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Big Bang
Selon le modèle du Big Bang, le 'univers Elle a élargi d'un état extrêmement dense et chaud initiale et continue à se développer aujourd'hui. Une analogie commune explique que espace celui-ci est en expansion, ce qui porte galaxies avec lui-même, comme des raisins secs dans un gâteau qui fait lever. Cette image est une représentation artistique qui illustre l'expansion d'une partie d'un univers plat.

« L'essence de la théorie du Big Bang est que l'univers est en expansion et le refroidissement. Vous remarquerez que je ne dis rien au sujet d'une « explosion ». La théorie du Big Bang décrit comment notre Univers évolue, comment il a commencé '

(P. J. E. Peebles, 2001[1])

la Big Bang (Pron. / Biɡbɛnɡ /[2]; en anglais "Big Bang« ) Il est modèle cosmologique Il repose sur l'idée que 'univers Il a commencé à se développer à grande vitesse dans un temps fini dans le passé d'une condition de courbure, température et densité extrême et que ce processus se poursuit.

Il est le modèle prédominant dans communauté scientifique et avaient des confirmations sur la base preuve et observations astronomiques[3]. En particulier, la bonne correspondance dell 'abondance cosmique des éléments légers comme le 'hydrogène et l 'hélium avec les valeurs attendues suivantes du processus de nucléosynthèse,[4] et plus encore l'existence de rayonnement de fond cosmologique, avec spectre en ligne avec celui de noir corps, Ils ont convaincu la plupart des scientifiques qu'un événement similaire au Big Bang a effectivement eu lieu il y a près de 14 milliards d'années.[5]

La théorie, cependant, les limites. Si l'augmentation de la distance entre les amas de galaxies en raison de l'expansion implique qu'ils étaient plus proches dans le passé, ce qui suggère l'idée d'un événement initial, continue idéalement arrière de la densité de temps et la température augmente jusqu'à un instant où ces valeurs ont tendance à l'infini et le volume tend vers zéro, de sorte que les théories physiques actuelles ne sont plus applicables (singularité). Pour cette théorie, il ne suffit pas de décrire l'état initial, mais il fournit une excellente description de l'évolution de l'univers à partir d'un certain point partir. Sur le plan expérimental, en des accélérateurs de particules Il étudie le comportement des matière et dell 'énergie dans des conditions extrêmes, proches de ceux où l'univers se trouverait au cours des premières étapes du Big Bang, mais sans la possibilité d'examiner le niveau d'énergie au début de l'expansion.

histoire

La théorie du Big Bang a été dérivée à partir des équations relativité générale, les résoudre dans des conditions particulières pour simplifier le problème, mais hypothétique. Le plus important est la possibilité de homogénéité et l 'isotropie dell 'univers, connu sous le nom principe cosmologique. Il généralise l'univers entier principe copernicien. La théorie du Big Bang a été immédiatement conformément à la nouvelle conception de la structure de l'univers dans ces mêmes décennies émergeait de l'observation astronomique de nébuleuses.

en 1912 Vesto Slipher Il avait mesuré la première décalage vers le rouge, ledit « effet décalage vers le rouge », d'une « nébuleuse spirale »[6] et il a découvert que la plupart d'entre eux s'écartait terre. Il n'a pas réussi à saisir les implications cosmologiques de sa découverte, en fait, à ce moment-là étaient en cours débat houleux pour savoir si ces nébuleuses étaient ou non des « univers insulaires » en dehors de la voie lactée.[7][8]

Dix ans plus tard Alexander Friedmann, mathématicien et cosmologiste russe, Il a appliqué le principe cosmologique équations du champ de la relativité générale, l'obtention de la équations qui porte son nom qui a montré comment l'univers doit être en expansion, en contraste avec le modèle de univers statique soutenu par Einstein.[9] Mais il ne savait pas que sa théorie impliquait le redshift de starlight et sa contribution mathématique a été complètement ignorée, et parce que aucune confirmation astronomique, et parce que peu connu dans le monde anglophone, étant écrit en allemand.

À partir de 1924 Edwin Hubble, à l'aide du télescope talonneur dell 'Observatoire du Mont Wilson, Il a conçu une série d'indicateurs de distance qui sont les précurseurs du échelle de la distance cosmique. Cela lui a permis de calculer nébuleuses spirales à distance dont redshift Il avait déjà été mesurée, la plupart du temps par Slipher, et de montrer que ces systèmes étaient à de grandes distances et étaient en fait d'autres galaxies.

en 1927 Georges Lemaître, physique et prêtre catholique belge, Il a développé les équations Big Bang indépendamment de Friedmann et a suggéré que la suppression des nébuleuses était due à l'expansion du cosmos. En fait, il a observé que la proportionnalité entre la distance et le décalage spectral, maintenant connu sous le nom La loi de Hubble, Il faisait partie intégrante de la théorie et a été confirmée par les données Slipher et Hubble.[10][11]

en 1931 Lemaître est allé plus loin et a suggéré que l'expansion apparente du cosmos exige une contraction de son retour dans le temps, en continuant jusqu'à ce qu'il ne peut pas contracter encore plus, en se concentrant toute la masse de l'univers dans un volume quasi inexistant, le diamètre du longueur de Planck, Il a dit par Lemaître « atome primitif ». Le nom « atome » doit être compris au sens étymologique comme une référence à l'indivisibilité de ce volume, dont la première a la espace et temps Ils n'existent pas (et n'a donc même pas espace-temps la théorie de la relativité).[12]

en 1929 Hubble a publié la relation entre la distance d'une galaxie et sa vitesse d'expulsion formuler ce qui est maintenant connu sous le nom La loi de Hubble.[13][14].

Big Bang
Représentation artistique du satellite WMAP, qui collecte des données pour aider les scientifiques à comprendre le Big Bang.

au cours de la une trentaine d'années d'autres idées ont été proposées, connue sous le nom cosmologie non standard, pour expliquer les observations de Hubble, comme le Milne modèle,[15] l 'univers oscillant, à l'origine conçu par Friedmann et soutenu par Einstein et Richard Tolman,[16] et l'hypothèse de fatigué lumière de Fritz Zwicky.[17]

après la Guerre mondiale Ils ont émergé deux théories cosmologiques différentes:

  • La première était la théorie de l'état d'équilibre de Fred Hoyle, dans lequel la nouvelle matière devait être créée pour compenser l'expansion. Dans ce modèle, l'univers est à peu près la même chose à tout instant.[18]
  • L'autre est la théorie du Big Bang Georges Lemaître, soutenu et développé par George Gamow qui en 1948 avec Ralph Alpher Il a introduit le concept de nucléosynthèse.[19] Cette publication a marqué le début de la cosmologie du Big Bang comme une science quantitative. toujours Alpher, avec Robert Herman, Il a suggéré la même année l'existence d'un rayonnement de fond cosmologique.[20]

Le terme « Big Bang » a été inventé par Fred Hoyle au cours d'une transmission radio BBC Radio mars 1949[21][22][23] dans un péjoratif, le sens se référant à lui comme "cette idée du big bang. « Par la suite Hoyle a donné une contribution précieuse à la tentative de comprendre le parcours de formation nucléaire des éléments plus lourds de plus légers.

Dans un premier temps, la communauté scientifique était divisée entre ces deux théories; Par la suite, grâce au plus grand nombre d'essais expérimentaux, il a été la deuxième théorie être plus acceptée.[24] La découverte et la confirmation de l'existence du rayonnement de fond cosmologique dans 1964[25] a indiqué clairement le Big Bang comme la meilleure théorie de l'origine et l'évolution de l'univers. La connaissance de la cosmologie comprend comprendre comment les galaxies formées dans le cadre du Big Bang, la compréhension de la physique de l'univers dans les moments immédiatement après sa création et le rapprochement des observations avec la théorie de base.

Des progrès importants dans la théorie du Big Bang ont été réalisés depuis la fin de années nonante en raison des grands progrès de la technologie télescopes, ainsi que l'analyse d'un grand nombre de données provenant de satellites tels que COBE,[26] la Hubble Space Telescope et WMAP.[27] Cela a fourni cosmologistes des mesures bien précises de la plupart des paramètres concernant le modèle du Big Bang a en effet permis de deviner qu'il est d'avoir une expansion accélérée de l'univers.

Après le coucher du soleil, la théorie de l'état d'équilibre presque pas scientifique nie le Big Bang que l'expansion de l'univers, bien qu'ils offrent de nombreuses interprétations différentes (voir formulations avancées de la théorie).

vue d'ensemble

Chronologie du Big Bang

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Chronologie du Big Bang.

dos d'extrapolation de l'expansion de l'univers dans le temps en utilisant la relativité générale Elle conduit à une condition de densité et température numériquement si élevée qu'elle tend vers l'infini; cette condition est maintenue sur l'infinitésimal de la durée, si courte que difficile à étudier avec la physique actuelle.[28] cette singularité Il indique le point où la relativité générale est invalidée. Vous pouvez continuer avec cette extrapolation à temps de Planck, qui est le plus petit intervalle de temps mesuré avec les lois actuelles de la physique. La première phase dense et chaude appelée « Big Bang »[29] Il est considéré comme la naissance de l'univers. Sur la base des mesures d'expansion se référant à Tapez supernovae Ia, à partir de mesures des variations de température dans le rayonnement de fond cosmologique, les mesures de fonction de corrélation galaxies et les données les plus récentes et les plus fiables fournies par la sonde télescope espace Planck Surveyor dell 'Agence spatiale européenne, l'univers a un âge calculé de 13,798 ± 0,037 milliard de âge.[30] Le résultat de ces quatre mesures indépendantes est conforme à la soi-disant modèle ΛCDM.

Dès le début du Big Bang, il y a beaucoup de spéculations. Dans les modèles les plus courants, l'univers a d'abord été homogène, isotrope, avec densité d'énergie extrêmement élevé, températures et pressions de haut et a été refroidi et détendu très rapidement. environ 10-37 secondes après l'instant initial, un transition de phase Il a provoqué une "l'inflation cosmique, au cours de laquelle l'univers a augmenté en taille de façon exponentielle.[31] Lorsque le processus d'inflation arrêté le cosmos a été formé à partir d'un quark-gluon plasma, ainsi que de tous les autres particule élémentaire.[32] Les températures ont été si élevé que le mouvement aléatoire des particules est produite à la vitesse relativiste et paires particule-antiparticule de toutes sortes ont été continuellement créés et détruits dans des collisions. À un certain moment une réaction inconnue, appelée bariogenesis, Il a violé la conservation de la nombre baryonique conduisant à une légère surabondance de l'ordre de 1 partie en 30 millions de quarks et leptons antiquark antileptoni sur et. Ce processus peut expliquer la domination de matière sur 'antimatière univers actuel.[33]

L'univers a poursuivi son expansion et sa température a continué à diminuer, alors l'énergie typique de chaque particule a diminuer. la brisure de symétrie de la transition de phase a pris les quatre interactions fondamentales de physique et les paramètres de particule élémentaire dans leur forme actuelle.[34] Après environ 10-11 secondes la grande image devient moins spéculative, puisque les énergies des particules diminuent aux valeurs atteintes dans des expériences la physique des particules. Arrivé à 10-6 seconde quark et gluons combinés pour former baryons, comment protons et neutrons. La petite différence de ce nombre de quarks et antiquarks a conduit à une surabondance de baryons sur antibaryons. La température ne fut plus suffisamment élevée pour former de nouvelles paires proton-antiproton et de nouvelles paires de neutrons antineutroni donc destruction massive immédiatement suivi qui a laissé seulement un sur dix10 des protons et des neutrons d'origine, et aucun de leurs antiparticules. Un processus similaire a eu lieu au moment d'une seconde pour électrons et positrons. Après ces deux types de protons d'annihilation, les neutrons et les électrons restants ne sont plus à des vitesses relativistes et la densité d'énergie de l'univers a été dominé par photons avec une contribution plus faible en raison de neutrino.[35]

Quelques minutes après le moment initial, lorsque la température était d'environ 109 kelvin (Un milliard kelvin) et une densité comparable à celle de l'air, les neutrons associés à protons, formant le premier noyaux de deutérium et hélium dans un processus appelé nucléosynthèse.[36] La plupart des protons a été combiné et était sous forme de noyaux hydrogène. Lorsque l'univers refroidi la contribution de densité d'énergie de masse au repos la question est venue à dominer gravitationnellement la contribution de la densité d'énergie associée à la radiation Photon. Au bout d'environ 379 000 ans, les électrons et les différents noyaux ont été combinés forment, en particulier des atomes d'hydrogène, et à partir de ce moment, le disaccoppiò de rayonnement de la matière et ont continué à se déplacer librement dans l'espace. Ce rayonnement fossile, qui est encore visible aujourd'hui, est connu sous le nom rayonnement de fond cosmologique.[37]

Big Bang
la chambre Hubble champ ultra profond montre galaxies première période, où l'univers était plus jeune, plus dense et plus chaud selon la théorie du Big Bang.

A partir de ce moment-là, les régions légèrement plus dense par rapport à la distribution uniforme de la matière ont continué d'attirer gravitationnellement la matière environnante et ont grandi, ce qui augmente leur densité, formant des nuages ​​de gaz, étoiles, galaxies et autres structures astronomiques observables aujourd'hui. La plus ancienne étoile identifié par les astronomes a été formé environ 400 millions d'années après le Big Bang. Les détails de ce processus dépend de la quantité et le type de matière dans l'univers. Les trois types sont connus possibles de la matière à matière noire froide, la matière noire chaude et matière baryonique. La meilleure mesure disponible (fournie par WMAP) Montre que la forme dominante de la matière dans l'univers est la matière noire froide. Les deux autres types forment ensemble moins de 18% de la matière totale de l'univers.[30]

L'étude de certaines données d'observation telles que Tapez supernovae Ia et rayonnement de fond cosmologique astrophysiciens pensent que l'univers est actuellement dominé par une forme mystérieuse d'énergie, connue sous le nom l'énergie sombre, qui imprègne apparemment tout l'espace. Les observations suggèrent que environ 68% de l'ensemble de la densité d'énergie actuel de l'univers est sous cette forme. Quand l'univers était plus jeune, il était également imprégné par l'énergie sombre, mais la force de gravité avait la main supérieure et le ralentissement de l'expansion parce qu'il y avait moins d'espace et divers objets astronomiques étaient plus proches les uns des autres. Après quelques milliards d'années l'abondance croissante de l'énergie noire a provoqué l'expansion accélérée de l'univers. L'énergie sombre dans sa forme la plus simple, il prend la forme de constante cosmologique en équations de champ d'Einstein de la relativité générale, mais sa composition et son mécanisme ne sont pas connus et, plus généralement, les détails de son équation d'état et relation avec la Modèle standard de la physique des particules continuent à étudier à la fois par l'observation, à la fois d'un point de vue théorique.[11]

Toute l'évolution cosmique à l'autre 'ère inflationniste Il peut être décrit strictement modèle ΛCDM, qui utilise les structures indépendantes de la mécanique quantique et la relativité générale. Comme décrit ci-dessus, il n'y a toujours pas bien soutenu modèle qui décrit les phénomènes précédents à 10-15 secondes. Afin de déterminer ces périodes, il a besoin d'une nouvelle théorie unifiée, définie la gravité quantique. Comprendre les premiers moments de l'histoire de l'univers est actuellement l'un des plus grands problèmes non résolus de la physique.

hypothèses fondamentales

La théorie du Big Bang repose sur deux hypothèses fondamentales: l'universalité lois de la physique et principe cosmologique qui stipule que, sur une grande échelle, l'univers est homogène et isotrope.

Ces idées ont d'abord été considérés comme des postulats, mais maintenant vous essayez de vérifier chacun des deux. Par exemple, la première hypothèse de la valeur a été vérifiée par des observations montrant que le plus grand écart possible constante de structure fine au cours de l'histoire de l'univers est de l'ordre de 10-5.[38] De plus, la relativité générale Il a passé des tests rigoureux sur l'échelle du système solaire et des étoiles binaires, alors que des extrapolations sur des échelles cosmologiques ont été validées par des succès empiriques de divers aspects de la théorie du Big Bang.[39]

Si l'univers à grande échelle apparaît isotrope du point d'observation terre, le principe cosmologique peut être dérivé de la plus simple principe copernicien qui indique qu'il n'y a pas d'observateur privilégié dans l'univers. A cet égard, le principe cosmologique a été confirmée avec une incertitude de 10-5 à travers des observations du rayonnement de fond cosmologique.[40] L'univers se révèle être homogène sur une grande échelle à l'intérieur d'une magnitude de l'ordre de 10%.[41]

métrique FLRW

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Métrique Friedmann - Lemaitre - Robertson - Walker et Espace d'extension métrique.

La relativité générale décrit la espace-temps par métrique qui détermine les distances qui séparent les points voisins. Les mêmes points, ce qui peut être galaxies, des étoiles ou d'autres objets, sont spécifiées à l'aide d'un papier ou « grille » qui est positionnée au-dessus de l'espace-temps. Le principe cosmologique implique que la mesure devrait être homogène et isotrope à grande échelle, qui identifie de manière unique métrique Friedmann - Lemaitre - Robertson - Walker (Métrique FLRW). Cette mesure contient un facteur d'échelle décrivant la façon dont la dimension de l'univers change avec le temps. Cela vous permet de définir une appropriée système de coordonnées, appel distance comobile. L'adoption de ce système de coordonnées de la grille se développe en même temps que l'univers et les objets qui se déplacent uniquement en raison de l'expansion de l'univers rester à des points fixes de la grille. Bien que leur distance comobile reste constante, la distance physique entre deux points comobiles augmente proportionnellement au facteur d'échelle de l'univers.[42]

Le Big Bang n'a pas été une explosion de la matière en mouvement vers l'extérieur pour remplir un univers vide. , La place l'espace lui-même qui se développe avec le temps partout et augmente la distance physique entre les deux points comobiles. Étant donné que la métrique FLRW suppose une répartition uniforme de la masse et de l'énergie, il est applicable à notre univers à grande échelle, comme les concentrations locales de la matière, comme notre galaxie sont gravitationnellement liés et en tant que telle ne peut pas être affectée par l'expansion l'espace à grande échelle.

horizons

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: cosmologique Horizon.

Une caractéristique importante de espace-temps le Big Bang est la présence d'un horizon cosmologique. Parce que l'univers a un âge fini, et la lumière se déplace à une vitesse finie, il peut y avoir des événements qui se sont produits dans le passé, dont la lumière n'a pas eu suffisamment de temps pour atteindre la Terre. Il en résulte une limite ou une horizon dans le passé sur les événements les plus lointains que l'on peut observer. Au contraire, parce que l'espace est en expansion, et les objets les plus éloignés se éloignent de plus en plus vite, la lumière émise par un point sur la Terre aujourd'hui ne peut jamais être reçu des objets plus éloignés. Ceci définit un horizon à l'avenir, limiter les événements futurs que nous pouvons influencer. La présence des deux types d'horizon dépend du modèle de détails FLRW qui décrit notre univers. Notre compréhension de l'univers dans ses premiers moments suggère qu'il ya un horizon dans le passé, bien que dans la pratique notre vision est limitée aussi à cause de ' « opacité » de l'univers dans les premiers instants. Par conséquent, notre vision ne peut pas se prolonger dans le passé que environ 380.000 ans après le Big Bang, bien que le passé horizon se déplace progressivement vers de plus en plus de points à distance dans l'espace. si l'expansion de l'univers continue d'accélérer, Il y aura aussi un horizon futur.[43]

des tests d'observation

La principale preuve d'observation et la théorie du Big Bang directe sont les suivants:

  • l'expansion selon la La loi de Hubble, qui peut être observé dans redshift des galaxies;
  • les mesures détaillées du rayonnement de fond cosmique micro-onde;
  • l'abondance des éléments légers.[4]

Ceux-ci sont parfois appelés les trois piliers de la théorie du big bang. D'autres types de données prend en charge le tableau d'ensemble, comme les nombreuses propriétés structure à grande échelle de l'univers,[44] qui sont fournis par la croissance gravitationnelle de la structure dans la théorie standard du Big Bang.

La loi de Hubble et l'expansion de l'espace

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: La loi de Hubble et Espace d'extension métrique.
Big Bang
Une représentation graphique de l'expansion de l'univers, dans lequel deux dimensions spatiales ne sont pas représentés. Les sections circulaires de la figure représentent les configurations spatiales dans chaque instant de temps cosmologique. Le changement de courbure est l'accélération de l'expansion, qui a commencé dans le milieu et l'expansion en cours. L'époque d'inflation est caractérisée par l'expansion rapide de la dimension de l'espace vers la gauche. La représentation du rayonnement de fond cosmologique comme une surface, et non comme un cercle, est un aspect graphique dépourvu de signification physique. De même, dans ce diagramme les étoiles devraient être représentés sous forme de lignes et non en tant que points.

Les observations des galaxies et quasar montrent que ces objets ont le phénomène de redshift, à savoir que leur lumière émise est décalée vers les longueurs d'onde plus longues. Ce phénomène peut être observé en examinant le spectre de fréquence d'un objet et à le comparer avec le modèle spectroscopique tout raies d'émission ou raies d'absorption, ce qui correspond à atomes de éléments chimiques interagir avec le lumière. ces redshift ils sont homogène, isotrope et uniformément répartis entre les objets observés dans toutes les directions. Pour certaines galaxies peuvent calculer leur distance de la Terre à travers échelle de la distance cosmique. Lorsque la vitesse d'expulsion sont comparés à ces distances, on trouve une relation linéaire, connu sous le nom La loi de Hubble:[13]

où:

  • v est la vitesse d'un enlèvement de la galaxie (ou tout autre objet loin de la Terre)
  • Il est la distance de l'objet propre comobile
  • H0 est le constante de Hubble, qui se révèle être (70,1 ± 1,3) km · s-1·Mpc-1 (A partir de mesures par satellite WMAP).[30]

La loi de Hubble a deux explications possibles: soit la Terre était le centre d'une expansion de la galaxie, qui est insoutenable à cause de principe copernicien, ou l'univers est expansion uniforme partout. Cette expansion est attendue de la relativité générale dans la formulation de Alexander Friedman[9] la 1922 et Georges Lemaître la 1927,[10] longtemps avant que Hubble a fait son analyse et ses observations 1929, et reste le fondement de la théorie du Big Bang comme il a été développé par Friedmann, Lemaître, Robertson et Walker.

La théorie exige que le rapport est maintenu dans chaque période de temps, où est la distance, . quantités v, H et Ils varient alors que l'univers est en expansion (et est donc dénotées par Hubble constante dans notre ère astronomique). Pour des distances beaucoup plus faible que l'ampleur de l'univers observable, la redshift en raison de la loi de Hubble peut être interprété comme effet Doppler, puis on peut calculer la vitesse de retrait . Cependant, la redshift Il est pas un vrai effet Doppler, mais le résultat de l'expansion de l'univers entre le moment où un faisceau de lumière a été émise et le moment où il a été reçu.[45]

Cet espace est dans une phase d'expansion métrique est mise en évidence par l'observation directe des essais principe cosmologique et le principe de Copernic, qui, avec la loi de Hubble ont pas d'autre explication. la redshift Astronomiques sont extrêmement isotrope et homogène,[13] confirmant le principe cosmologique, qui stipule que l'univers a la même dans toutes les directions. Si les redshift ont été le résultat d'une explosion d'un point éloigné de nous, ils ne seraient pas si semblables le long des directions différentes.

Les effets des mesures rayonnement de fond cosmologique dans la dynamique des systèmes astrophysiques éloignés réalisée en 2000 ont confirmé le principe de Copernic, que la terre Il n'est pas dans un emplacement central à l'échelle cosmique.[46] Le rayonnement du Big Bang était certainement plus chaud dans les premiers temps de l'univers. Le refroidissement uniforme du fond cosmologique sur des milliards d'années est explicable que si l'univers subit une métrique d'expansion et exclut la possibilité que nous sommes dans le seul zéro.

Rayonnement cosmologique de fond

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Rayonnement cosmologique de fond.
Big Bang
Evolution de l'étude sur le rayonnement de fond cosmologique; la bande horizontale au centre des différentes images est due à l'émission de notre galaxie, qui, dans les observations est la somme du rayonnement de fond.

Dans les jours qui ont suivi le Big Bang, l'univers était dans un état de équilibre thermodynamique, avec photons qui ils ont été émis en continu et absorbés, une forme similaire au spectre donnant le rayonnement d'un noir corps. Comme il a élargi, l'univers refroidi jusqu'à ce qu'il atteigne une température qui ne permettait pas la création et la destruction des photons. La température, cependant, était encore suffisamment élevé pour ne pas permettre que les électrons lui lier avec les noyaux pour former des atomes et des photons sont réfléchis par ces constamment électrons libres par un processus appelé diffusion Thomson. En raison de cette répété dispersion, l'univers était initialement « opaque ».

Lorsque la température a chuté à quelques milliers kelvin, les électrons libres et les noyaux ont commencé à se combiner entre eux pour former des atomes, un processus connu sous le nom de recombinaison[47]. Depuis la diffusion de photons est moins fréquent d'atomes neutres, la disaccoppiò de rayonnement de la matière lorsque tous les électrons se recombinent (environ 379 000 années après le Big Bang). Ces photons constituent le rayonnement de fond cosmologique, qui peut être détectée maintenant et le schéma observé des fluctuations de ce rayonnement donne une image de notre univers à l'époque au début. L'énergie des photons est ensuite décalée vers le rouge par l'expansion de l'univers, qui a conservé le spectre de corps noir, mais a provoqué l'abaissement de sa température, en déplaçant les photons dans la région de micro-onde dans le spectre électromagnétique. On croit qu'il est possible d'observer le rayonnement dans chaque point de l'univers et qu'il vient de toutes les directions (environ) la même intensité.

en 1964 Arno Penzias et Robert Wilson a découvert par hasard le rayonnement de fond cosmique tout en effectuant des observations de diagnostic à l'aide d'un nouveau récepteur de micro-ondes (la propriété de Laboratoires bell).[25] Leur découverte a permis de confirmer substantielle des prévisions sur le rayonnement (isotrope et est comparable à un spectre avec une température noir d'environ 3 K) et a permis d'avoir une bonne preuve de l'hypothèse du Big Bang. Penzias et Wilson ont reçu la Prix ​​Nobel de physique en 1978 Merci à cette découverte.

en 1989 la NASA satellite lancé COBE (Acronyme pour Cosmic Background Explorer) Et les premiers résultats, fournis dans 1990, Ils étaient compatibles avec les prédictions de la théorie du Big Bang en ce qui concerne le rayonnement de fond cosmique. COBE ont trouvé une température résiduelle de 2,726 K et 1992 identifié pour la première fois la fluctuation (anisotropie) du rayonnement, avec une incertitude d'une partie en 105.[26] John C. Mather et George Smoot Ils ont reçu le prix Nobel de 2006 pour ce travail. Au cours de la décennie suivante, ces anisotropies ont ensuite été examinées par un grand nombre d'expériences (à la fois sur le terrain et par ballons). en 2000-2001 de nombreuses expériences (dont le plus important était BOOMERanG), En mesurant la largeur angulaire typique des anisotropies, ils ont constaté que l'univers a une géométrie presque plat.[48]

au début 2003, Ils ont été publiés les premiers résultats du satellite WMAP, obtenir ceux qui étaient à l'époque des valeurs les plus précises pour certains des paramètres cosmologiques. Le satellite a également exclu de nombreux modèles inflationnistes, bien que les résultats étaient généralement conformes à la théorie de l'inflation[27] et a confirmé que la mer de neutrino cosmique imprègne l'univers, des preuves claires que les premières étoiles les ont plus d'un demi-milliard d'années pour créer un brouillard cosmique. Une autre semblable à WMAP satellite, la Planck Surveyor, qui a été lancé le 14 mai 2009, il fournira des mesures anisotropie encore plus précise du rayonnement de fond.[49] Cela comprendra également des expériences sur le terrain[citation nécessaire]et avec des ballons[50].

Le rayonnement de fond est très homogène et cela présente un problème dans les modèles classiques d'expansion, car cela aurait signifié que les photons provenant de directions opposées sont proviennent de régions qui ont jamais été en contact les uns avec les autres. L'explication de ce qui prévaut aujourd'hui sur un grand équilibre à l'échelle est que l'univers avait un peu de temps avec une expansion exponentielle, connue sous le nom inflation. Cela aurait pour effet de supprimer les régions qui ont été équilibre thermodynamique, de sorte que tout l'univers observable provient d'une région avec le même équilibre.

L'abondance des éléments primordiaux

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: nucléosynthèse.
Big Bang
Les différentes réactions de nucleosynthesis qui ont conduit à la formation d'éléments légers

Étant donné que le modèle du Big Bang, il est possible de calculer la concentration de hélium-4, hélium-3, deutérium et lithium-7 dans l'univers par rapport à la présence totale de hydrogène ordinaire.[36] tous leurs abondances Ils proviennent d'un seul paramètre, le rapport des photons baryons, qui peut être calculé indépendamment de la structure détaillée des fluctuations du rayonnement de fond. Les rapports des masses sont prévues approximativement 0,25 pour l'hélium-4 par rapport à l'hydrogène, à environ 10-3 de deuterium à l'hydrogène, à environ 10-4 pour l'hélium-3 par rapport à un atome d'hydrogène et environ 10-9 de lithium-7 par rapport à l'hydrogène.[36]

Les mesures des abondances primordiales des quatre isotopes énumérés ci-dessus sont en accord avec une valeur unique du rapport baryon-photon. La valeur de deutérium est très cohérent, près, mais légèrement discordants pour l'hélium-4, discordante par un facteur de 2 pour lithium-7; dans les deux derniers cas, la divergence des valeurs est causée par erreurs systématiques. La cohérence de ces données avec celles fournies par la théorie de la nucléosynthèse est une preuve de la théorie du Big Bang. Jusqu'à présent, il est la seule théorie connue qui ne parvient pas à expliquer l'abondance relative des éléments légers, car il est impossible que le Big Bang aurait pu produire plus de 20 à 30% d'hélium.[51] En fait, il n'y a aucune raison évidente en dehors du Big Bang que l'univers « jeune » (avant la formation des étoiles, tel que déterminé par l'étude de la matière soi-disant libre des produits nucléosynthèse stellaire) Il devrait y avoir plus d'hélium que ³He de deuterium ou plus deuterium.

l'évolution et la distribution galactique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Structure grande échelle de l'univers et Formation et évolution des galaxies.
Big Bang
Un aperçu du ciel 'infrarouge fermer révèle la distribution des galaxies au-delà voie lactée. L'image vient du catalogue 2MASS, qui comprend plus de 1,5 million de galaxies, et Catalogue point Source (SGP), qui comprend un demi-milliard d'étoiles dans la Voie Lactée. Galaxies sont colorées en fonction de leur décalage vers le rouge (Z): bleu sont les plus proches (z < 0,01), le verdi sono quelle ad una distanza media (0,01 < z < 0,04) e le rosse sono le più lontane (0,04 < z < 0,1).[52]

Des observations détaillées sur morphologie et distribution des galaxies et quasar Ils fournissent des preuves convaincantes de la théorie du Big Bang. La combinaison des observations et la théorie suggère que la première quasar et les premières galaxies se sont formées environ un milliard d'années après le Big Bang et a depuis formé les plus grandes structures, telles que groupes et superamas Galactic. Les populations stellaires ont évolué au fil du temps, de sorte que les galaxies les plus lointaines (qui sont observées comme ils l'étaient dans l'univers primitif) apparaissent très différentes des galaxies les plus proches de nous, car ceux-ci sont observés dans un état plus récent.

De plus, les galaxies qui se sont formées apparaissent relativement récemment nettement différentes de celles qui ont été formés à la même distance, mais peu de temps après le Big Bang. Ces observations sont considérées comme des preuves contre le classique l'état d'équilibre. Les observations de la la formation des étoiles, la distribution des galaxies et quasar et structures à grande échelle sont compatibles avec les prédictions du Big Bang (en ce qui concerne la formation de ces structures dans l'univers) et contribuent à compléter les détails de la théorie.[53][54]

D'autres types de preuves

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: redshift.

Après une certaine controverse, l'âge de l'univers estimé par constante de Hubble et rayonnement de fond, Il est cohérent (soit un peu plus) avec l'âge des plus anciennes étoiles, mesurée en appliquant la théorie de la 'évolution des étoiles à amas globulaires et par la La datation radiométrique seule étoile population II.

La prédiction que la température du rayonnement de fond était plus élevé dans le passé a été confirmée expérimentalement par les observations des raies d'émission sensibles à la température dans les nuages ​​de gaz à haute décalage vers le rouge. Cette prévision implique également que l'amplitude des 'Sunyaev-Zel'dovich effet dans les amas de galaxies ne dépend pas directement de leur décalage vers le rougeCela semble être tout à fait vrai, mais l'amplitude dépend des propriétés du cluster, qui changent sensiblement que sur un laps de temps cosmique, donc une vérification assez précise est impossible à réaliser.

questions ouvertes

tout en maintenant quelques chercheurs jeter le doute sur le fait qu'il est arrivé le Big Bang, la communauté scientifique a été divisée par le passé entre ceux qui ont soutenu cette théorie et ceux qui ont cru possible d'autres modèles cosmologiques. Dans ce contexte de débat houleux de nombreuses questions ont été soulevées liées à la théorie du Big Bang et sa capacité à reproduire les observations cosmologiques. Or, ces problèmes sont la plupart du temps souvient surtout pour leur intérêt historique; les solutions à leur ont été obtenus ou par des modifications à la théorie ou à la suite de meilleures observations. D'autres questions, telles que problème de concentration du halo, la grande présence de galaxies naines et la nature du matière noire froide, Ils ne sont pas considérés et est censé impossible à résoudre pour les traiter par d'autres raffinements de cette théorie.

Les idées centrales de la théorie du Big Bang (à savoir l'expansion, l'état initial à une température élevée, la formation de 'hélium, la formation des galaxies) ont été confirmés par plusieurs observations indépendantes les uns avec les autres, y compris le "abondance des éléments légers, la rayonnement de fond cosmologique, la structure à grande échelle de l'univers et Tapez supernovae Ia, et par conséquent, ils ne peuvent plus être remis en question comme des caractéristiques importantes de notre univers et réel.

des modèles précis actuels de la station Big Bang à divers phénomènes physiques « exotiques », qui n'a pas encore été observées dans des expériences dans les laboratoires terrestres ou n'ont pas été intégrés dans la Modèle standard de la physique des particules. Parmi ces phénomènes l'existence de 'l'énergie sombre et matière noire Ils sont considérés comme l'hypothèse la plus solide, tandis que 'l'inflation cosmique et bariogenesis Ils sont des théories plus spéculatives: ils fournissent des explications satisfaisantes pour les caractéristiques importantes de l'univers dans les temps les plus anciens, mais pourraient être remplacées par des idées alternatives sans compromettre le reste de la théorie.[55] Les explications de ces phénomènes sont encore un sujet des zones les plus avancées de la recherche en physique.

horizon problème

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: horizon problème.

Le problème de l'horizon découle de la prémisse qu'il n'y a pas d'interaction qui peut transmettre des informations à des vitesses supérieure à celle de la lumière. Dans un univers avec un âge fini, cela signifie une limite, dit horizon de particules, la distance maximale entre deux régions de l'espace qui sont en relation causal entre eux.[56] Le isotropie observé dans le rayonnement de fond cosmologique est problématique à cet égard: si l'univers a été dominé par le rayonnement ou la matière pendant toute la période de instantanément dernier dispersion, l'horizon de particules par rapport à ce moment doit correspondre à deux degrés dans le ciel. Il n'y aurait donc pas de mécanisme qui peut apporter plus grandes régions du ciel d'avoir la même température.

Une solution à cette incohérence apparente est fournie par la théorie inflationniste, dans lequel un champ scalaire d'énergie dominé l'univers homogène et isotrope dans une période de temps qui précède le bariogenesis. Au cours de l'inflation, l'univers a connu l'expansion exponentielle des particules et l'horizon a augmenté beaucoup plus rapidement qu'on ne le pensait, donc aussi les régions, qui sont actuellement placées sur les côtés opposés de l'univers observable, sont bien « intérieur de l'horizon de particule mutuelle. Le isotropie observé dans le rayonnement de fond provient du fait que l'ensemble de l'univers observable était dans une relation de cause à effet avant le début de l'inflation et avait donc déjà donné lieu à une condition d'équilibre thermique.[57]

la Le principe d'incertitude de Heisenberg Il prévoit que lors de la phase inflationniste il y a eu des fluctuations thermiques quantiques, qui seraient agrandies à l'échelle cosmique. Ces fluctuations sont les fondements de tous les modèles actuels sur la structure de l'univers. L'inflation prédit que les fluctuations primordiales sont à peu près échelle invariante et gaussienne; ceci a été confirmé avec précision par des mesures du rayonnement de fond.

Si le processus inflationniste a vraiment eu lieu, l'expansion exponentielle doit avoir poussé les grandes régions de l'espace au-delà de l'horizon observable.

La singularité initiale et formulations avancées de la théorie

un singularité gravitationnelle est un point de l'espace dans lequel le champ de gravitation a une tendance vers une valeur infinie, ainsi que la densité et de sa courbure. Selon la théorie du Big Bang de l'univers lui-même, il a peut-être commencé avec une singularité. Bien que le modèle du Big Bang a été accepté dans la cosmologie, il est susceptible d'être mis au point dans l'avenir, comme nous le savons trop peu des premiers moments de l'histoire de l'univers.

Les théorèmes de singularité gravitationnelle Penrose-Hawking démontrent l'existence d'une singularité au début du temps cosmique. Cependant, ces théorèmes supposent la validité du relativité générale, même si elle ne devrait pas appliquer avant le moment où l'univers atteint température Planck. un traitement de gravité également en accord avec la mécanique quantique Elle pourrait conduire à des solutions sans singularités.[28]

Parmi les différents problèmes posés par la singularité[58][59]:

  • le modèle d'expansion initiale et la naissance de l'univers de « rien »
  • l'existence éventuelle de espace-temps avant d'
  • l'écart de relativité générale (En supposant que la singularité, mais ne s'applique pas à ce moment-là) dans des conditions extrêmes, avec la mécanique quantique, par suite de l'absence de théorie du tout
  • une éventuelle violation de la loi de conservation de l'énergie

Certaines propositions, dont chacune des hypothèses non vérifiées, implique sont:

  • Les modèles qui incluent un état d'origine sans commencement, comme Il était « sans frontières » Hartle-Hawking, dans lequel l'ensemble de espace-temps Il est sans limites, mais finie; cela implique que le Big Bang représente une limite de temps, mais sans la nécessité d'une singularité initiale[60][61]; aussi Cosmologie du potentiel quantique élimine la singularité affirmant l'éternité de l'univers, comme un fluide gravitons[62];
  • modèles World-Brane de la théorie des cordes[63], où l'inflation est due au mouvement des « branes » (entités proposées dans la théorie des cordes). Les modèles Brane-monde comprennent:
    • le modèle pré-Big Bang (cosmologie chaîne);
    • le modèle ekpirotico, dans lequel le Big Bang est le résultat d'une collision entre branes et peut être cyclique;[64][65]
  • la Bounce Big, une variante de la modèle cyclique classique, dans lequel les collisions se produisent périodiquement dans le la gravité quantique.[66]
  • la création d'univers à partir d'une trou blanc (la sélection naturelle cosmologique).[67]
  • quelques variantes de motif cyclique (cosmologie cyclique conformationnelle, modèle Baum-Frampton), À l'univers plutôt ouvert uniquement à celui fermé.
  • la naissance d'un vide quantique moyens fluctuation.[68]
  • la la théorie chaotique de l'inflation, inflation dans lequel les événements se produisent de façon aléatoire au sein d'une « mousse de gravitation quantique » (faux vide), Donnant lieu à de multiples univers, qui se dilatent comme des bulles de leur propre Big Bang.[69][70]

Un grand nombre de ces hypothèses appartiennent à cosmologie quantique et de proposer le Big Bang comme un événement d'un plus grand univers et plus (ou multivers, y compris le règlement de la question de la principe anthropic), Et non pas comme le début littéral de toute réalité. Un grand nombre de ces hypothèses sont basées sur trois principales théories proposées dans la cosmologie, non vérifiée expérimentalement: l 'inflation (Une théorie purement cosmologique), le la théorie des cordes et gravité quantique boucle (Les deux dernières théories physiques qui expliquent l'évolution de l'univers); chacun a sa propre façon de comprendre le Big Bang.

De nombreux chercheurs pensent que seule une théorie unifiée de la gravitation et la mécanique quantique (le la gravité quantique) Permettra à l'avenir de décrire de façon plus appropriée les phénomènes liés à la naissance d'une singularité, tant en effondrement gravitationnel des étoiles massives comme trous noirs, Il est à l'origine de l'univers.

Problème plaque d'univers

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: forme de l'univers.
Big Bang
la la géométrie de l'univers est déterminé par la façon dont le paramètre cosmologique Omega est plus ou moins éloignée de 1. De haut en bas: univers fermé avec une courbure positive, univers hyperbolique avec une courbure négative et univers plat avec courbure nulle.[71]

la problème plaque d'univers (Également connu sous le nom vieux problème de l'univers) Il est un problème d'observation, associée à la métrique Friedmann - Lemaitre - Robertson - Walker.[56] L'univers peut avoir un courbure spatiale positive, négative ou nulle en fonction de sa densité d'énergie totale. Il aura une courbure négative si sa densité est inférieure à la densité critique, positive si elle est plus grande et si la densité ne coïncide avec l'une critique (dans ce cas, l'espace est défini plat). Le problème est que le moindre écart par rapport à la densité critique augmente avec le temps, et aujourd'hui encore, l'univers est très proche d'être plat.[72] Étant donné que l'échelle de temps naturel pour le début de l'écart de planéité pourrait être la temps de Planck, 10-43 D'autre part, le fait que l'univers a atteint ni la la mort de chaleur ni Big Crunch Après des milliards d'années, il faut une explication. Par exemple, même à l'époque relativement « vieux » pendant quelques minutes (le temps de la nucléosynthèse), la densité de l'univers doit avoir trouvé dans environ une partie en 1014 de sa valeur critique, sinon l'univers n'existerait pas comme aujourd'hui.[73] Du point de vue mathématique, le problème de planéité résulte de l'équation Fridman, écrit sous la forme avec

Si l'on suppose que l'univers est plat, et puis , et en se rappelant que la constante de Hubble Elle est donnée par , la densité critique de l'univers est

L'introduction de ce résultat dans l'équation Fridman, vous avez

et la définition du paramètre de densité comment

Vous obtenu par l'équation suivante

qui indique la manière dont varie la géométrie de l'univers en fonction de sa densité. En fait, sur la base du fait que la densité de l'univers est égal, le plus haut et plus bas que la critique, le paramètre de courbure prend les valeurs suivantes

0 {\ mbox {if}} \ Omega> 1 k \\\\<0&{\mbox{se}}&\Omega <1\end{cases}}}" />

À ce stade, vous avez besoin d'écrire l'équation Fridman pour un univers dominé par la matière et le rayonnement. Dans ce cas, l'équation a la forme

est le constante de Hubble évalué au moment , tandis que et Ils sont, respectivement, la densité de la matière et également évalué au moment de la radiation . L'équation de évalué au moment devient

où le facteur d'échelle valeur . Nous réécrivons cette équation sous la forme suivante

et son remplacement dans l'équation de départ, vous obtenu

En utilisant l'équation Fridman valable pour un univers avec la matière et le rayonnement, l'expression ci-dessus devient

Cette équation nous indique comment la courbure varie en fonction du facteur d'échelle . La condition d'équivalence entre la matière et le rayonnement est la suivante

et il nous permet d'étudier la courbure dans différentes époques. Considérons tout d'abord un univers dominé par la matière, dans ce cas, vous , si l'équation précédente, et se rappeler que , vous avez

Considérant la place d'un univers dominé par le rayonnement, il a et , alors la courbure suit une tendance du type

Cela signifie que les deux à l'époque de la matière que le rayonnement à l'ère de la courbure augmente avec le temps. Étant donné que la courbure actuelle est de l'ordre de

Les équations ci-dessus indiquent que dans le passé l'univers devait être encore plus plat. En fait, à l'époque de l'équilibre entre le rayonnement quel que soit le paramètre d'échelle applique

et par conséquent la courbure à ce moment-là est de l'ordre de

Ceci est en contradiction directe avec le fait que dans le passé l'univers devait être très incurvée. Il semble que plus on remonte dans le temps plus l'univers est plat. Toujours selon les formules ci-dessus, en fait, l'univers devait être plat à l'intérieur au moment de la nucléosynthèse, le temps de Planck dans les et ainsi de suite. Le principal problème se pose lorsque l'on considère le fait que si l'univers n'avait pas de courbure si bien calibrée, s'effondrer sur lui-même ou il serait extrêmement étendu rapidement si sa courbure aurait été différent si seulement une infime fraction. Par conséquent, il serait beaucoup plus susceptible d'observer une très courbe et donc très différent de l'univers univers actuel, plutôt que comme un univers extrêmement plat semblent indiquer les commentaires.

Une solution à ce problème est fourni par 'inflation. Au cours de la période inflationniste, la espace-temps élargi, au point que son courbure Il aurait été le rendement plat. Par conséquent, on croit que l'inflation a l'univers à un plat essentiellement, avec la densité critique exacte à peu près d'état spatial.[57]

monopôle magnétique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: monopôle magnétique.

L'objection concernant la monopôle magnétique a été soulevée à la fin des soixante-dix. la théories de grande unification Ils ont prédit un défaut topologique dans l'espace, qui se manifeste sous la forme de monopôles magnétiques. Ces objets pourraient être produits de manière efficace dans les premiers stades de l'univers (avec des températures très élevées), ce qui donne une densité supérieure à celle qui est conforme aux observations, étant donné que lors de recherches ont jamais été observées monopôles. Ce problème peut être résolu avec l'inflation cosmique, ce qui élimine tous les défauts univers observable de la même façon dont il porte la géométrie de l'univers à plat.

Une solution au problème de l'horizon, et la géométrie plate du monopôle magnétique inflation cosmique alternatif est donnée par 'de l'hypothèse de courbure Weyl.[74][75]

asymétrie baryonique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: asymétrie baryonique.

Pas encore connu pourquoi l'univers actuel est seulement présent matière et non antimatière.[33] Il est généralement admis que l'univers quand il était jeune et chaud, il était équilibré et contenait un nombre égal de baryons et antibaryons. Néanmoins, les observations indiquent que l'univers, y compris ses parties les plus lointaines, est presque entièrement de la matière. Un processus inconnu appelé bariogenesis Il a créé cette asymétrie. Pour que ce processus se passer, ils devaient satisfaire les conditions de Sakharov. Ceux-ci exigent que la nombre baryonique , L'ont pas été conservés symétrie C et symétrie CP Ils ont été violés et que l'univers avait perdu son équilibre thermodynamique.[76] Toutes ces conditions sont remplies Modèle standard, mais les effets ne sont pas assez forts pour expliquer l'asymétrie actuelle.

L'âge des amas globulaires

Au milieu des années années nonante, remarques concernant amas globulaires Ils semblaient contredire le Big Bang. la simulations un ordinateur, comparer les observations des différentes populations stellaires des différents groupes, ils ont indiqué qu'ils avaient un âge d'environ 15 milliards ans (qui contrastait avec l'âge de l'univers, environ 13,7 milliards d'années). Ce problème a été résolu à la fin des années nonante, lorsque de nouvelles simulations informatiques, incluant les effets de la perte de masse en raison de vent stellaire, Ils ont indiqué un âge beaucoup plus jeune pour les amas globulaires.[77] Il reste quelques questions ouvertes, sur la façon de mesurer avec précision l'âge de ces groupes, mais on pense que ces objets sont parmi les plus anciennes de l'univers entier[78].

Les interactions entre les galaxies et quasars

Au cours des études réalisées en sixties, l 'astronome Halton Arp repéré des connexions possibles entre des galaxies avec quasars et on croyait que ces deux objets, étant voisins à cause de ces interactions, ils avaient un redshift semblable à cause de La loi de Hubble.[79] Contrairement à ce que l'on attend, on a estimé diffèrent sensiblement entre les deux valeurs redshift, comme dans le cas de la galaxie NGC 4319, et ce fait semble saper l'idée de l'expansion de l'univers, comme deux objets proches doivent avoir un redshift similaire en raison de l'expansion du cosmos.[80] Pour résoudre ce problème, qui a frappé les bases de la théorie du Big Bang, il est spéculé que la différence de redshift est due au fait que ces galaxies étudiées, qui sont généralement très actifs, ont « expulsé » quasar; à ce stade, la redshift différence ne serait pas attribuée à des causes cosmologiques, mais le caractère local du système considéré.[80]

matière noire

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: matière noire.
Big Bang
un diagramme circulaire montre les pourcentages de composition des diverses composantes de la densité d'énergie de l'univers, selon la modèle ΛCDM. Environ 95% de la densité d'énergie est constitué de formes exotiques, tels que matière noire et l 'l'énergie sombre.

au cours de la soixante-dix et quatre-vingt de nombreuses observations ont montré qu'il n'y a pas assez de matière visible dans l'univers pour expliquer l'attraction gravitationnelle apparente entre les galaxies et en leur sein. Cela a conduit à l'idée que 90% de la matière dans l'univers est matière noire, qui ne dégage pas de lumière et n'interagit pas avec la matière baryonique normale. En outre, l'hypothèse que l'univers se compose principalement de la matière ordinaire conduit à des prévisions en fort contraste avec les observations; dans l'univers particulier aujourd'hui a une structure beaucoup plus grumeaux et contient beaucoup moins deutérium que peut être expliqué sans la présence de la matière noire.

L'hypothèse de la matière noire est suggérée par plusieurs observations: les anisotropies du rayonnement de fond, la dispersion de la vitesse de la amas de galaxies, les distributions de la structure à grande échelle, des études sur lentilles gravitationnelles et les mesures des amas de galaxies à travers Rayons X.[81]

La preuve de la matière noire obtenue par l'influence gravitationnelle sur la matière ordinaire, bien qu'aucune particule de matière n'a jamais été observée dans laboratoire. On a proposé de nombreuses particules comme appartenant à ce type de matériel et de nombreux projets pour les étudier directement, ils sont en cours.[82]

l'énergie sombre

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: l'énergie sombre.

Les mesures sur la relation entre redshift et ampleur tout Tapez supernovae Ia Ils ont montré que l'expansion de l'univers est l'accélération à partir de quand l'univers était environ la moitié de son âge actuel. Pour expliquer cette accélération, relativité générale Elle exige que la majeure partie de l'énergie de l'univers est constitué par un composant avec une haute pression négative, surnommé "l'énergie sombre. « Ce type d'énergie est suggéré par de nombreux types de tests: les mesures du rayonnement de fond indiquent que l'univers est très plat du point de vue spatial, puis, sur la base de la relativité générale, il doit avoir presque exactement la densité critique la relation entre la masse et l'énergie; au lieu de la densité apparente du cosmos, qui peuvent être mesurés par des groupements gravitationnelles, n'atteint environ 30% de la densité critique.[11] Étant donné que l'énergie noire ne comprend pas de la manière ordinaire, il est la meilleure explication pour compléter la partie manquante de la densité d'énergie. L'énergie noire est également requise par deux mesures géométriques de la courbure totale de l'univers: une en utilisant la fréquence de lentilles gravitationnelles et l'autre en utilisant le motif caractéristique de la structure à grande échelle de l'univers en tant que règle.

La pression négative est une propriété de 'énergie du vide, mais la nature exacte de l'énergie noire reste l'un des grands mystères du Big Bang. Certains candidats possibles pour expliquer ce que la forme exacte de cette énergie sont les constante cosmologique et quintessence. Les résultats du satellite WMAP (fournis en 2008), Qui combinent les données reçues à partir du rayonnement de fond et d'autres sources, indiquent que l'univers de courant est constitué par 72% de l'énergie sombre, étant donné que 23% de la matière noire, de 4,6% de la matière ordinaire et moins de « 1% de neutrino.[30] La densité d'énergie due à la matière diminue avec l'expansion de l'univers, mais la densité due à l'énergie sombre reste à peu près constant au cours de l'expansion cosmique. Par conséquent, la question constituait une partie la plus importante de la densité d'énergie dans le passé que de nos jours, mais sa contribution continuera à diminuer à l'avenir que l'énergie sombre deviendra de plus en plus dominante.

en modèle ΛCDM, le courant meilleur du modèle du Big Bang, l'énergie sombre est expliquée par la présence d'un constante cosmologique, introduit dans la relativité générale; Cependant, la taille de la constante qui explique correctement l'énergie noire est inférieure à environ 120 ordres de grandeur par rapport à des estimations basées sur la gravité quantique.[83] La distinction entre la constante cosmologique et d'autres formes d'expliquer l'énergie sombre est une zone très active de la recherche actuelle.

L'avenir selon la théorie du Big Bang

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Destin dernier univers.

Avant les observations de 'l'énergie sombre, cosmologistes ont cru que trois scénarios possibles pour l'avenir de l'univers:

  • Une première hypothèse est que si le densité masse était plus grande que la densité critique, l'univers atteindrait une taille maximale et alors commencer à s'effondrer. À ce moment-là, il redeviendrait plus dense et plus chaud et finirait par revenir à une condition similaire à celle avec laquelle il a commencé. Cette hypothèse est connue sous le nom Big Crunch.[43]
  • Une deuxième hypothèse est d'avis que si la densité de l'univers était égale ou inférieure à la densité critique, l'expansion continuera de ralentir, mais jamais arrêter. La formation des étoiles serait terminée lorsque tout le gaz interstellaire dans chaque galaxie qui était consommée; les étoiles auraient terminé leur vie cèdent la place à naines blanches, Les étoiles à neutrons et trous noirs. Très lentement sur les collisions entre temps ces objets produiraient l'effondrement de la masse dans les trous noirs toujours plus grands. La température moyenne de l'univers serait asymptotiquement atteint le zéro absolu dans ce qu'on appelle la Big Gel. En outre, si les protons étaient devenus instable, puis la matière baryonique disparaîtrait, laissant seulement lieu à des trous de rayonnement électromagnétique et des noirs. Enfin, les trous noirs auraient fini par évaporation en raison de le rayonnement de Hawking. L 'entropie l'univers serait augmenté jusqu'à ce qu'il atteigne le point où personne n'aurait pas été possible l'échange de toute forme d'énergie, un paysage connu sous le nom la mort thermique de l'univers.
  • Une troisième hypothèse est la soi-disant univers oscillant ou cyclique.

observations modernes concernant la 'expansion accélérée Ils ont ajouté une nouvelle arène, car ils impliquent que de plus en plus de l'univers visible passera au-delà »horizon des événements et ne peut plus être en contact avec nous. Le résultat final est inconnu pour le moment. la modèle ΛCDM Il définitl'énergie sombre sous la forme de constante cosmologique. Cette théorie suggère que seuls les systèmes liés gravitationnellement, tels que les galaxies, ce sera tout simplement retenir et seraient soumis à la mort de chaleur lors de l'expansion et le refroidissement du cosmos. Une autre forme d'énergie noire, connue sous le nom alimentation fantôme, Cela implique que les amas de galaxies, des étoiles, des planètes, des atomes, des noyaux et le même matériel seraient détruits par l'augmentation continue du taux d'expansion, dans un processus connu sous le nom Big Rip.[84]

À l'heure actuelle les théories les plus populaires sont ceux liés à modèle d'inflation du multivers en expansion continue (majoritaire parmi les cosmologistes) et ceux de la motif cyclique.[85]

les limites de la théorie

La principale critique de la théorie par les partisans de la théorie de l'état d'équilibre est qu'il n'a pas respecté une règle inviolable dans le monde naturel, La loi de Lavoisier.[86] Dans ce cas, il est essentiel d'établir que le Big Bang a créé aucun nouveau sol, mais la masse étendue existante comprimée au point de singularité.[87]

Le modèle cosmologique du Big Bang a été développé en extrapolant la connaissance physique actuelle jusqu'à ce que les énergies beaucoup plus de celles étudiées expérimentalement et échelle loin énorme. La possibilité, donc, de trouver des confirmations à la théorie du Big Bang est soumis à des limites théoriques et d'observation.

Le modèle standard de la physique des particules doit être valable jusqu'à des énergies de 250 milliards d'électron-volts, un niveau correspondant à environ 10-12 secondes après le Big Bang. Toute réclamation concernant les périodes antérieures sont basées sur les théories scientifiques ne pas suffisamment consolidées[88].

Même observation directe peut ne pas couvrir les premières étapes du Big Bang. En effet, les ondes électromagnétiques ne peuvent pas être transmises avant la formation d'hydrogène neutre, quand il a été émis le rayonnement de fond cosmologique. L'univers première observation d'un tel événement pourrait en principe être effectué en détectant les ondes gravitationnelles ou les neutrinos émis, mais il n'y a toujours pas de technologie capable d'effectuer ces mesures.

Ainsi, la théorie du Big Bang est basé sur les théories vraiment fiables et confirmées par des observations que pour la description de l'évolution de l'univers de la nucléosynthèse primordiale partir. Particulièrement incertain sont les revendications sur la forme globale de l'univers et son évolution dans un futur lointain. En fait, l'observation est limité par la vitesse finie de la lumière qui détermine un horizon infranchissable. Toute extrapolation au-delà de cet horizon est fondé sur des hypothèses plus ou moins implicites sur les propriétés topologiques de l'espace et sa régularité et est donc purement hypothétique. Localement l'univers semble être plat (euclidienne), mais il est impossible d'exclure la présence d'une petite courbure qui se traduirait par une forme générale tout à fait différente.

La découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers et l'hypothèse conséquente de l'existence de l'énergie sombre a créé de nouvelles raisons d'incertitude. Le modèle de l'énergie sombre adoptée est utilisée dans la mesure de la courbure de l'univers par des observations du rayonnement de fond cosmologique, bien que les contraintes d'observation de l'énergie sombres ont été déterminées sur l'hypothèse que l'univers est plat.

Pour tenter de répondre à au moins certaines de ces questions est en cours d'élaboration à cosmologie quantique.

Réflexions philosophiques et théologiques

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: cosmogonie.

« Si l'univers n'a pas toujours existé, la science est confrontée à la nécessité d'expliquer son existence. »

(Arno Penzias, 1979[89])

Le Big Bang est une théorie scientifique, et en tant que telle la validité (ou son abandon) dépend de son accord avec les observations. Mais étant une théorie qui est à l'origine de la réalité, il a souvent été un point de départ pour des réflexions théologiques et philosophiques.

jusqu'à ce que la une trentaine d'années presque tous les grands cosmologistes ont cru que l'univers était éternel, et selon beaucoup, cela fait l'existence d'un Dieu créateur hypothèse superflue.[90]
Avec la proposition de la théorie du Big Bang (dont l'auteur principal était Georges Lemaître, un prêtre catholique) Beaucoup a objecté que l'origine du temps fini implicite dans le Big Bang a introduit des concepts théologiques au sein de la physique; Cette objection a été reprise plus tard par Fred Hoyle et d'autres défenseurs théorie de l'état d'équilibre.[91]

Cependant, en 1951, au cours de la réunion annuelle avec le Académie pontificale des Sciences, papa Pio XII, se réjouit que semblait surmonter un obstacle à un accord entre la science et la foi:

« Il semble vraiment que la science actuelle, va tout à coup des millions de siècles, a réussi à être témoin de ce primordial « Fiat Lux », alors de nulle part éclata avec la matière une mer de lumière et le rayonnement, tandis que les particules des éléments chimistes divisés et réunis en millions de galaxies. Il est vrai que la création en temps les faits vérifiés ici ne sont pas soumis à la preuve absolue, comme ceux qui sont tirés de la métaphysique et la révélation, en ce qui concerne la création simple et la révélation, si elle est la création dans le temps. Les faits se rapportant aux sciences de la nature, dont je vous ai parlé, attendent toujours plus d'enquêtes et les confirmations et les théories fondées sur les besoin de nouveaux développements et des preuves, afin de fournir une base solide pour un argument, qui est lui-même en dehors de la sphère de la science naturelle. Néanmoins, il est digne d'attention que les praticiens modernes de ces sciences apprécient l'idée de la création de l'univers tout à fait conciliable avec leur conception scientifique, et en effet il sont menées spontanément de leurs enquêtes; alors, même il y a quelques décennies, une telle « hypothèse » a été rejetée comme absolument incompatible avec l'état actuel de la science. »

(Discours du pape Pie XII à l'Académie pontificale des Sciences du 22 Novembre, 1951[92])

L'employé qui avait préparé cette circonstance discours mêlé, bien hypothétiquement, la théorie scientifique du Big Bang avec le concept théologique de la « création à partir de rien », un concept qui avait soigneusement évité Lemaître dans son article, dans lequel la description de la Big Bang commence par un « œuf cosmique » de la taille arbitrairement petite, mais toujours fini, et que déjà toute la masse de l'univers. Compte tenu de l'incertitude des temps données cosmologiques disponibles pour calibrer les paramètres de l'équation de son modèle, Lemaitre a développé explicitement que le cas limite où le Big Bang était infiniment éloigné dans le temps, afin de ne pas être attaqué même pour avoir pris une durée finie univers. L'imprécision du discours du pape, jamais traduit en anglais, est la source de la rumeur répandue dans le monde anglophone que le pape voulait exploiter les nouvelles fins de découverte apologétique.[93]

La physique remonte dans le temps seulement jusqu'à "temps de Planck», C'est lorsque la taille de l'univers était si petit que les lois physiques connues de perdre leur validité. Reculer plus est impossible sinon pour hypothétiquement. Physique Actuellement a exploré différents modèles théoriques pour montrer que l'hypothèse d'une création à partir de rien il peut être évité et remplacé par d'autres qui ne présupposent pas un Dieu créateur. Parmi ceux-ci les plus connus sont l'hypothèse de multivers (Ce qui a l'inconvénient d'avoir à supposer l'existence d'une multiplicité infinie d'univers), celui d'un univers cyclique et le modèle Hawking dans lequel l'univers est illimité, mais dépourvu d'un instant initial auquel peut éventuellement être associé à l'intervention du créateur (état Hartle-Hawking).

Notez toutefois que les déploiements en cours dans les discussions philosophiques sur le Big Bang ne suivent pas les athées du bassin versant / croyants: de nombreux membres du matérialisme Ils ont accepté le Big Bang et de nombreux partisans créationnisme rejeter.

notes

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bibliographie

textes d'information

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