big bang

[invite1814765f]

Quel est le point des connaissances sur les causes de déclenchement du big bang ?
Merci pour vos réponses ou suggestions
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[Deedee81]

Bonjour

(tu as oublié de dire bonjour).

En relativité générale, pas de soucis, c'est une conséquence naturelle de la physique de la gravitation : un univers homogène et isotrope étant soit en contraction soit en expansion (en fait c'est déjà vrai en physique newtonienne). C'est juste une question d'équilibre et du fait que la gravité est toujours attractive (*).

Pour le reste il faudrait passer à la gravitation quantique mais on n'a pas encore de théorie validée, seulement des théories spéculatives avec pleins de modèles tout aussi spéculatifs. Donc on ne sait pas ce qui est bon. Ca risque de rester encore ainsi quelques décennies !!!!

(*) Un équilibre statique est instable. Et c'est connu depuis longtemps. Newton qui pensait l'univers statique et éternel appelait cela "le doigt de Dieu" (veillant à cet équilibre miraculeux).
Et Einstein qui croyait aussi l'univers statique avait introduit la constante cosmologique pour ça dans la relativité générale. Et c'est Lemaître qui lui a montré que sa solution était instable.

[Gilgamesh]

Bonjour

(tu as oublié de dire bonjour).

En relativité générale, pas de soucis, c'est une conséquence naturelle de la physique de la gravitation : un univers homogène et isotrope étant soit en contraction soit en expansion (en fait c'est déjà vrai en physique newtonienne). C'est juste une question d'équilibre et du fait que la gravité est toujours attractive (*).

Pour le reste il faudrait passer à la gravitation quantique mais on n'a pas encore de théorie validée, seulement des théories spéculatives avec pleins de modèles tout aussi spéculatifs. Donc on ne sait pas ce qui est bon. Ca risque de rester encore ainsi quelques décennies !!!!

(*) Un équilibre statique est instable. Et c'est connu depuis longtemps. Newton qui pensait l'univers statique et éternel appelait cela "le doigt de Dieu" (veillant à cet équilibre miraculeux).
Et Einstein qui croyait aussi l'univers statique avait introduit la constante cosmologique pour ça dans la relativité générale. Et c'est Lemaître qui lui a montré que sa solution était instable.

Comme l'évoque ton astérisque, y'a quand même un soucis. Si on se place aujourd'hui, alors on constate que l'univers est en expansion, donc naturellement qu'il y a eu BB. Mais la théorie ne propose pas de situation "naturelle" où partant d'un état initial "sans expansion" on transforme ça en univers en expansion, sauf à faire appel à une gravité répulsive qu'on peut certe qualifier de "naturelle" in fine mais qui a nécessité un long cheminement (et qui ne va pas sans rencontrer certaines résistances).

[Deedee81]

Salut,

Mais la théorie ne propose pas de situation "naturelle" où partant d'un état initial "sans expansion" on transforme ça en univers en expansion,

Partir d'une situation initiale sans expansion, ça ne me semble pas tellement naturel.
Sauf à parler de l'instant initial T=0 où la ma foi on ne sait pas dire grand chose (on a tous nos théories et modèles préférés pour l'instant initial )
Et là à cet instant la théorie ne peut en effet expliquer le démarrage, mais amha c'est plutôt dû au fait que la "pure RG" ne s'applique pas à ce domaine.

EDIT il y a aussi la solution de contraction. Une question qui se pose est : pourquoi pas cette solution ? Il semble (c'est mon avis) que c'est lié à la flèche du temps. Et la question est tout aussi ouverte que la précédente. Mais bon, là je met le pied dans des marais profonds

[A voir en vidéo sur Futura]

[Lebleu34]

Bonjour (!),

Concernant la constante cosmologique, pouvez vous me donner un ou deux éclaircissements svp ?

Si j'ai bien compris :

Einstein, en comprenant la RG y a introduit la constante cosmologique car les résultats montraient que l'univers était en expansion et non statique comme les physiciens l'avaient toujours pensé, et grâce à cet ajout de la constante cosmologique le modèle de la RG avec un univers statique était viable.

Seulement l'univers est bien en expansion...

Du coup la constante cosmologique était en trop, non ?

Dans ce cas pourquoi cette constante cosmologique est-elle devenu une équation (je ne sais pas si le terme est bon) utilisée aujourd'hui alors que la RG devrait fonctionner sans elle vu qu'elle a servi à modéliser un univers statique ?

Question bonus :
La constante cosmologique et l'énergie noire (accélération de l'expansion de l'univers) ont-elles quelque chose à voir ou pas ?

Merci d'avance pour vos lumières

[Deedee81]

Salut,

Très juste pour l'histoire de la constante cosmologique et de Einstein.

Ensuite, il s'avère que la forme la plus générale de l'équation d'Einstein (sous quelques hypothèses bénignes et bien sûr la limite newtonienne) est avec constante cosmologique. Donc, oui, Einstein a abandonné cette constante (ou plutôt donné une valeur de 0). Donc même une valeur 0 devrait normalement être justifiée (les différents termes de l'équation d'Einstein se justifient..... sauf celui-là).

Mais plus tard avec la découverte de l'accélération de l'expansion, elle est revenue au goût du jour (sans certitude que ce soit la bonne manière de faire). Et d'ailleurs on parle de https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_%CE%9BCDM
(le lambda étant la constante cosmologique). Comme quoi quand on est un grand homme même les gaffes sont utiles

La constante cosmologique a les dimensions d'une énergie. Et on peut la voir comme une forme d'énergie (ou comme une pure constante fondamentale, selon qu'on la met à gauche ou à droite de l'équation). Sans certitude là non plus que ce soit la bonne explication. C'est de là qu'est venu l'expression "énergie noire".

[Gilgamesh]

Bonjour (!),

Concernant la constante cosmologique, pouvez vous me donner un ou deux éclaircissements svp ?

Si j'ai bien compris :

Einstein, en comprenant la RG y a introduit la constante cosmologique car les résultats montraient que l'univers était en expansion et non statique comme les physiciens l'avaient toujours pensé, et grâce à cet ajout de la constante cosmologique le modèle de la RG avec un univers statique était viable.

Seulement l'univers est bien en expansion...

Du coup la constante cosmologique était en trop, non ?

Dans ce cas pourquoi cette constante cosmologique est-elle devenu une équation (je ne sais pas si le terme est bon) utilisée aujourd'hui alors que la RG devrait fonctionner sans elle vu qu'elle a servi à modéliser un univers statique ?

Question bonus :
La constante cosmologique et l'énergie noire (accélération de l'expansion de l'univers) ont-elles quelque chose à voir ou pas ?

Merci d'avance pour vos lumières

Une précision supplémentaire : la motivation initiale d'Einstein était simplement d'appliquer sa théorie de la gravité à l'univers tout entier. L’innovation majeure, véritablement révolutionnaire c'est que la gravité dans sa théorie est capable de fermer l'univers. Avec la bonne densité il obtient une hypersphère qui est une variété finie sans bord. Toutefois, cette variété n'est pas stable : son rayon diminue avec le temps, l'univers s'effondre sur lui même. En fait c'est exactement le même soucis qu'avec l'univers newtonien et exactement pour la même raison. La gravité est purement attractive. Newton pensait qu'avec un univers infini le potentiel s'annulait. Mais Poisson plus tard découvrira que le potentiel de gravité d'un milieu homogène infini de densité ρ est -4Gπρ. C'est une quantité négative ce qui signifie que l'évolution naturelle qui est d'abaisser le potentiel est non borné vers le bas : ρ doit augmenter indéfiniment, un milieu homogène infini ne doit jamais cesser de se contracter. Einstein qui reprend le potentiel de Poisson pour finaliser sa théorie tombe exactement sur le même os.

D'où l'intro de la constante cosmologique Λ, qui compense ce potentiel négatif (attractif) par une gravité répulsive. Si on ajuste exactement la valeur de Λ, on stabilise l'univers et le rayon de l'hypersphère reste constant. Sauf que c'est instable, la courbe ci-dessous montre l'évolution du potentiel qui est concave. La moindre instabilité s'amplifie : soit l'univers dominée par Λ rentre en expansion, soit il est dominé par la matière et il s'effondre.

[Lebleu34]

Donc pour hyper-simplifier :

Einstein admet l'idée que l'univers est expansion donc il retire la constante cosmologique de la RG, puis suite à la découverte de l'accélération de l'expansion de l'univers, cette constante est réintroduite pour l'expliquer.

En tant qu'énergie noire, elle est ajoutée au modèle du Lambda CDM, qui réunit les plus importantes théories astrophysiques (fond diffus cosmologique, énergie noire, abondance des éléments légers, et la façon dont sont distribuées les galaxies) autour de la RG et tout ça pour expliquer le big bang et le cosmos...

Mais comme ce modèle réunit plusieurs théories pour la plupart déjà très difficiles à vérifier, il reste très spéculatif.

C'est à peu près ça ?

[Lebleu34]

Du coup un univers fini sans borne et qui finit par s'effondrer sur lui même (pour peut-être refaire un big bang), ça n'est pas délirant... pas plus qu'un univers infini et éternel, non ?

[Deedee81]

Gilgamesh, ton explication me rappelle un point intéressant. J'avais lu sous la plume de Kip Thorn que Einstein avait deux préjugés :
- que l'univers était statique. C'était très compréhensible à l'époque (Hubble n'était pas encore passé par là) et c'est surtout ça qu'il s'est reproché.
- que l'univers était fini (fermé), il trouvait les solutions "infinies" non physiques. Bien entendu on est devenu plus prudent en disant "on sait pas".

Lebleu on s'est croisé :

Du coup un univers fini sans borne et qui finit par s'effondrer sur lui même (pour peut-être refaire un big bang), ça n'est pas délirant... pas plus qu'un univers infini et éternel, non ?

Non, ce n'est pas du tout délirant. Et même l'inverse (un univers infini avec une constante cosmologique appropriée peut se re-contracter et s'effondret, mais là évidemment il ne devient pas tout petit, juste très dense et très chaud).

Mais comme ce modèle réunit plusieurs théories pour la plupart déjà très difficiles à vérifier, il reste très spéculatif.

Non, le modèle utilise les théories validées (RG, TQC, physique nucléaire, thermodynamique, etc...) et les données issues de l'observation (dont certaines non expliquées par les théories validées, comme l'inflation). Mais ça resté évidemment un modèle. Donc une description phénoménologique.

[Lebleu34]

TQC c'est la théorie quantique des champs ?

Ils n'en parlent pas dans l'article wikipedia sur le Lambda CDM

Donc on arrive à unifier les théories cosmologiques avec une théorie quantique ?
C'est fou !

On se rapproche de la théorie du tout là, non (même si, à priori la théorie du tout est quasi impossible à mettre en place, puisqu'elle serait la théorie ultime) ?

Je dis (encore) des bêtises ?

[Deedee81]

TQC c'est la théorie quantique des champs ?

Oui.

Ils n'en parlent pas dans l'article wikipedia sur le Lambda CDM

Ca intervient surtout dans la partie nucléosynthèse primordiale et avant (soupe de particules très énergétiques).
Je crois que le modèle en soi n'y fait pas beaucoup appel, à vérifier.

Donc on arrive à unifier les théories cosmologiques avec une théorie quantique ?
C'est fou !

Non, je le répète, le modèle lambda-CDM est un modèle pas une théorie, il n'unifie rien du tout.

En plus on peut utiliser conjointement la relativité générale et la physique des particules. C'est comme faire appel à des explications de deux spécialistes totalement indépendants. Ca se fait sans problème.... tant que l'un ne dépend "pas trop" de l'autre.
Ce n'est plus les cas pour les tous premiers instants de l'univers (ou au centre des trous noirs) où la gravité et les autres interactions doivent être fortement couplés (et en tout cas les effets quantiques dominant même dans les aspects gravitationnels), et là on est encore dans le brouillard (nos deux spécialistes indépendants.... se contredisent )

[invite1814765f]

Rebonjour
Un univers fini et sans borne parait, pour le profane que je suis, complètement antinomique
Merci pour l'explication sur ce point

[Deedee81]

Un univers fini et sans borne parait, pour le profane que je suis, complètement antinomique

C'est un grand classique

L'illustration habituelle est la sphère. La surface de la sphère est une variété géométrique finie et non bornée. Quand on en suit une géodésique (un grand cercle, l'équateur....) on fait "le tour" mais on ne sort pas de la sphère.

Et on peut parfaitement imaginer que la boule n'est qu'une représentation pour l'humain, seule la surface (la sphère) ayant une réalité physique.

La difficulté ici est de se représenter un tel espace à trois dimensions (et non à deux comme la sphère). Mais mathématiquement ce n'est pas un problème.

Moi je préfère l'illustration avec les jeux vidéos Certains jeux comme pacman sont fini mais sans frontière. Quant le personnage sort à droite il réapparait à gauche. Et évidemment le bord de l'écran c'est juste pour l'affichage (on peut décaler l'image en déréglant le système). Là encore un peut imaginer que seul l'univers ainsi représenté a une réalité physique et pas "l'extérieur" (l'écran, le joueur). Et là passer à 3D est plus facile (certains jeux sont ainsi d'ailleurs).

[Gilgamesh]

Le modèle ΛCDM c'est un modèle avec comme paramètre

• Λ
• CDM

Plus spécifiquement, on part de l'équation de Friedmann simplifiée qui nous indique la dépendance du taux d'expansion avec l'évolution de la densité d'énergie des différents composant énergétique du contenu de l'univers en fonction du facteur d'échelle a.

H(a)² = H₀² (Ω_Λa^3(w+1) + Ω_ka^-2 + Ω_ma^-3 + Ω_ra^-4)

Ne nous laissons pas abuser par la complexité apparente (les notations grecques ça fait toujours son petit effet ) C'est un simple polynôme du genre y = ax³ + bx² + c avec juste a à la place de x, des puissances négatives (-2, -3, -4) et les Ω à la place des coefficients a, b, c... L'équation dit simplement que pour calculer le taux d'expansion passé, on prend sa valeur actuelle H₀ (a=1) et on la multiplie par un polynôme avec 4 termes dont la valeur augmente quand l'univers était plus petit (a<1).

les Ω dénotent le ratio de la densité d'énergie actuelle d'une certaine composante énergétique avec la densité critique de l'univers :

Ω = ρ/ρ_c

avec

ρ_c = 3c²H₀²/(8πG)

Ω_Λ désigne la densité d'énergie sombre aka cte cosmo. Son évolution dépend de la relation entre la pression et la densité d'énergie, médié par un facteur w

P = wρ

Pour un vide dont l'état est constant (donc dans un univers dont les lois ne varient pas dans le temps) on a w = -1 ce qui supprime la dépendance au facteur d'échelle. La constante cosmologie est donc... constante dans le modèle ΛCDM, et sa valeur est le paramètre Λ.

Ω_Λ ~ 0,7


Ω_k est le paramètre de courbure. De façon surprenante il est très proche de zéro. C'est un des aspects les plus fondamentaux du modèle : Ω_k = 0, l'univers est euclidien (plat), depuis le départ. En effet, pour qu'il soit encore plat aujourd'hui vu que la courbure est en 1/a² il fallait qu'il le soit déjà à un très haut degré quand il était des milliards de fois plus petit qu'aujourd’hui : c'est le problème du réglage fin (fine tunning) qui appelle une explication physique (c'est une des motivations les plus forte de la théorie de l'inflation).

Ω_m est la composante de matière (aka poussière, ou composante non relativiste) qui se dilue simplement dans le volume croissant de l'univers. Ω_m ~ 0,3. Or les grands relevés de l'univers et l'analyse de la nucléosynthèse primordiale indiquent que la composante baryonique n'excède pas 0,05 (et celle des étoiles en son sein ~0,01). Par ailleurs l'analyse de l'évolution des grandes structures favorise l'hypothèse selon laquelle la composante invisible est non relativiste (froide) -> Cold Dark Matter (CDM) ~ 0,25

Ω_r est la composante radiative qui se dilue dans le volume et qui subit un redshift. Elle était dominante dans les premier 50 ka de l'univers et est réduit a presque rien aujourd'hui Ω_r ~ 10^-4.


Là dedans, y'a pas vraiment de théorie nouvelle : c'est du paramétrage (4 paramètres : 0.7, 0, 0.3, 10^-4) en fonction de ce qu'on sait (ou que l'on postule pour Λ) de la dépendance de la densité d'énergie au facteur d'échelle (a quel degré l'énergie se dilue quand l'univers grandit). Et on applique ce truc là à un milieu connu (correspondant à l'état de l'univers au moment du découplage, 380 ka après le début de l'expansion, soit un plasma d'hydrogène et d'hélium de densité et température parfaitement mesuré) pour obtenir l'univers actuel. Et ça marche plutôt pas mal, alors que le modèle est vraiment très simple. Disons que c'est une bonne base.

[Lebleu34]

Merci @deedee81 pour ces précisions.

Je me sens (infinitésimalement) moins bête à chaque fois grâce à vous.

@frcfrc : sur les questions d'univers sans bords, de finitude ou d'infini, de temps relatif... comme sur les questions de physique quantique avec en vrac l'intrication quantique, les sauts quantiques, le spin, la dualité onde/corpuscule et le fait qu'un observateur influe le résultat ou encore d'hypothétiques dimensions repliées... le cerveau des grands singes que nous sommes qui ne connait qu'une vie en 3 dimensions plus un temps linéaire n'est pas fait pour visualiser tout ça.

Apparemment certains avec des bacs S +++ et beaucoup d'imagination y arrivent quand même mieux que d'autres...

[Deedee81]

Ton explication est costaude

Et ça marche plutôt pas mal, alors que le modèle est vraiment très simple. Disons que c'est une bonne base.

On n'inclut pas normalement aussi les données sur les grandes structures, les fluctuations du rayonnement fossile, les calculs de nucléosynthèse etc... etc.... et tout ça ?
(sinon la base oui est simple)

le cerveau des grands singes que nous sommes

C'est tellement vrai

Apparemment certains avec des bacs S +++ et beaucoup d'imagination y arrivent quand même mieux que d'autres...

C'est aussi l'habitude, et les maths aident. On finit par s'en affranchir et à visualiser mentalement... un petit peu (à un certain niveau pas moyen de faire sans math, je sais visualiser un tesserac mais pour la géométrie de Schwartzchild c'est par "astuce" et "coupes", en fait, je visualise le diagramme de Penrose et faut pas aller beaucoup plus loin pour que je ne sache plus du tout visualiser).

Et tu sais, ni moi ni Gilgamesh ne somment physicien (ni astro). Moi je suis ingénieur civil en électricité et je suis fonctionnaire informaticien. Mais la physique est une passion Bon, je vais pas trop loin dans le tchat, ce forum ne s'y prette pas du du tout. Mais c'est pour dire "personne ne doit se décourager, tous peuvent y arriver, suffit d'aimer"

[Lebleu34]

Ah oui,
ça n’empêche pas que vous soyez quand même sacrément calés... en même temps il vaut mieux pour animer/modérer un forum de physique.
Puis ingénieur ça reste un bac S +++...
Moi je pars disons, d'un peu plus loin avec mon... C.A.P

[invite1814765f]

RE bonjour
Et moi qui ne suis que médecin, je suis complètement dépassé par vos propos, propos qui, quoique non absorbés, enchantent néanmoins mon esprit !!

[Deedee81]

Quand certaines choses semblent trop pointues, faut pas hésiter à préciser les questions. Y a souvent moyen de vulgariser tel ou tel point.

Bon, je suis parti : bon week end las amis.

[Gilgamesh]

Ton explication est costaude



On n'inclut pas normalement aussi les données sur les grandes structures, les fluctuations du rayonnement fossile, les calculs de nucléosynthèse etc... etc.... et tout ça ?
(sinon la base oui est simple)

Dans les premières simulations (début des années 2000), on part d'un état intégrant les fluctuation du CMB avec uniquement de la matière noire (et une matière baryonique "spectatrice") et ça donne des trucs déjà pas mal.

Par exemple : https://www.youtube.com/watch?v=2qeT4DkEX-w

Le soucis majeur est l'excès de galaxies naines et le fait que les galaxies soient trop riche en matière baryonique par rapport à l'observé. Mais il semble que si on rajoute un modèle physique de formation stellaire (avec explosions de supernovae) + noyaux actifs capable de balancer de grand coup de torchon dans le milieu galactique et de l'appauvrir suffisamment on se rapproche de la réalité. Ça reste toujours ΛCDM mais la simulation qui est faite gagne en fidélité.

Par exemple : https://youtu.be/32qqEzBG9OI?t=83

[Gilgamesh]

Et tu sais, ni moi ni Gilgamesh ne somment physicien (ni astro). Moi je suis ingénieur civil en électricité et je suis fonctionnaire informaticien. Mais la physique est une passion Bon, je vais pas trop loin dans le tchat, ce forum ne s'y prette pas du du tout. Mais c'est pour dire "personne ne doit se décourager, tous peuvent y arriver, suffit d'aimer"

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(ingénieur en agriculture de formation, et présentement développeur informatique).