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l'énergie sombre
L'estimation de la répartition de la masse-énergie dans 'univers (Enquête 2013): L'énergie sombre, matière noire, matière connue

L 'l'énergie sombre Il est une forme hypothétique de énergie pas directement détectable, diffuse de manière homogène dans l'espace.

Il est estimé représenter environ 68% de l'énergie de masse de l'univers, dont la grande partie, environ 95%, comprenant également matière noire, soustraire les méthodes actuelles de détection. Il est en outre caractérisé par un pression négative, L'énergie noire est la façon la plus populaire parmi les cosmologistes pour expliquer la 'expansion accélérée de l'univers. Il constitue donc un élément important de modèle standard de la cosmologie basé sur Big Bang.

généralité

Les deux principales formes de propositions d'énergie sombres sont constante cosmologique et quintessence.

  • La constante cosmologique est une densité d'énergie constante qui remplit de manière homogène l'espace et physiquement équivalent à 'énergie du vide. L'ajout d'une constante cosmologique dans la théorie de base de la cosmologie (voir Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker) A conduit à l'adoption du modèle appelé Lambda-CDM, qui est en accord avec les observations.
  • Quintessence est un domaine dynamique dont la densité d'énergie varie dans l'espace et le temps.

La distinction entre les deux possibilités exige des mesures précises de l'expansion de l'univers pour comprendre comment la vitesse d'expansion change au fil du temps. Le coefficient de dilatation est paramétré par 'équation d'état, le calcul de ce qui est l'un des plus grands efforts de la cosmologie d'observation. Cependant, certains modèles la gravité quantique, y compris gravité quantique boucle, Ils peuvent expliquer les propriétés cosmologiques sans l'utilisation de l'énergie noire.

Le terme « énergie noire » a été inventé par Michael Turner.

histoire

Albert Einstein, Il a vécu à une époque dominée par l'idée d'un univers stationnaire, pour contrer les effets de la « nouvelle » gravité Il décrit par lui, ce qui a conduit à un univers dynamique (ou contraction ou expansion), principalement pour éviter l'idée d'un effondrement gravitationnel il a inséré dans équations de champ de relativité générale la célèbre constante cosmologique, qualitativement semblable à une force anti-gravité sur une grande échelle. Lorsqu'en 1929 Edwin Hubble Il a découvert que l'univers était en expansion Einstein rétracté son idée, l'appelant « Ma plus grande erreur ».

Avec le développement de la théorie quantique de la matière parmi vingtaine d'années et trente la XXe siècle, il est devenu évident que même le vide a sa propre énergie bien définie, déterminée par les paires de particules et antiparticules qu'ils sont formés et annihilent en continu.

En 1967, il a été repris l 'effet Sachs-Wolfe, consistant en un décalage vers le bleu de rayonnement de fond cosmologique quand il passe à travers les champs gravitationnels solides générés par de grandes masses de matière; ce gain d'énergie serait un signe direct de l'existence de l'énergie sombre.

lorsque la années nonante il a été établi que l'expansion accélérée de l'univers (l'annonce que les données ont confirmé une univers accélération Il a été donné par Saul Perlmutter Berkeley Lab le 8 Janvier 1998; le travail a remporté le Prix ​​Nobel de physique en 2011), l'hypothèse de l'énergie noire a été renforcée afin de justifier l'existence d'une force anti-gravité présente dans tout l'univers, ce qui expliquerait l'expansion accélérée et pourrait être représenté par l'énergie du vide requis par la mécanique quantique. L'erreur d'Einstein a été redimensionnée si d'une certaine façon: une forme de permeerebbe réellement de l'espace indétectable énergie, mais son effet anti-gravité hypothétique, au lieu de faire l'univers stationnaire, il accélérerait l'expansion. Comme résultat de l'expansion accélérée garantie de l'âge de l'univers est plus faible que précédemment estimée sur la base d'un vitesse constante expansion.

en 2004 Christian Beck à l'Université Queen Mary de Londres et Michael Mackey de l'Université McGill à Montréal a développé une théorie qui reliait les fluctuations du vide et de l'énergie noire expérimentale énergie noire émis l'hypothèse par la mesure jonction Josephson.

La théorie de la nucléosynthèse primordiale tente d'expliquer la formation des éléments légers dans l'univers précoce, tels quehélium, la deutérium et lithium, alors que la théorie de la structure à grande échelle de l'univers l'étude de la formation de étoiles, quasar, galaxies et groupe de galaxies. Les deux théories suggèrent que la densité d'énergie de toute la matière dans l'univers concevable, constitué par l'ensemble des baryons et matière noire froide, est d'environ 30% de celle nécessaire pour faire le vide courbure de l'univers. En raison des mesures de rayonnement de fond cosmologique effectuées par le satellite WMAP, lancé en 2001, indiquent que l'univers est très proche d'une courbure nulle, il est possible de conclure qu'une part en fait invisible énergie, « sombre », constituent les 70% restants.

Un article publié en 2012 par l'Université de Portsmouth et LMU Monaco, basé sur le chevauchement des régions des cartes de l'univers avec ceux du rayonnement de fond, a une précision améliorée par rapport aux précédentes études de confirmation semblable effet Sachs-Wolfe, en soutenant une probabilité de l'existence de l'énergie sombre de 99,9996 % (la même valeur de 5 Sigma réalisé par la découverte de boson de Higgs).

tests d'accélération Univers

l'énergie sombre
La composition de l'univers

Dans les années nonante, observations Tapez supernovae Ia suggéré que l'expansion de la 'univers Il était en accélération. Ces observations ont été confirmées par plusieurs sources indépendantes: rayonnement de fond cosmologique, l 'l'âge de l'univers, abondances de éléments grâce à nucléosynthèse primordiale, la structure à grande échelle de l'univers et les mesures des paramètre de Hubble, ainsi que l'analyse de supernovae précise. Tous ces facteurs contribuent à expliquer modèle Lambda-CDM.

Les supernovae de type Ia fournissent la meilleure preuve de l'existence de l'énergie sombre. La mesure de la vitesse d'enlèvement d'objets est simplement obtenue en mesurant la décalage vers le rouge (redshift) Objet, mais au lieu de calculer la distance est un problème plus complexe: vous devez trouver chandelles standard, objets dont magnitude absolue Il est connu, de telle manière à relier la magnitude apparente à la distance. Sans bougies standard, il est impossible de mesurer la relation entre la loi de Hubble entre la distance et redshift.

Les supernovae de type Ia sont les meilleures bougies standards, car ils sont très lumineux et brûlent que lorsque la masse d'un ancien naine blanche atteint limite de Chandrasekhar. Les distances de supernovae sont ensuite mis en relation avec leur vitesse; la méthode est également utilisée pour déterminer l'histoire de l'expansion de l'univers. Ces observations indiquent que l'univers ne ralentit pas, ce que vous attendez dans un univers dominé par la matière, mais est mystérieusement accélérait. Les données des observateurs sont donc expliqués en postulant une sorte d'énergie avec une pression négative (v. L 'équation d'état en cosmologie pour une explication mathématique), appelée énergie sombre.

Nature de l'énergie noire

La nature exacte de l'énergie noire est toujours l'objet de recherches. Vous savez qui est propriétaire homogénéité et densité pas élevé, et qui n'interagit pas fortement avec l'un des forces fondamentales, sauf gravité. Comme il est peu épais (environ 10-29 g / cm3) Il est peu probable d'imaginer des expériences de le trouver dans le laboratoire. Toutefois, l'énergie noire peut avoir un fort impact sur l'univers, ce qui constitue, comme mentionné, 70% de toute l'énergie et le remplissage de façon uniforme l'espace vide. Les deux modèles les plus importants sont la constante cosmologique et Quintessence.

constante cosmologique ou énergie du vide

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Constant cosmologique et L'énergie du vide.

L'explication la plus simple d'énergie sombre, et partagé entre physiciens et cosmologistes, est qu'il est « le prix d'avoir l'espace »: qui est un volume d'espace a une énergie inhérente et fondamentale, appelée énergie du vide, qui représente la densité d'énergie du vide Physique. La plupart des théories la physique des particules prédit fait fluctuations du vide qui confèrent précisément ce type d'énergie. Puisque l'énergie et la masse sont reliées par la formule E = mc², selon la théorie de la relativité générale l'énergie du vide produira des effets gravitationnels assumant le rôle de la constante cosmologique, noté par la lettre grecque Λ (lambda, d'où la modèle Lambda-CDM ou d'un modèle standard de la cosmologie). On estime dans l'ordre de 10-29 g / cm3 ou 10-123 en unités de Planck.

La constante cosmologique a pression équivalent négatif à la densité de son énergie, ce qui détermine l'accélération de l'expansion de l'univers. La raison pour laquelle la constante a une telle valeur de pression peut être détectée dans thermodynamique classique. la travail produit par un changement de volume dV Il est égal à -p dV, où p est la pression. Mais la quantité d'énergie dans une boîte d'énergie à vide augmente effectivement lorsque le volume augmente (et donc dV Il est positif), parce que l'énergie est égale à ρV, où ρ Il est la densité d'énergie de la constante cosmologique. puis p Il est négatif et en fait p = -ρ.

L'un des grands problèmes non résolus de la physique est que la plupart des théories quantiques des champs elles fournissent une valeur très élevée pour l'énergie constante du vide quantique, jusqu'à 123 ordres de grandeur par rapport à la constante cosmologique estimé que l'énergie sombre. Cela signifierait qu'une grande partie de cette énergie devrait être annulée par un signe égal et opposé. Alternativement certaines théories supersymétrique Ils exigent que la constante cosmologique est exactement zéro. si les données discordantes constituent la problème de la constante cosmologique, l'un des plus importants problèmes de la physique de mesure: il n'y a aucun moyen connu pour obtenir un produit naturel, mais à peu près, la constante cosmologique infinitésimale observée dans la physique des particules.

En dépit de ces problèmes, la constante cosmologique est à bien des égards la « solutionéconomique« Le problème de l'accélération cosmique et la Modèle standard de la cosmologie la réelle comprennent comme une caractéristique essentielle.

quintessence

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Quintessence (physique) et alimentation fantôme.

Sinon, l'énergie sombre pourrait résulter de l'excitation des particules dans certains types de champs scalaires dynamique (Fourni par modèle standard et la théorie des cordes), Appelée quintessence. Cela diffère de la constante cosmologique, principalement parce qu'il peut varier dans l'espace et le temps. De peur que la forme structures les matériaux doivent être très léger, de façon à avoir une longueur d'onde de Compton très grand.

Il n'y a aucune preuve de l'existence de Quintessence, mais l'hypothèse ne peut être exclue a priori. Typiquement, cela implique l'expansion moins accélérée de l'univers de la constante cosmologique. Certains croient que la meilleure preuve indirecte de la Quintessence résultant de la violation principe d'équivalence Einstein et par les variations des constantes fondamentales dans l'espace et le temps.

Le problème de coïncidence cosmique demande pourquoi l'énergie sombre a manifesté précisément dans le moment estimé. Si, par exemple, a été commencé dans un temps plus tôt, ils auraient pas eu le temps de former des structures telles que galaxies et, finalement, il ne pouvait pas avoir évolué vie intelligente: partisans principe anthropic Ils voient cela comme un test important de leur argument. De nombreux modèles de comportement Quintessence ont à résoudre le problème, étant donné que leur terrain Il a une densité qui évolue jusqu'à la matière et le rayonnement sont égaux, ce qui permet le début par excellence se comporter comme l'énergie sombre et enfin à dominer l'univers, en plus de mettre la faible échelle d'énergie.

Certains cas particuliers sont la quintessence 'alimentation fantôme, où la densité d'énergie de la quintessence croît avec le temps, et l'essence-k (quintessence cinétique), qui possède une forme de non-standard énergie cinétique. Ils peuvent avoir des propriétés inhabituelles: l'énergie fantôme, par exemple, peut provoquer Big Rip.

D'autres hypothèses

Certains théoriciens pensent que l'énergie noire et de l'accélération cosmique sont la preuve de l'échec de la relativité générale sur des échelles plus grandes que celles des superamas de galaxies. L'un des modèles alternatifs sont théories MOND (Dynamique newtonienne modifiée, modifiés dynamique newtonienne).

D'autres théoriciens suggèrent au contraire que l'énergie noire et de l'accélération cosmique révèlent une défaillance du modèle standard Big Bang, parce qu'il forcerait à admettre la présence de quelque chose pas encore tester.

D'autres idées sont tirées de l'énergie noire la théorie des cordes, de cosmologie Brane et principe holographique, mais ils n'ont pas encore fait ses preuves comme celles de la Quintessence et la constante cosmologique. Par analogie avec des phénomènes observables dans les liquides, il faut supposer que le nombre presque infini de collisions entre infinitésimales un nombre presque infini de particules peut produire une sorte de pression qui élargit le champ de notre univers. Neil Turok, comme d'autres théoriciens branes et cordes, dit que l'énergie sombre et matière noire ils peuvent être la gravité ou les forces dérivées de l'interaction d'un univers parallèle très proche, mais pas visible.[1][2]

Selon le physicien Leonard Susskind, le terme l'énergie sombre Il est trompeur, et serait plus correct de parler de vide pression positive, qui est une sorte de vide instable, oscillant sur un minimum relatif de potentiel, placé au-dessus du potentiel nul, et donc en croissance exponentielle. Il peut avoir été l'origine d'une fluctuation quantique du vide ordinaire, à pression nulle, statique, uniforme et où rien ne peut arriver. En d'autres termes tant l'inflation dans ce modèle Big Bang, est l'histoire future de l'univers (le Big Rip), Ils peuvent être expliqués avec un vide de pression positive.

Selon Fariag Ahmed Ali, Saurya Das et Rajat K. Badhuri, l'énergie sombre est une constante cosmologique développée par le potentiel quantique (plutôt que par 'énergie du vide sans autre précision) d'une condensat de Bose-Einstein qui génère fluctuations quantiques et d'autres effets. Cet état de la matière serait présent dans tous les âges de l'univers et formerait aussi matière noire[3]. Un condensat de Bose-Einstein est formé lorsque bosons, dans ce cas gravitons ou axions, Ils sont pris à des températures proches zéro absolu; à ce moment les réactions quantiques se produisent à l'échelle macroscopique.

La critique du concept d'énergie noire

Selon une certaine accélération ne serait apparente, bien que l'espace en expansion.

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Univers accélération § Le modèle de « Le ralentissement du temps ».

D'autres ont des interprétations différentes; physicien et mathématicien Roger Penrose Il dit que l'énergie noire n'existe pas et le 'univers accélération Il est expliqué par le montant prévu des inutiles rayonnement gravitationnel qui passerait par un éon temporel à venir à un autre, selon sa théorie dit cosmologie cyclique conformationnelle. Dans le modèle Penrose l'univers est composé d'innombrables éons de espace-temps. Penrose a calculé qu'une certaine quantité de rayonnement gravitationnel Il doit être conservé à travers la frontière entre éons, échappant au processus de le rayonnement de Hawking; Il suggère que ce rayonnement gravitationnel supplémentaire peut être suffisante pour expliquer la 'accélération cosmique observé, sans avoir recours au domaine de la matière dérivée de l'énorme quantité hypothétique de l'énergie noire.[4]

Certains ont fait valoir que l'accélération est le résultat d'une erreur d'observation et de calcul.[5]

Conséquences pour le sort de l'univers

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

Les cosmologistes pensent que ACCÉLÈRE a commencé il y a environ 5-6 milliards d'années l'expansion de l'univers et nous croyons que dans l'étape précédente, puis à Big Bang, l'expansion ralentissait en raison de force gravitationnelle attraction exercée par matière baryonique et la matière noire.

Selon les calculs de la densité de la matière dans un univers en expansion, il devrait être réduit plus rapidement que l'énergie sombre et cela devrait finalement prendre le relais. En particulier, lorsque le volume de l'univers double la densité de la matière est réduite de moitié, tandis que l'énergie sombre devrait rester à peu près inchangée (exactement inchangé dans le cas de la constante cosmologique).

Si l'accélération se poursuit indéfiniment, le résultat final serait que les galaxies extérieures Superamas local Ils se déplaçaient au-delà »horizon cosmique et ne serait plus visible parce que leur vitesse relative deviendrait supérieure à la vitesse de la lumière (ce ne serait pas une violation de relativité restreinte puisque l'effet ne peut pas être utilisé pour envoyer des signaux entre les galaxies). la terre, la voie lactée et Superamas local Ils restent pratiquement intacte alors que le reste de l'univers courrait; Dans ce scénario, la superamas locale ferait face à la la mort de chaleur, de la même manière en tant que plaque et univers matériel.

Ils spéculent cependant des scénarios alternatifs. On suggère que l'énergie sombre peut provoquer une expansion « Divergent », ce qui implique une augmentation de la force de répulsion à dominer toutes les autres forces de l'univers. Dans cet état de l'énergie sombre, il détruirait toutes les structures liées à la gravité, y compris les galaxies et les systèmes solaires, et enfin dépasser les forces électrique et nucléaire détruire les atomes eux-mêmes, ce qui rend l'univers se terminant par un Big Rip (Big secousse). Selon une autre hypothèse énergie sombre peut disparaître avec le temps ou même devenir attrayant, en laissant ouverte la possibilité que la gravité peut devenir dominante et conduire le monde à une grande contraction finale qui Big Crunch. Certains modèles, comme celui des 'univers oscillant, prédire que cette contraction fait suite à une nouvelle expansion dans une succession cyclique.

Les mesures précises de l'accélération de l'expansion de l'univers peut se révéler décisive pour déterminer son sort ultime dans la théorie de Big Bang.

dans la fiction

L'énergie noire est souvent mentionné (même manipulé) dans la célèbre série de jeux vidéo Half-Life 2: La vision de l'énergie sombre au-delà en partie des descriptions des théories physiques sur ce phénomène: il semble être en fait manipulé par des dispositifs technologiques allant des fusils à téléporteurs à des réacteurs de fusion. L'énergie sombre est donc présenté comme la principale source d'énergie de la force conquérante appel Combiner. Le Cartel utilise cette énergie pour alimenter ses forteresses (citadelles, gratte-ciel immenses grands kilomètres), leurs armes (fusils d'assaut combinent les projectiles de décharge de l'énergie noire) et leurs systèmes de téléportation.

L'énergie noire est également fondamentale dans la série Mass Effect. univers fictif de saga des champs d'énergie sombre, généré en soumettant à un courant électrique tout aussi fictif élément zéro, Ils sont en effet en mesure de réduire la masse reste de la matière contenue dans les: l'énergie sombre est ensuite utilisé pour alléger les vaisseaux spatiaux, ce qui permet d'atteindre plus vite que la vitesse de la lumière, pour générer gravité Artificielle, pour accélérer les projectiles d'armes à feu et peut également être utilisé par des individus particuliers, biotique, pour générer des champs d'énergie sombres qui peuvent désarmer les ennemis.

notes

  1. ^ Michio Kaku, Mondes parallèles. Un voyage à travers la création, des dimensions supérieures et l'avenir du cosmos, Turin, Ed.Codice, 2006, ISBN 88-7578-054-4
  2. ^ Paul J. Steinhardt, Neil Turok, Univers sans fin. Au-delà du big bang, pag. 162
  3. ^ http://arxiv.org/abs/1411.0753 Saurya Das, Rajat K. Bhaduri, La matière noire et l'énergie sombre de Bose-Einstein
  4. ^ Roger Penrose, Avant le Big Bang: Une nouvelle perspective Outrageous et ses implications pour la physique des particules (PDF), Dans Actes du EPAC 2006, Édimbourg, Écosse, 2006, pp. 2759-2762.
  5. ^ Y at-il vraiment l'énergie sombre?

bibliographie

  • Richard Panek, Les 4% Univers. L'histoire de la découverte de la matière noire et l'énergie sombre, 2012, code de Edizioni, ISBN 978-887578309-9

Articles connexes

liens externes

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