les galaxies spirales se développant plus rapidement que prévu
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les galaxies spirales se développant plus rapidement que prévu



  1. #1
    newfrench

    les galaxies spirales se développant plus rapidement que prévu


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    Bonjour, j'ai 2 questions:

    1. la découverte par le télescope webb de galaxie spirales bien formées seulement 200 à 300 millions d'années après le big bang ne pose t'il pas un défi aux modèles classiques de formation galactique. Si j'ai bien compris, dans les théories traditionnelles les galaxies spirales mettent plusieurs milliards d'années à se structurer. Sait on pourquoi il y a un écart si important entre le calcul et la réalité?

    2. Plusieurs observations suggèrent que l'expansion de l'univers est plus rapide que prévu par calcul. Connait on les causes de ces écarts?

    Pour info, j'ai la connaissance d'un amateur intéressé par l'astrophysique.

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  2. #2
    Gilgamesh
    Modérateur

    Re : les galaxies spirales se développant plus rapidement que prévu

    Citation Envoyé par newfrench Voir le message
    Bonjour, j'ai 2 questions:

    1. la découverte par le télescope webb de galaxie spirales bien formées seulement 200 à 300 millions d'années après le big bang ne pose t'il pas un défi aux modèles classiques de formation galactique. Si j'ai bien compris, dans les théories traditionnelles les galaxies spirales mettent plusieurs milliards d'années à se structurer. Sait on pourquoi il y a un écart si important entre le calcul et la réalité?
    Le modèle standard de la formation des galaxies est appelé modèle hiérarchique, à savoir que le moyen principal pour une galaxie d’accroître sa masse se fait par fusion (merger) de galaxies plus petites.

    La formation des petites galaxies se passe en plusieurs étapes. Au départ, on a un milieu extrêmement homogène de matière ordinaire (baryon) et de matière noire, avec de minuscule fluctuation issue de la phase initiale précédent le Big bang, qu'pn appelle l'inflation.

    La matière noire étant transparente au rayonnement, elle s’effondre en premier (avant même l’émission du fond de rayonnement fossile) et permet à l'univers de prendre de l’avance dans la formation des grandes structures. La matière noire étant non-collisionnelle, cet effondrement n’est pas dissipatif (pas d’émission de lumière, de frottement, etc.). La matière noire ne peut donc s’effondrer au-delà d’un certain stade, et quand elle l’a atteint, on dit qu’elle est virialisée (le théorème du viriel dit qu’à l’équilibre, l’énergie cinétique représente la moitié de l’énergie potentielle gravitationnelle, de la sorte la matière est piégée dans un puits de gravitation et ne peut plus en sortir).

    Ces globules de matière noire forment des puits de potentiel qui vont piéger les baryons (= matière ordinaire : hydrogène, hélium essentiellement, sous forme neutre ou ionisée). La matière ordinaire étant collisionnelle, les chocs chauffent la matière, qui émet de la lumière, ce qui dissipe l’énergie gravitationnelle du nuage : c’est grâce à cela que l’univers va pouvoir se structurer à petite échelle pour former des galaxies et des étoiles.

    Si on met tout ça en équation, on trouve des durées de formation qui sont mises sous tension par les observations du JWST. Ceci dit, l’ensemble du premier milliard d’années de l’univers est encore largement terra incognita, donc ce n’est pas spécialement surprenant.

    Parmi les ingrédients-clés qui viennent pimenter le modèle hiérarchique, il y a notamment la formation et l’activité des trous noirs supermassifs qui vont accréter de la matière et former ce qu’on appelle des noyaux actifs de galaxies (AGN). C’est un phénomène qui injecte une puissance considérable dans le milieu galactique et le gaz d’amas, sous forme de rayonnement puissant et de jets de gaz relativistes. On pense que cela contribue à limiter fortement la natalité stellaire.

    Le second ingrédient, ce sont les filaments de gaz froids de la toile cosmique, encore très difficiles à observer et qui vont être comme des cordons ombilicaux pour canaliser du gaz frais vers les galaxies et alimenter leur formation stellaire.

    On ne sait pas si on a tous les ingrédients de la recette, mais même avec cela, le dosage de tous ces composants du modèle est déjà très compliqué à résoudre et nécessite des points d’ancrage observationnels à l’intérieur de ce premier milliard d’années de l’univers.

    2. Plusieurs observations suggèrent que l'expansion de l'univers est plus rapide que prévu par calcul. Connait on les causes de ces écarts?

    Pour info, j'ai la connaissance d'un amateur intéressé par l'astrophysique.

    Un peu de math pour comprendre de quoi il s'agit.

    Le paramètre fondamental de la cosmologie est le facteur d'échelle, ou "taille de l'univers".

    Le taux d'expansion H = (da/dt)/a, c'est la dérivée logarithmique de ce facteur d'échelle (d(ln(a))/dt) et ça a la dimension d'un "pourcentage par seconde". Sa valeur actuelle est notée H0 = 70 km/s/Mpc. Des km (longueur) / seconde (temps) / Mpc (longueur). En unité SI, c'est donc des m/s/m, donc des 1/s, l'inverse d'un temps. H0 = 2.10-18 s-1. Ça veut dire que si je prends une longueur de 1018 m dans l'univers, à la seconde qui suit, cette longueur aura augmenté de 1018 * 2.10-18 = 2 mètres.

    Les équations de Friedman permettent de calculer ce taux d'expansion en fonction de la densité et de la pression de l'univers (et de la courbure, mais dans le cas de notre univers, elle est tellement petite qu'on peut la considérer nulle), en tenant compte du fait que les différentes formes d'énergie de l'univers évoluent différemment avec la croissance du facteur d'échelle a. Dans ce qui suit, la notation Ω0,i dénote le ratio actuel de la densité d'énergie de la composante i avec la densité critique de l'univers.

    La densité de rayonnement Ωr varie en 1/a4. Ω0,r ~ 10-4
    La densité de matière Ωm varie en 1/a3. Ω0,m ~ 0,3
    La densité de courbure Ωk varie en 1/a2. Ω0,k ~ 0
    La densité de cte cosmo est constante ΩΛ ~ 0,7

    Le taux d'expansion en fonction du facteur d'échelle s'exprime comme :

    H(a)2 = H02r + Ωm + Ωk + ΩΛ]

    soit :

    H(a)2 = H020,r/a4 + Ω0,m/a3 + Ω0,k/a2 + ΩΛ]

    Si on néglige le rayonnement et la courbure et qu'on remplace les Omega par leur valeur numérique :

    H(a)2 ~ H02[0,3/a3 + 0,7]

    C'est une fonction strictement décroissante mais qui tend asymptotiquement vers un terme constant H = H0√0,7 ~ 56 km/s/Mpc.

    Quand la matière domine, H décroît en 1/a3 et le facteur d'échelle évolue comme une fonction puissance avec un indice <1, l'expansion semble de plus en plus paresseuse. Dans l'image ci-dessous, ça correspond à la partie tout à gauche de la courbe violette.

    a(t) ~ t2/3

    Quand la matière est tellement diluée que l'énergie du vide domine, H devient constant et le facteur d'échelle évolue comme une fonction exponentielle, c'est la partie droite de la courbe violette :

    a(t) ~ eHt

    Vu que la dérivée d'une exponentielle est une exponentielle, la vitesse de récession entre deux points, da/dt va également augmenter de manière exponentielle avec le temps. Les choses s'éloignent de plus en plus et de plus en plus vite.

    C'est le passage d'un régime "puissance" à un régime "exponentiel" qui fait parler d'expansion accélérée.

    Une fois ceci acquis, il reste à comprendre la nature physique de ce Λ, qui, dans ce qui précède, est un simple paramètre auquel on donne la bonne valeur pour rejoindre les observables.

    Il faut un fluide qui a ces deux caractéristiques, plutôt exotiques de prime abord : 1/ il ne se dilue pas avec l'expansion 2/ il possède une équation d'état qui lui donne une pression négative.

    Et il se trouve qu'on a ce fluide "sous la main" : le vide, celui de la théorie quantique des champs, qui oblige à repenser fondamentalement la distinction entre vide et matière.

    Vide et matière

    Ce qu'on appelle la matière, c'est un vide qui n'est pas à son état d'énergie minimal, c'est-à-dire un vide excité.

    Ce qu'on appelle le vide, c'est un ensemble de champs, un pour chaque particule élémentaire, à leur état d'énergie minimal. Même dans cet état minimal, le champ conserve une activité résiduelle qui produit des couples de particules qui se résorbent en un temps très court (d'autant plus court que la particule produite est massive). Le vide est une ruche vibrionnante qui produit de la matière à jet continu. Mais il s'agit d'une matière virtuelle, c'est-à-dire que ces particules ne peuvent pas interagir avec une particule réelle, un détecteur de particules par exemple ; elles produisent par contre un effet collectif qui joue un rôle important dans la théorie des champs quantiques.

    L'énergie par unité de volume ρ, autrement dit la densité d'énergie du vide (en Joules/m³, par exemple), résulte d'une sommation sur les champs quantiques.

    L'énergie E d'un champ en théorie quantique c'est :

    E(n) = (n + 1/2)hν

    avec h la constante de Planck ν (nu) la fréquence. Un ν donné représente un mode du champ. Pour une particule de masse m au repos, on a au minimum hv = mc², auquel il faut ajouter son énergie cinétique. n = 0, 1, 2... le nombre de particules (réelles) du champ.

    n > 0 représente l'état excité, le champ génère de la matière n = 0 représente l'état d'énergie minimal du champ, c.-à-d. le vide.

    D'où l'énergie de point zéro du champ :

    E(n=0) = hv/2

    ...qui n'est pas nulle.

    Pour calculer l'énergie de vide, on intègre sur tous les modes des champs de toutes les particules (fermions, bosons) pour obtenir un total.

    Et là, c'est le drame...

    Mais si on ne fait le calcul que sur une seule particule, par exemple le photon, l'intégrale donne une densité d'énergie de l'ordre de ρ~10120 fois la densité d'énergie mesurée. C'est ce qu'on appelle une catastrophe ultraviolette : en intégrant les modes de fréquences croissantes qui sont aussi les plus énergétiques (si on part des fréquences optiques, c'est quand on va vers les ultraviolets), l'intégrale diverge, c.-à-d. que son résultat tend vers l'infini. Usuellement, on somme jusqu'à une fréquence dite de coupure, qu'il faut justifier physiquement. Or dans le cadre de la Physique actuelle, la fréquence de coupure c'est la fréquence de Planck. On obtient comme résultat que la densité d'énergie du champ est de l'ordre de la densité de Planck. Ok, ce n'est pas infini. Mais c'est quand même extraordinairement élevé. Ou pour le dire à l'inverse : notre vide apparaît extraordinairement peu énergétique par rapport à ce qu'il devrait être, si on se fie à la théorie quantique des champs. C'est le problème dit de la constante cosmologique. Sans doute le problème ouvert le plus brûlant de la physique actuelle.

    Mais bon...

    Si on passe ça sous le tapis, l'idée est que "naturellement" on a une "énergie plancher" qui se déduit du formalisme fondamental de la théorie quantique des champs. Comme il s'agit de l'état fondamental des champs, l'idée d'une "dilution" est sans objet. Cela signifierait que les lois de la physique changent avec l'expansion.

    Vide et expansion

    Si je prends un système constitué très simplement d'un volume de vide et que j'augmente ce volume en lui faisant subir une expansion, que se passe-t-il ? J'ai créé un volume plus grand d'espace rempli de vide. Comme ce vide représente une certaine énergie par unité de volume, j'ai augmenté l'énergie de mon système.

    Soit U l'énergie interne de mon système.

    En thermodynamique de base, j'ai l'équation de conservation de l'énergie qui s'écrit comme ça, pour un système adiabatique (=qui n'échange pas de chaleur avec l'extérieur, ce qui est le cas de l'Univers) et isentropique (=dont le nombre moyen de particules par unité de volume ne change pas, ce qui est le cas du vide) :

    dU = –pdV

    dU est la variation de mon énergie interne p est la pression dV est la variation de volume

    Très simplement, si j'ai un piston rempli de gaz sous pression et que je le laisse aller, son volume va augmenter (dV>0), et l'énergie interne va diminuer : une force travaille, et ce travail est fourni à l'extérieur, ce qui fait tourner un moteur par exemple. Mais ici, il ne semble pas que l'Univers puisse faire tourner un moteur. Il ne fournit de travail à personne.

    Alors voyons. D'après ce qui précède :

    dU = ρdV

    d'où :

    ρ = –p

    Autrement dit, l'augmentation de l'énergie interne est compensée par une pression négative. C'est un truc plutôt bizarre, mais vrai et qui se constate dans l'effet Casimir.

    Bon, ça c'est ce que nous dit la théorie quantique des champs, au sujet du vide.

    Que nous dit la relativité générale au sujet de l'espace ? Que la gravité d'un fluide quelconque de densité d'énergie ρ et de pression p est :

    g = ρ + 3p

    Car en relativité générale, la pression gravite, c'est-à-dire qu'elle doit être comptabilisée dans la somme des termes qui produisent une courbure de l'espace. Le chiffre 3 devant le terme p est lié aux 3 dimensions spatiales.

    Comme p est négative et égale à -ρ, ρ+3p est une quantité négative, ce qui implique une gravité répulsive, et la croissance de la métrique da/dt est du genre :

    a(t) ~ eHt

    C'est l'expression de l'accélération de l'expansion qu'on a vu plus haut.

    Je précise que je n'ai exposé ici qu'un seul candidat "énergie sombre". Il en existe d'autres, dans lesquels la densité d'énergie sombre varie avec l'expansion, collectivement appelés modèles de quintessence, mais on va s'arrêter là.
    Images attachées Images attachées  
    Dernière modification par Gilgamesh ; 22/01/2025 à 21h02.
    Parcours Etranges

  3. #3
    Lansberg

    Re : les galaxies spirales se développant plus rapidement que prévu

    Citation Envoyé par Gilgamesh Voir le message
    Le second ingrédient, ce sont les filaments de gaz froids de la toile cosmique, encore très difficiles à observer et qui vont être comme des cordons ombilicaux pour canaliser du gaz frais vers les galaxies et alimenter leur formation stellaire.
    Ces filaments de matière (hydrogène) qui s'étendent sur des millions d'années-lumière en reliant les galaxies entre-elles, semblent jouer un rôle déterminant. Le télescope spatial James Webb (JWST) est capable, grâce à son spectrographe 3D Muse, de les mettre en évidence dans l'univers jeune. Pour David Elbaz, un des spécialistes de la formation des galaxies, ces filaments seraient essentiels pour apporter la matière nécessaire à la formation d'étoiles et à la croissance des galaxies. Une estimation montre qu'une galaxie isolée, sans apports extérieurs, épuiserait sa "réserve" d'hydrogène en 600 millions d'années en moyenne ce qui ne permettrait pas d'expliquer une croissance sur des durées beaucoup plus longues. Le spectrographe à haute résolution, BlueMuse, qui doit équiper prochainement le VLT devrait apporter des informations permettant de vérifier cette hypothèse sur l'importance des filaments et donc d'expliquer qu'une galaxie comparable à la Voie Lactée puisse se former en quelques centaines de millions d'années seulement.

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