Pour les grands physiciens du passé, I. Newton et A. Einstein, l'Univers semblait statique. Le physicien soviétique A. Friedman a proposé en 1924 la théorie de la « diffusion » des galaxies. Friedman a prédit l'expansion de l'Univers. Ce fut une révolution révolutionnaire dans la compréhension physique de notre monde.

L'astronome américain Edwin Hubble a exploré la nébuleuse d'Andromède. En 1923, il fut en mesure de constater que sa périphérie était constituée d’amas d’étoiles individuelles. Hubble a calculé la distance jusqu'à la nébuleuse. Il s'est avéré qu'il s'agissait de 900 000 années-lumière (la distance calculée avec la plus grande précision aujourd'hui est de 2,3 millions d'années-lumière). C'est-à-dire que la nébuleuse est située bien au-delà de la Voie Lactée, notre Galaxie. Après avoir observé cette nébuleuse et d’autres, Hubble est arrivé à une conclusion sur la structure de l’Univers.

L'univers est constitué d'un ensemble d'énormes amas d'étoiles - galaxies.

Ce sont eux qui nous apparaissent comme des « nuages ​​» brumeux lointains dans le ciel, car nous ne pouvons tout simplement pas voir les étoiles individuelles à une si grande distance.

E. Hubble a remarqué un aspect important dans les données obtenues, que les astronomes avaient déjà observé, mais qu'il avait du mal à interpréter. A savoir : la longueur observée des ondes lumineuses spectrales émises par les atomes des galaxies lointaines est légèrement supérieure à la longueur des ondes spectrales émises par les mêmes atomes dans les laboratoires terrestres. Autrement dit, dans le spectre de rayonnement des galaxies voisines, le quantum de lumière émis par un atome lorsqu'un électron saute d'orbite en orbite est décalé en fréquence vers la partie rouge du spectre par rapport à un quantum similaire émis par le même atome sur Terre. . Hubble s'est permis d'interpréter cette observation comme une manifestation de l'effet Doppler.

Toutes les galaxies voisines observées s'éloignent de la Terre, puisque presque tous les objets galactiques en dehors de la Voie Lactée présentent un décalage spectral vers le rouge proportionnel à la vitesse de leur éloignement.

Plus important encore, Hubble a pu comparer les résultats de ses mesures de distances aux galaxies voisines avec les mesures de leurs taux de récession (basées sur le redshift).

Mathématiquement, la loi est formulée très simplement :

où v est la vitesse à laquelle la galaxie s'éloigne de nous,

r – la distance jusqu'à lui,

H est la constante de Hubble.

Et bien que Hubble soit initialement parvenu à cette loi en observant seulement quelques galaxies les plus proches de nous, aucune des nombreuses nouvelles galaxies de l'Univers visible découvertes depuis lors, de plus en plus éloignées de la Voie lactée, ne se situe en dehors de la Voie lactée. portée de cette loi.

Ainsi, la principale conséquence de la loi de Hubble :

L'univers est en expansion.

Le tissu même de l’espace mondial est en expansion. Tous les observateurs (et vous et moi ne faisons pas exception) se considèrent comme étant au centre de l’Univers.

4. La théorie du Big Bang

A partir du fait expérimental de la récession des galaxies, l'âge de l'Univers a été estimé. Cela s'est avéré égal - environ 15 milliards d'années ! Ainsi commença l’ère de la cosmologie moderne.

La question se pose naturellement : que s’est-il passé au début ? Il n’a fallu qu’une vingtaine d’années aux scientifiques pour révolutionner complètement leur compréhension de l’Univers.

La réponse a été proposée par l'éminent physicien G. Gamow (1904 - 1968) dans les années 40. L'histoire de notre monde a commencé avec le Big Bang. C’est exactement ce que pensent la plupart des astrophysiciens aujourd’hui.

Le Big Bang est une chute rapide de la densité, de la température et de la pression initialement énormes de la matière concentrée dans un très petit volume de l'Univers. Toute la matière de l’univers était compressée en un morceau dense de proto-matière, contenu dans un très petit volume comparé à l’échelle actuelle de l’Univers.

L’idée de l’Univers, né d’un amas extrêmement dense de matière extrêmement chaude et depuis lors en expansion et en refroidissement, s’appelle la théorie du Big Bang.

Il n’existe aujourd’hui aucun modèle cosmologique plus abouti sur l’origine et l’évolution de l’Univers.

Selon la théorie du Big Bang, l’Univers primitif était constitué de photons, d’électrons et d’autres particules. Les photons interagissaient constamment avec d'autres particules. À mesure que l’Univers s’étendait, il s’est refroidi et, à un certain stade, les électrons ont commencé à se combiner avec les noyaux d’hydrogène et d’hélium pour former des atomes. Cela s'est produit à une température d'environ 3 000 K et à un âge approximatif de l'Univers de 400 000 ans. A partir de ce moment, les photons pouvaient se déplacer librement dans l'espace, pratiquement sans interagir avec la matière. Mais il nous reste des « témoins » de cette époque : ce sont des photons reliques. On pense que le rayonnement de fond cosmique micro-ondes a été préservé dès les premiers stades de l’existence de l’Univers et le remplit uniformément. En raison du refroidissement ultérieur du rayonnement, sa température a diminué et est maintenant d'environ 3 K.

L’existence d’un fond de rayonnement cosmique micro-ondes a été prédite théoriquement dans le cadre de la théorie du Big Bang. Elle est considérée comme l’une des principales confirmations de la théorie du Big Bang.

La prochaine étape dans l’organisation de la matière dans l’Univers est celle des galaxies. Un exemple typique est notre galaxie, la Voie Lactée. Il contient environ 10 11 étoiles et a la forme d'un disque mince avec un épaississement au centre.
En figue. La figure 39 montre schématiquement la structure de notre Voie Lactée et indique la position du Soleil dans l'un des bras spiraux de la galaxie.

Riz. 39. Structure de la Voie Lactée.

En figue. La figure 40 montre la projection sur le plan des 16 plus proches voisins de notre galaxie.

Riz. 40. 16 plus proches voisins de notre Galaxie, projetés sur un avion. LMC et MMC − Grands et petits nuages ​​de Magellan

Les étoiles dans les galaxies sont inégalement réparties.
La taille des galaxies varie de 15 à 800 mille années-lumière. La masse des galaxies varie de 10 7 à 10 12 masses solaires. La majorité des étoiles et des gaz froids sont concentrés dans les galaxies. Les étoiles des galaxies sont maintenues ensemble par le champ gravitationnel combiné de la galaxie et de la matière noire.
Notre galaxie, la Voie Lactée, est un système spirale typique. Les étoiles d'une galaxie, ainsi que la rotation générale des galaxies, ont également leurs propres vitesses par rapport à la galaxie. La vitesse orbitale du Soleil dans notre galaxie est de 230 km/s. La vitesse du Soleil par rapport à la galaxie est
20 km/s.

La découverte du monde des galaxies appartient à E. Hubble. En 1923-1924, observant les changements de luminosité des Céphéides situées dans des nébuleuses individuelles, il montra que les nébuleuses qu'il découvrit étaient des galaxies situées en dehors de notre galaxie, la Voie Lactée. Il a notamment découvert que la nébuleuse d'Andromède est un autre système stellaire, une galaxie qui ne fait pas partie de notre Voie lactée. La nébuleuse d'Andromède est une galaxie spirale située à une distance de 520 kpc. La taille transversale de la nébuleuse d'Andromède est de 50 kpc.
En étudiant les vitesses radiales de galaxies individuelles, Hubble a fait une découverte remarquable :

H = 73,8 ± 2,4 km sec -1 mégaparsec -1 – Paramètre Hubble.

Riz. 41. Graphique Hubble original de 1929.

Riz. 42. La vitesse d'éloignement des galaxies en fonction de la distance à la Terre.

En figue. 42, à l'origine des coordonnées, le carré montre la région des vitesses et des distances des galaxies, sur la base de laquelle E. Hubble a dérivé la relation (9).
La découverte de Hubble avait une histoire. En 1914, l'astronome V. Slipher montra que la nébuleuse d'Andromède et plusieurs autres nébuleuses se déplaçaient par rapport au système solaire à des vitesses d'environ 1 000 km/h. E. Hubble, travaillant sur le plus grand télescope au monde doté d'un miroir principal d'un diamètre de 2,5 m à l'observatoire du mont Wilson en Californie (États-Unis), a réussi pour la première fois à résoudre des étoiles individuelles dans la nébuleuse d'Andromède. Parmi ces étoiles se trouvaient des étoiles céphéides, pour lesquelles la relation entre la période de changement de luminosité et la luminosité est connue.
Connaissant la luminosité et la vitesse de l'étoile, E. Hubble a obtenu la dépendance de la vitesse d'éloignement des étoiles du système solaire en fonction de la distance. En figue. 41 montre un graphique de l'ouvrage original de E. Hubble.

Riz. 43. Télescope spatial Hubble

effet Doppler L'effet Doppler est un changement de fréquence enregistré par le récepteur lorsque la source ou le récepteur se déplace. Si une source en mouvement émet de la lumière ayant une fréquence ω 0, alors la fréquence de la lumière enregistrée par le récepteur est déterminée par la relation c est la vitesse de la lumière dans le vide, v est la vitesse de déplacement de la source de rayonnement par rapport au récepteur de rayonnement, θ est l'angle entre la direction vers la source et le vecteur vitesse dans le référentiel du récepteur. θ = 0 correspond à la distance radiale de la source au récepteur, θ = π correspond à l'approche radiale de la source au récepteur.

La vitesse radiale de mouvement des objets célestes - étoiles, galaxies - est déterminée en mesurant le changement de fréquence des raies spectrales. À mesure que la source de rayonnement s’éloigne de l’observateur, les longueurs d’onde se déplacent vers des longueurs d’onde plus longues (décalage vers le rouge). À mesure que la source de rayonnement s'approche de l'observateur, les longueurs d'onde se déplacent vers des longueurs d'onde plus courtes (décalage vers le bleu). En augmentant la largeur de la distribution des raies spectrales, la température de l'objet émetteur peut être déterminée.
Hubble a divisé les galaxies selon leur apparence en trois grandes classes :

elliptique (E),

spirale (S),

irrégulier (Ir).

Riz. 44. Types de galaxies (spirales, elliptiques, irrégulières).

Une caractéristique des galaxies spirales est la présence de bras spiraux s'étendant du centre à tout le disque stellaire.
Les galaxies elliptiques sont des systèmes sans structure de forme elliptique.
Les galaxies irrégulières ont une structure extérieurement chaotique et grumeleuse et n'ont pas de forme spécifique.
Cette classification des galaxies reflète non seulement leurs formes externes, mais aussi les propriétés des étoiles qui les composent.
Les galaxies elliptiques sont composées principalement d'étoiles anciennes. Dans les galaxies irrégulières, la principale contribution au rayonnement provient d’étoiles plus jeunes que le Soleil. Les étoiles de tous âges se trouvent dans les galaxies spirales. Ainsi, la différence d'apparence des galaxies est déterminée par la nature de leur évolution. Dans les galaxies elliptiques, la formation d’étoiles a pratiquement cessé il y a des milliards d’années. Dans les galaxies spirales, la formation d'étoiles se poursuit. Dans les galaxies irrégulières, la formation d’étoiles se produit aussi intensément qu’il y a des milliards d’années. Presque toutes les étoiles sont concentrées dans un large disque dont la majeure partie est constituée de gaz interstellaire.
Le tableau 19 présente une comparaison relative de ces trois types de galaxies et une comparaison de leurs propriétés basée sur l'analyse d'E. Hubble.

Tableau 19

Principaux types de galaxies et leurs propriétés (d'après E. Hubble)
Spirale	Elliptique	Irrégulier
Pourcentage dans l'Univers
Propriétés de forme et structurelles
Un disque plat d'étoiles et de gaz avec des bras en spirale qui s'épaississent vers le centre. Un noyau d'étoiles plus anciennes et un halo à peu près sphérique (gaz interstellaire, certaines étoiles et champs magnétiques)

Vous êtes assis, debout ou allongé en lisant cet article et vous n'avez pas l'impression que la Terre tourne sur son axe à une vitesse vertigineuse - environ 1 700 km/h à l'équateur. Cependant, la vitesse de rotation ne semble pas si rapide une fois convertie en km/s. Le résultat est de 0,5 km/s – une erreur à peine perceptible sur le radar, en comparaison avec les autres vitesses qui nous entourent.

Tout comme les autres planètes du système solaire, la Terre tourne autour du Soleil. Et pour rester sur son orbite, il se déplace à une vitesse de 30 km/s. Vénus et Mercure, qui sont plus proches du Soleil, se déplacent plus vite, Mars, dont l’orbite passe derrière l’orbite terrestre, se déplace beaucoup plus lentement.

Mais même le Soleil ne se trouve pas au même endroit. Notre galaxie, la Voie lactée, est immense, massive et également mobile ! Toutes les étoiles, planètes, nuages ​​de gaz, particules de poussière, trous noirs, matière noire – tout cela se déplace par rapport à un centre de masse commun.

Selon les scientifiques, le Soleil est situé à 25 000 années-lumière du centre de notre galaxie et se déplace sur une orbite elliptique, effectuant une révolution complète tous les 220 à 250 millions d'années. Il s’avère que la vitesse du Soleil est d’environ 200 à 220 km/s, ce qui est des centaines de fois supérieure à la vitesse de la Terre autour de son axe et des dizaines de fois supérieure à la vitesse de son mouvement autour du Soleil. Voilà à quoi ressemble le mouvement de notre système solaire.

La galaxie est-elle stationnaire ? Pas encore. Les objets spatiaux géants ont une masse importante et créent donc de puissants champs gravitationnels. Donnez à l'Univers un peu de temps (et nous l'avons depuis environ 13,8 milliards d'années), et tout commencera à se déplacer dans la direction de la plus grande gravité. C'est pourquoi l'Univers n'est pas homogène, mais est constitué de galaxies et de groupes de galaxies.

Qu'est ce que cela veut dire pour nous?

Cela signifie que la Voie Lactée est attirée vers elle par d’autres galaxies et groupes de galaxies situés à proximité. Cela signifie que les objets massifs dominent le processus. Et cela signifie que non seulement notre galaxie, mais aussi tout le monde autour de nous est influencé par ces « tracteurs ». Nous nous rapprochons de la compréhension de ce qui nous arrive dans l’espace, mais nous manquons encore de faits, par exemple :

• quelles ont été les conditions initiales dans lesquelles l’Univers a commencé ;
• comment les différentes masses de la galaxie bougent et changent au fil du temps ;
• comment la Voie lactée et les galaxies et amas environnants se sont formés ;
• et comment cela se passe maintenant.

Cependant, il existe une astuce qui nous aidera à le comprendre.

L'Univers est rempli de rayonnements reliques d'une température de 2,725 K, préservés depuis le Big Bang. Ici et là, il y a de minuscules écarts - environ 100 μK, mais la température globale de fond est constante.

En effet, l’univers a été formé par le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années et continue de s’étendre et de se refroidir.

380 000 ans après le Big Bang, l’Univers s’est refroidi à une température telle que la formation d’atomes d’hydrogène est devenue possible. Avant cela, les photons interagissaient constamment avec d'autres particules de plasma : ils entraient en collision avec elles et échangeaient de l'énergie. À mesure que l’Univers se refroidissait, il y avait moins de particules chargées et plus d’espace entre elles. Les photons étaient capables de se déplacer librement dans l'espace. Le rayonnement CMB est constitué de photons émis par le plasma vers l'emplacement futur de la Terre, mais qui ont échappé à la diffusion car la recombinaison avait déjà commencé. Ils atteignent la Terre à travers l’espace de l’Univers, qui continue de s’étendre.

Vous pouvez « voir » ce rayonnement vous-même. Les interférences qui se produisent sur une chaîne de télévision vide si vous utilisez une simple antenne qui ressemble à des oreilles de lapin sont causées à 1% par le CMB.

Pourtant, la température du fond relique n’est pas la même dans toutes les directions. Selon les résultats des recherches de la mission Planck, la température diffère légèrement dans les hémisphères opposés de la sphère céleste : elle est légèrement plus élevée dans les parties du ciel au sud de l'écliptique - environ 2,728 K, et plus basse dans l'autre moitié - environ 2,722K.

Carte du fond micro-onde réalisée avec le télescope Planck.

Cette différence est près de 100 fois plus importante que les autres variations de température observées dans le CMB et est trompeuse. Pourquoi cela arrive-t-il? La réponse est évidente : cette différence n’est pas due aux fluctuations du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes, elle semble être due au mouvement !

Lorsque vous vous approchez d'une source lumineuse ou qu'elle s'approche de vous, les raies spectrales du spectre de la source se déplacent vers des ondes courtes (décalage violet), lorsque vous vous en éloignez ou qu'elle s'éloigne de vous, les raies spectrales se déplacent vers des ondes longues (décalage rouge ).

Le rayonnement CMB ne peut pas être plus ou moins énergétique, ce qui signifie que nous nous déplaçons dans l’espace. L'effet Doppler permet de déterminer que notre système solaire se déplace par rapport au CMB à une vitesse de 368 ± 2 km/s, et que le groupe local de galaxies, comprenant la Voie lactée, la galaxie d'Andromède et la galaxie du Triangle, se déplace à une vitesse de 368 ± 2 km/s. vitesse de 627 ± 22 km/s par rapport au CMB. Ce sont les vitesses dites particulières des galaxies, qui s'élèvent à plusieurs centaines de km/s. À elles s’ajoutent également les vitesses cosmologiques dues à l’expansion de l’Univers et calculées selon la loi de Hubble.

Grâce au rayonnement résiduel du Big Bang, nous pouvons observer que tout dans l’Univers est en mouvement et en changement constant. Et notre galaxie n’est qu’une partie de ce processus.

Considérons deux galaxies situées à distance L les uns des autres et s'éloignant les uns des autres à grande vitesse V. Quelle est la valeur du redshift dans le spectre de la première galaxie, mesuré par un observateur situé sur la seconde ?

Il semblerait que la réponse soit évidente. Valeur du redshift z est égal à:

Cependant, une telle ampleur de redshift serait attendue dans un Univers stationnaire. Mais notre Univers est en expansion ! Le fait même de l’expansion de l’Univers peut-il affecter la valeur du redshift ?

Modifions la condition du problème. Supposons maintenant que les galaxies soient à une distance fixe L les uns des autres (par exemple, ils tournent lentement autour d’un centre de masse commun). Un observateur situé dans une galaxie détectera-t-il un redshift dans le spectre d'une autre en raison du fait que l'Univers est en expansion ?

Lorsque l’Univers s’étend, il surmonte l’attraction gravitationnelle entre ses parties. Par conséquent, à mesure que l’Univers s’étend, son taux d’expansion diminue. Un photon, se déplaçant d'une galaxie à une autre, comme n'importe quel objet à l'intérieur de l'Univers, interagit gravitationnellement avec la matière en expansion et « ralentit » ainsi l'expansion de l'Univers. Par conséquent, l’énergie d’un photon se déplaçant dans un Univers en expansion doit diminuer. Faisons des estimations quantitatives.

Lorsque le photon quittait une galaxie, le potentiel gravitationnel à l'intérieur de l'Univers, créé par toute la matière de l'Univers, était égal à F 1. Lorsque le photon est arrivé dans la deuxième galaxie, le potentiel gravitationnel à l'intérieur de l'Univers a augmenté en raison de l'expansion de l'Univers et est devenu égal à Ф 2 > Ф 1 (en même temps | Ф 2 |< | Ф 1 |, так как гравитационный потенциал меньше нуля). То есть фотон, вылетев из области с более низким гравитационным потенциалом, прилетел в область с более высоким гравитационным потенциалом. В результате этого энергия фотона уменьшилась.

Ainsi, la valeur du redshift dans le spectre d'émission d'une galaxie qui s'éloigne de nous sera composée de deux parties. La première partie, directement causée par la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent, est ce qu'on appelle l'effet Doppler. Sa valeur est :

La deuxième partie est due au fait que l’Univers est en expansion, et donc le potentiel gravitationnel à l’intérieur augmente. C’est ce qu’on appelle le décalage vers le rouge gravitationnel. Sa valeur est :

(8.9)

Ici Ф 1 est le potentiel gravitationnel de l'Univers au point de départ du photon, au moment de son départ ; Ф 2 – potentiel gravitationnel de l'Univers au lieu d'enregistrement des photons, au moment de son enregistrement.

En conséquence, la valeur du redshift dans le spectre d'émission de la galaxie qui s'éloigne de nous sera égale à :

(8.10)

Et nous arrivons à une conclusion très importante. Seule une partie du redshift cosmologique observé dans les spectres d’émission des galaxies lointaines est directement causée par la distance entre ces galaxies et nous. L’autre partie du décalage vers le rouge est causée par une augmentation du potentiel gravitationnel de l’Univers. Par conséquent, la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de nous est moins, que ne le suppose la cosmologie moderne, et l'âge de l'Univers, en conséquence, plus.

Les calculs effectués en montrent que si la densité de l'Univers est proche de la critique (cette conclusion est tirée de l'étude de la distribution à grande échelle des galaxies), alors :

Autrement dit, seulement 2/3 de la valeur cosmologique du redshift z 0 dans le spectre des galaxies lointaines (8.10) est dû à la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent. En conséquence, la constante de Hubble est 1,5 fois inférieure à celle supposée dans la cosmologie moderne, et l'âge de l'Univers, au contraire, est 1,5 fois plus grand.

Comment la question de l’origine du décalage vers le rouge cosmologique est-elle résolue dans la théorie de la relativité générale ? Considérons deux galaxies qui participent à l'expansion cosmologique de l'Univers et dont les vitesses particulières sont si faibles qu'elles peuvent être négligées. Supposons que la distance entre les galaxies au moment où le photon quitte la première galaxie soit égale à L. Lorsque le photon arrive sur la deuxième galaxie, la distance entre les galaxies va augmenter et être égale à L + L D. Dans la théorie générale de la relativité, l'interaction gravitationnelle est entièrement réduite à la géométrie. Selon cette théorie, la grandeur la plus importante caractérisant l’Univers en expansion est ce qu’on appelle le facteur d’échelle. Si les vitesses particulières de deux galaxies éloignées l'une de l'autre peuvent être négligées, alors le facteur d'échelle changera proportionnellement à la variation de la distance entre ces galaxies.

Selon la théorie de la relativité générale, la longueur d'onde l d'un photon se déplaçant dans l'Univers en expansion change proportionnellement au changement du facteur d'échelle, et le décalage vers le rouge, en conséquence, est égal à :

(8.12)

Si V– vitesse des galaxies s’éloignant les unes des autres, t– temps de vol des photons, alors :

En conséquence nous obtenons :

Ainsi, selon la théorie de la relativité générale, le décalage vers le rouge cosmologique ne dépend ni de la densité de l'Univers ni de la vitesse à laquelle le potentiel gravitationnel de l'Univers change, mais dépend seulement sur la vitesse relative de récession des galaxies. Et si, par exemple, notre Univers se dilatait à la même vitesse qu'aujourd'hui, mais avait en même temps une densité plusieurs fois inférieure, alors, selon la théorie de la relativité générale, la valeur du décalage vers le rouge cosmologique dans l'émission les spectres des galaxies seraient le même. Il s'avère que l'existence de masses énormes à l'intérieur de l'Univers, limitant l'expansion de l'Univers, n'affecte en rien l'énergie des photons en mouvement ! Cela semble peu probable.

C'est peut-être pour cette raison que de sérieux problèmes sont survenus en essayant d'expliquer, dans le cadre de la théorie de la relativité générale, la dépendance des décalages vers le rouge dans les spectres de supernovas très lointaines sur la distance qui les sépare. Et pour « sauver » la théorie de la relativité générale, à la fin du XXe siècle, les cosmologistes avancent l'hypothèse que notre Univers ne se dilate pas avec décélération, mais au contraire avec accélération, contrairement à la loi de l'universalité. gravitation (ce sujet est abordé dans).

Ici, nous ne discuterons pas de l'hypothèse de l'expansion accélérée de l'Univers (bien que, dans ma profonde conviction, non seulement la théorie de la relativité générale, mais aucune autre théorie ne vaut la peine d'être sauvegardée à l'aide de telles hypothèses), mais nous essaierons plutôt transférer ce problème du domaine de la physique théorique au domaine de l'expérimentation. En effet, pourquoi mener des débats théoriques sur l’origine du redshift cosmologique si l’on peut obtenir la réponse à cette question dans un laboratoire de physique ?

Formulons encore une fois cette question importante. Existe-t-il un redshift cosmologique causé non pas par l'effet Doppler de l'éloignement des galaxies, mais par le fait qu'à mesure qu'un photon se déplace, le potentiel gravitationnel de l'Univers augmente ?

Pour répondre à cette question, il suffit de réaliser l'expérience suivante (voir Fig. 33).

Le faisceau laser est divisé en deux faisceaux de sorte qu'un faisceau frappe immédiatement le détecteur, et que le deuxième faisceau se déplace d'abord pendant un certain temps entre deux miroirs parallèles et frappe ensuite seulement le détecteur. Ainsi, le deuxième faisceau arrive sur le détecteur avec un retard t (plusieurs minutes). Et le détecteur compare les longueurs d'onde de deux rayons émis à des moments donnés t-ti t. Il faut s'attendre à un changement de longueur d'onde du deuxième faisceau par rapport au premier en raison de l'augmentation du potentiel gravitationnel de l'Univers provoquée par son expansion.

Cette expérience est discutée en détail dans, nous ne considérerons donc maintenant que les principales conclusions qui peuvent être tirées après sa réalisation.

Riz. 33. Diagramme schématique d'une expérience visant à mesurer le redshift cosmologique provoqué non pas par l'effet Doppler, mais changement de potentiel gravitationnelà l'intérieur de l'Univers.

Le faisceau laser est dirigé sur un miroir translucide. Dans ce cas, une partie du faisceau traverse le miroir et atteint le détecteur par le chemin le plus court. Et la deuxième partie du faisceau, réfléchie par le miroir et traversant le système de miroirs 1, 2, 3, atteint le détecteur avec un certain retard. En conséquence, le détecteur compare les longueurs d’onde de deux faisceaux émis à des instants différents.

Premièrement, nous pourrons savoir s'il existe ou non un décalage vers le rouge cosmologique causé non pas par la vitesse d'élimination de la source, mais par le fait même de l'expansion de l'Univers, c'est-à-dire l'augmentation du potentiel gravitationnel à l'intérieur. l'univers.

Deuxièmement, si un tel changement est détecté (et il y a toutes les raisons à cela), alors, Nous, à travers une expérience en laboratoire, prouverons le fait même de l'expansion de l'Univers. De plus, nous pourrons mesurer la vitesse à laquelle le potentiel gravitationnel créé par toute la matière de l’Univers augmente.

Troisièmement, en soustrayant de la valeur du décalage vers le rouge dans les spectres des galaxies lointaines la partie qui n'est pas causée par la vitesse de leur élimination, mais par une modification du potentiel gravitationnel, nous découvrons vrai la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent, et ainsi pouvoir corriger l'estimation actuelle de l'âge de l'Univers.

Pendant ce temps, notre groupe local fonce vers le centre du cluster de la Vierge à 150 millions de kilomètres par heure.

La Voie Lactée et sa voisine Andromède, ainsi que 30 galaxies plus petites, ainsi que des milliers de galaxies de la Vierge, sont toutes attirées par le Grand Attracteur. Compte tenu des vitesses à ces échelles, la masse invisible occupant les vides entre les galaxies et les amas de galaxies doit être au moins dix fois supérieure à la matière visible.

Malgré cela, en ajoutant cette matière invisible à la matière visible et en obtenant la masse moyenne de l’univers, nous obtenons seulement 10 à 30 % de la densité critique nécessaire pour « fermer » l’univers. Ce phénomène suggère que l’univers est « ouvert ». Les cosmologues continuent de débattre sur ce sujet de la même manière qu'ils essaient de parler de la « matière noire ».

On pense qu’il détermine la structure de l’Univers à d’énormes échelles. La matière noire interagit gravitationnellement avec la matière normale, ce qui permet aux astronomes d'observer la formation de parois longues et minces d'amas supergalactiques.

Des mesures récentes (à l'aide de télescopes et de sondes spatiales) de la distribution de masse de M31, la plus grande galaxie située à proximité de la Voie lactée, et d'autres galaxies ont permis de reconnaître que les galaxies sont remplies de matière noire et ont montré qu'une force mystérieuse remplit le vide de l’espace vide, accélérant l’expansion de l’Univers.

Les astronomes comprennent désormais que le destin ultime de l’univers est inextricablement lié à la présence d’énergie noire et de matière noire. Le modèle standard actuel de la cosmologie suggère que l’univers est composé à 70 % d’énergie noire, à 25 % de matière noire et à seulement 5 % de matière normale.

Nous ne savons pas ce qu'est l'énergie noire ni pourquoi elle existe. D’un autre côté, la théorie des particules suggère qu’au niveau microscopique, même un vide parfait est rempli de particules quantiques, qui sont une source naturelle d’énergie noire. Mais des calculs de base montrent que l’énergie sombre produite par le vide est 10 120 fois supérieure à celle que nous observons. Certains processus physiques inconnus devraient éliminer la majeure partie, mais pas la totalité, de l’énergie du vide, ce qui en laisserait suffisamment pour accélérer l’expansion de l’univers.

Une nouvelle théorie des particules élémentaires devra expliquer ce processus physique. De nouvelles théories sur les « attracteurs sombres » se cachent derrière le principe dit de Copernic, selon lequel il n’est pas surprenant que nous, observateurs, supposions que l’univers est hétérogène. De telles théories alternatives expliquent l’expansion accélérée observée de l’Univers sans l’implication de l’énergie sombre, et suggèrent plutôt que nous sommes proches du centre du vide, au-delà duquel un attracteur « sombre » plus dense nous attire vers lui.

Dans un article publié dans Lettres d'examen physique, Pengzhi Zhang de l'Observatoire astronomique de Shanghai et Albert Stebbins ont montré lors de l'exposition Fermilab que le modèle du vide populaire et bien d'autres peuvent très bien remplacer l'énergie noire sans entrer en conflit avec les observations du télescope.

Les enquêtes montrent que l’univers est homogène, du moins à des échelles allant jusqu’au gigaparsec. Zhang et Stebbins soutiennent que si des irrégularités à grande échelle existent, elles devraient être détectées comme un changement de température dans le fond diffus cosmologique des photons reliques produits 400 000 ans après le Big Bang. Cela se produit en raison de la diffusion électron-photon (l’inverse de la diffusion Compton).

En se concentrant sur le modèle de vide de la bulle de Hubble, les scientifiques ont montré que dans un tel scénario, certaines régions de l'univers se développeraient plus rapidement que d'autres, entraînant un changement de température plus important que prévu. Mais les télescopes qui étudient le CMB ne constatent pas un changement aussi important.

Eh bien, comme l’a dit Carl Sagan, « des affirmations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires ».