Le mois dernier, vous avez peut-être vu le billet de blog, Levez les yeux ! Explorer le cosmos proche et lointain . Nous avons été ravis de présenter l'auteur à succès, le professeur et l'astrophysicien théoricien, Dr Katie Mack , et astrophysicien d'observation et professeur, Dr JJ. Hermès , pour notre premier épisode 2022 de Statistically Speaking. Nous avions tellement de bonnes questions de la part de notre public que nous n'avons pas pu toutes les répondre. Le Dr Mack et le Dr Hermes ont aimablement accepté de répondre à certaines de ces questions dans ce billet de blog.
Avons-nous une théorie sur ce qui a causé les fluctuations du fond diffus cosmologique ?
Dr Mac : Le fond cosmique des micro-ondes - la lumière des confins de l'univers observable qui nous donne une vue du plasma primordial qui a rempli notre cosmos au cours de ses 380 000 premières années - est presque entièrement uniforme. Les fluctuations de la température (ou de la densité) de ce plasma incandescent brillant ne sont qu'au niveau d'environ 1 sur 100 000. Ces minuscules fluctuations sont cependant cruciales : grâce à un lent effondrement gravitationnel, de petits points dans la densité du plasma primordial ont finalement grandi pour devenir aujourd'hui des amas entiers de galaxies.
Nous avons des théories sur l'origine de ces fluctuations. La théorie la plus importante est celle de l'inflation cosmique : un processus par lequel le tout premier univers s'est développé extrêmement rapidement pendant une courte période, et par le biais de fluctuations quantiques dans le champ entraînant cette expansion, a créé de minuscules variations de la densité de l'énergie dans l'univers. . Lorsque l'univers a continué à croître à un rythme plus détendu, ces minuscules pics de densité ont également augmenté. Ce processus semble correspondre à nos observations de la distribution de ces blips dans l'univers, mais il y a encore des débats dans la communauté des physiciens pour savoir si l'inflation ou un autre processus est la meilleure explication.
Pourquoi la mort par la chaleur est-elle le scénario de fin d'univers le plus probable ?
Dr Mac : Nous ne savons pas avec certitude comment l'univers finira. Le mieux que nous puissions faire est d'extrapoler à partir des observations actuelles, en utilisant nos meilleures théories ou modèles pour relier les données dont nous disposons actuellement à la façon dont nous prévoyons qu'un univers qui ressemble au nôtre aujourd'hui évoluera à l'avenir. Nous savons par nos observations de galaxies lointaines que l'univers est en expansion. Pendant longtemps, les astronomes ont essayé de déterminer si l'expansion se poursuivra indéfiniment, ou si un jour elle se retournera et provoquera une nouvelle contraction de l'univers. Nous ne pouvons toujours pas le dire avec certitude, mais ce que nous pouvons dire, c'est que l'expansion s'accélère, et ce depuis plusieurs milliards d'années, ce qui suggère qu'un revirement n'est pas susceptible de se produire. Quelle que soit la cause de l'accélération de l'expansion (nous l'appelons "l'énergie noire") semble être le composant le plus important de l'univers en ce moment, entraînant son évolution future. Nos modèles cosmologiques nous disent que tant que l'expansion s'accélère, le cosmos finira par devenir très froid et vide, la matière et le rayonnement devenant de plus en plus diffus. Un univers comme celui-ci évolue inévitablement vers une mort par la chaleur dans laquelle tout ce qui reste dans le cosmos est la "chaleur perdue" de tous les processus astrophysiques qui se sont produits et, dans la lente décomposition qui se produit dans tout système physique, se sont brûlés et se sont décomposés. une façon.
Des idées sur ce qui se passe après la fin de l'univers ? Un autre univers va-t-il commencer ou est-ce la fin de l'histoire ?
Dr Mac : Quand je parle de la « fin » de l'univers, je veux dire un processus par lequel chaque objet ou structure de l'univers observable est, d'une manière ou d'une autre, détruit. Quelque chose comme une mort par chaleur accomplirait cela grâce à une lente désintégration sur des billions et des billions d'années; un processus comme la désintégration sous vide serait beaucoup plus soudain et violent. Dans tous les cas, il y a des possibilités qui incluent quelque chose qui se passe après que le processus de destruction ultime se soit produit, bien qu'il y ait aussi des possibilités qui ne le font pas. Toutes les extrémités de toutes les choses du cosmos ne mettent pas définitivement fin à l'espace-temps lui-même. Il y a quelques possibilités (dont certaines dont je parle dans mon livre) qu'un nouveau Big Bang se produise après la destruction de notre cosmos. Si nous nous trompons sur l'énergie noire, et qu'elle s'avère être quelque chose qui pourrait changer radicalement de nature à l'avenir, cela pourrait conduire à un Big Crunch, dans lequel le cosmos s'effondrerait sur lui-même. Cela ne conduirait pas nécessairement à un nouveau Big Bang, mais il existe des modèles spéciaux dans lesquels un univers en train de s'effondrer "rebondirait". (Ce sont des modèles plus spéculatifs que l'idée originale du Big Crunch.) Il a également été suggéré qu'un nouveau Big Bang pourrait se produire après une mort par chaleur. Et même au-delà de cela, il existe des modèles multivers dans lesquels il existe des régions de l'espace bien au-delà des limites de notre propre univers observable dans lesquelles l'évolution cosmique pourrait se produire d'une manière totalement différente, avec des Big Bangs et des extrémités cosmiques sur des chronologies différentes.
De nombreux physiciens étudient ces idées, cherchant souvent aux origines de notre propre cosmos des indices de la possibilité que notre univers soit venu après la fin d'un cycle précédent quelconque. Cependant, nous n'avons pas encore de réponse définitive.
Quelle particule du modèle standard est associée à la force de gravité ?
Dr Mac : Le modèle standard de la physique des particules n'inclut pas de particule associée à la gravité, ce qui explique en partie pourquoi nous savons qu'il est incomplet ! Notre meilleure compréhension de la gravité vient de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Cette théorie suggère que la gravité n'est pas une « force » au même sens que les autres forces, mais qu'elle est en réalité une conséquence de la courbure de l'espace lui-même. C'est une belle théorie, mais elle ne rentre pas facilement dans notre cadre avec les autres forces de la nature, comme l'électromagnétisme et les forces nucléaires du modèle standard. Ceux-ci sont tous basés sur la mécanique quantique (ou la théorie quantique des champs, pour être plus précis) et impliquent des particules appelées bosons de jauge qui agissent comme des porteurs de force des forces fondamentales. La quête visant à rapprocher la gravité et la mécanique quantique a été l'un des projets les plus importants de la physique théorique au cours des cent dernières années. La théorie des cordes est l'un des principaux prétendants au prix de la théorie ultime qui unirait la gravité et la mécanique quantique, mais elle n'est ni pleinement acceptée ni vérifiée expérimentalement (et ne le sera peut-être jamais). Dans tous les cas, les théories de la gravité quantique contiennent généralement une particule hypothétique porteuse de gravité, appelée graviton. Le graviton n'a pas été détecté, mais nous avons des observations qui peuvent nous en dire un peu plus, s'il existe réellement. Par exemple, nous savons que si les gravitons existent, ils doivent être sans masse, car les effets de la gravité se déplacent à la vitesse de la lumière, et donc tout ce qui transporte la gravité doit aussi le faire, et seules les particules sans masse peuvent le faire. Mais il reste à déterminer exactement comment ce graviton hypothétique s'intégrerait dans une théorie plus large et plus complète que le modèle standard.
Si je me tenais sur l'une des étoiles éloignées de nous dans le temps, l'univers aurait-il le même aspect ou aurait-il l'air d'être plus proche de nous d'un côté ?
Dr Mac : Il n'y a pas de limite à l'univers, pour autant que nous puissions en juger. Il y a une limite à la distance à laquelle nous pouvons voir dans l'univers, et cela est déterminé par la durée d'existence du cosmos. Essentiellement, s'il y a des choses si loin que la lumière de ces choses prendrait plus de temps que l'âge de l'univers (13,8 milliards d'années) pour nous atteindre, c'est au-delà des limites de notre univers observable. Nous vivons donc dans une sorte de bulle dans un espace beaucoup plus grand, où cette bulle est définie par cette distance au-delà de laquelle nous ne pouvons pas voir, même en principe. Nous ne voyons aucune preuve d'un bord physique réel ou d'un changement dramatique dans ce à quoi ressemble l'espace à différents endroits - c'est juste une question de perspective, comme l'horizon lorsque vous vous tenez sur Terre. Où que vous soyez en ce moment, l'horizon définit un cercle autour de vous, au-delà duquel vous ne pouvez pas voir. Ce cercle dépend de votre point de vue où vous vous trouvez et est déterminé par la courbure de la Terre, mais si vous voyagez à quelques kilomètres de là, l'horizon tracerait un cercle différent. C'est la même idée dans le cosmos. Une galaxie à 10 milliards d'années-lumière de nous n'est pas plus proche d'un quelconque bord. Il a sa propre bulle d'univers observable, centrée sur lui-même, et il peut voir des parties du cosmos que nous ne pouvons pas. Pour autant que nous puissions en juger, à grands coups de pinceau, l'univers est à peu près le même partout où nous regardons. Donc, probablement, ce que quelqu'un verrait autour d'eux (en termes de distribution des galaxies, de structure générale de la matière dans l'univers, etc.) depuis cette galaxie lointaine ressemblerait beaucoup à ce que nous voyons d'ici.
Quand quelque chose passe devant une étoile, comment déterminez-vous si c'est une toute petite chose qui est WAAY devant, ou une ÉNORME CHOSE qui est super proche de l'étoile ?
Dr Hermès : Étant donné que les étoiles sont si éloignées, nous ne pouvons presque jamais réellement résoudre leurs surfaces, de sorte que toutes les étoiles couvrent la même zone sur nos détecteurs ! Donc, peu importe si une planète passe devant l'étoile très proche de l'étoile ou très éloignée, la zone de la planète bloquera toujours la même surface que l'étoile hôte et provoquera la même profondeur de transit d'une planète . Cela rend les choses un peu plus faciles.
Mais votre question touche à une complication que nous avons : comment savoir si c'est une petite planète qui transite devant une petite étoile, ou une grosse planète projetant une ombre sur une grosse étoile ? C'est presque toujours un problème en astronomie : est-ce que quelque chose est petit et proche ou grand et lointain ? À moins de pouvoir déterminer la taille (rayon) de l'étoile hôte, nous ne pouvons pas faire la différence entre une petite chose passant devant une petite étoile, ou une grande chose devant une grande étoile ! Heureusement, nous avons des moyens assez fiables pour déterminer le rayon d'une étoile, soit en déterminant sa distance et en l'utilisant pour estimer le rayon nécessaire pour correspondre à sa luminosité observée, soit dans certains cas particuliers en utilisant des tremblements d'étoiles pour améliorer notre estimation du rayon de l'étoile hôte. Nous pouvons généralement mesurer le rayon d'une étoile et donc de son exoplanète, avec une incertitude de quelques pour cent.
Il existe un certain nombre de Jupiters chauds. Quel serait leur sort dans la phase géante rouge ?
Dr Hermès : Les Jupiter chauds ont été parmi les premières planètes découvertes car ce sont des planètes géantes qui orbitent très près de l'étoile hôte, plusieurs fois plus près que Mercure dans notre système solaire. Il est presque certain qu'aucun des Jupiters chauds que nous connaissons actuellement ne survivra à la transformation de leur étoile hôte en une étoile géante. En fait, plusieurs chercheurs tentent de trouver des planètes géantes autour d'étoiles géantes, et le mois dernier, ils ont annoncé un lot de planètes destinées à être englouties par leur étoile hôte très bientôt :
https://keckobservatory.org/doomed-planets .
