cm de diamètre, plus de un milliard de fois plus petit qu'un proton.

- L'inflation pourrait étirer ce patch suffisamment pour qu'il devienne aussi grand que l'univers visible.

- La répulsion gravitationnelle a été la force motrice du Big Bang.

- Le patch en inflation aurait été connu une expansion exponentielle avec un temps de doublement d'environ 10^-38 secondes. Cela signifie que toutes les 10^-38 secondes, la taille du patch augmente d'un facteur e (2,718).

- Le patch s'est agrandi d'un facteur d'au moins 10²⁸ (100 fois le double), mais il aurait pu s'étendre beaucoup plus.

- Ce facteur est l'expansion minimale nécessaire pour garantir que l'univers visible possède les caractéristiques révélées par les observations.

Lorsque l'inflation a pris fin, l'accélération s'est «arrêtée».

-A la fin de l'inflation, la région destinée à devenir l'univers actuellement observable n'avait que la taille d'une bille.

- Cet univers de la taille d'une bille a continué de s'étendre, mais a commencé à ralentir en raison de la force ordinaire de la gravité attractive.

Pourquoi l'inflation a-t-elle pris fin?

- Le fluide de gravité répulsive était instable, semblable à une substance radioactive.

- Ce processus de désintégration a libéré de l'énergie, qui a ensuite produit des particules ordinaires et est devenue la soupe primordiale.

Étonnamment, pendant l'expansion exponentielle, la densité d'énergie formant la source de la gravité répulsive n'a pas diminué.

- En règle générale, si une fluide s'étend dans volume plus grand, la densité de masse qu'elle contient diminue. Pensez à un gaz dans une bouteille libéré dans une pièce. Il existe un nombre connu de particules qui remplissent ensuite le volume de la pièce, entraînant une baisse de la densité. Mais ici ce n'est pas le cas.

- Bien que cela puisse suggérer que l'énergie n'a pas été conservée pendant l'inflation, il y a un sens dans lequel elle se trouve - cela repose sur le "miracle" que l'énergie d'un champ gravitationnel est négative!

Je suis également tombé sur la théorie d'un physicien français selon laquelle l'expansion de l'univers serait causé par l'antimatière qui générerait de l'antigravité. Ce serait cette antigravité que l'on appellerait énergie noire. A ce sujet, j'ai lu que des expériences au CERN entre 2019 et 2021 viseraient à mesurer cette antigravité. Auriez-vous des informations sur l'avancée de ces recherches ?

Comme dit pas DD, il y a tellement peu d'antimatière dans l'univers que ça ne vaut même pas la peine d'en parler. La densité d'énergie de l'antimatière est positive, donc en bonne logique sa gravité devrait l'être aussi. Mais ça mérite d'être vérifié. Y'a une expérience en cours au CERN, mais ça n'a pas l'air de la tarte car ça fait une éternité qu'on attend des résultat.

[flo8585]

Bonjour et merci beaucoup pour toutes ces réponses.
On est donc censé avoir les résultats des recherches sur l'antigravité hypothétique d'ici la fin d'année ou 2021. Impatient de voir ce que ça va donner même si comme vous l'avez dit il y a peu de chances que cela explique l'expansion de l'univers. Mais la thèse de l'antigravité, même si cette dernière ne provient pas de l'antimatière, semble assez crédible non ? On peut penser que l'énergie noire, peu importe sa nature exacte, devrait avoir les propriétés d'une antigravité. Puisque la gravité existe, il semble plus facile d'imaginer son contraire plutôt qu'un nouveau type de force complètement inconnu. Après, c'est dommage que la vérité soit rarement la thèse la plus simple en physique ...

[invite44510b00]

B Mais la thèse de l'antigravité, même si cette dernière ne provient pas de l'antimatière, semble assez crédible non ? On peut penser que l'énergie noire, peu importe sa nature exacte, devrait avoir les propriétés d'une antigravité. .

Je ne sais pas d'où sort cette idée .....

[Deedee81]

Je ne sais pas d'où sort cette idée .....

Elle est répulsive
(enfin, phénoménologiquement en tout cas, rien ne dit que ce soit vraiment une répulsion)

Mais la thèse de l'antigravité, même si cette dernière ne provient pas de l'antimatière, semble assez crédible non ?

Plausible/possible plutôt que crédible (dans le sens ni plus ni moins que la grosse dizaines d'hypothèses théoriques sur le sujet). Difficile d'en dire plus.

Et concernant l'antimatière, difficile de dire aussi.
A une époque, il y avait un débat de théoricien sur l'origine de la violation CP.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Sym%C3%A9trie_CP

Celle-ci pouvait être prise en compte (comme on fait dans le modèle standard) par la matrice CKM https://fr.wikipedia.org/wiki/Matrice_CKM
qui induit un mélange de saveurs (comme pour les neutrinos, mais la masse élevée des quarks change beaucoup de choses).

Une autre possibilité était une violation CP liée à la gravitation, cela avait été théorisé (bien que je n'en connaisse pas les détails et je ne trouve pas dans wikipedia)

Cette idée avait deux conséquences :
- une augmentation de la violation CP avec la masse, donc une violation plus forte pour le méson B que pour le méson K (le Modèle Standard prédisant l'inverse).
- une antimatière répulsive
- et même un lien avec les trous noirs extrémaux et l'existence d'un possible univers jumeaux et la matière noire (= alors matière ordinaire, indétectable autrement que par la gravitation, et remontant le temps vis à vis de nous)
J'avais adoré l'idée.

Mais :
- Les expériences avec Babar https://fr.wikipedia.org/wiki/BaBar_(exp%C3%A9rience)
(le détecteur, pas l'éléphant !)
ont montré que la violation CP du méson B est plus faible et conforme au Modèle Standard
- les données accumulées sur la matière noire montre qu'elle est proche d'une matière noire froide (modèle https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_%CE%9BCDM ) ne pouvant s'identifier à une matière ordinaire cachée .... même remontant le temps

Mort d'une belle idée.
(depuis quelques années, à part le Higgs, on commence à s'habituer aux "résultats négatifs", mais c'est lassant)

Mais la possibilité d'une antimatière répulsive reste même si devenu moins probable (enfin, dans la mesure ou "probable" peut s'appliquer ici )

Affaires à suivre

[invitedd63ac7a]

Trad Google du résumé du cours

Merci pour cette attention. Tout le monde n'est pas nécessairement à l'aise avec l'anglais.

[Gilgamesh]

Bonjour et merci beaucoup pour toutes ces réponses.
On est donc censé avoir les résultats des recherches sur l'antigravité hypothétique d'ici la fin d'année ou 2021. Impatient de voir ce que ça va donner même si comme vous l'avez dit il y a peu de chances que cela explique l'expansion de l'univers. Mais la thèse de l'antigravité, même si cette dernière ne provient pas de l'antimatière, semble assez crédible non ? On peut penser que l'énergie noire, peu importe sa nature exacte, devrait avoir les propriétés d'une antigravité. Puisque la gravité existe, il semble plus facile d'imaginer son contraire plutôt qu'un nouveau type de force complètement inconnu. Après, c'est dommage que la vérité soit rarement la thèse la plus simple en physique ...

Dans l'interprétation la plus courante, l'énergie sombre a la propriété d'un vide dont l'énergie de point zéro serait non nulle. Ce qui est prédit par la théorie quantique des champs. Le champ correspondant est un champ scalaire (le plus simple des champ, mais dont le seul exemple que nous aillons est le champ de Higgs).

Un vide d'énergie positive exhibe une propriété très exotique : sa pression est négative, de même valeur absolue que son énergie.

P = -ρ


Plus haut j'ai dis que la 2e équation de Friedman reliait la dérivée seconde du facteur d'échelle ä/a avec -ρ. En fait ça inclue la pression :

ä/a ~ - (ρ + 3P)

Tu vois que si P = -ρ ça devient :

ä/a ~ 2ρ


qui est positif => accélération de l'univers.