L'obscure clarté des étoiles 

21 décembre 2021 

La vitesse d'expansion de l'Univers 
 

Les étoiles et les galaxies s'éloignent plus vite les unes des autres, que ne le prédisent les modèles cosmologiques 
 

États-Unis. Université Johns-Hopkins, Baltimore, Maryland. Adam Riess, astronome, né en 1969. Space Telescope Science Institute, Baltimore 

« L'Univers nous réserve des surprises, cela nous aide à apprendre » 
 

1929. Edwin Hubble, astronome américain   1889-1953. « La tension de Hubble ». La constante de Hubble permet d'estimer l'âge de l'Univers depuis le Big Bang -13,8 milliards d'années. Modèle standard de la cosmologie 
 

Le modèle standard décrit l'Univers, espace homogène et isotrope (mêmes propriétés dans toutes les directions) en expansion, sur lequel se superposent de grandes structures. Formées par l'effondrement gravitationnel d'inhomogénéités / singularités primordiales -elles-mêmes formées pendant la phase d'inflation. Inflation considérable, en un temps extrêmement bref 
 

Plus une galaxie est éloignée de la Terre, plus sa vitesse de fuite est élevée. Cette observation a ouvert la voie au modèle cosmologique actuel, selon lequel l'Univers est en expansion depuis le Big Bang / instant 0 / singularité initiale 
 

Pour mesurer le taux d'expansion de l'Univers, il existe deux méthodes. Mais les deux méthodes ne parviennent pas au même résultat ; écart de 8 % 
 

Deux méthodes 

Soit mesurer la distance qui sépare l'observateur, d'étoiles de référence -chandelles standard. Céphéides, pulsation des étoiles, géantes rouges à la luminosité connue 

Soit étudier le fond diffus cosmologique (CMB). Rayonnement fossile apparu lorsque l'Univers n'avait que 380 000 ans 

Mis en orbite par l'Agence spatiale européenne (ESA), des télescopes -l'observatoire spatial Planck (2009-2013)   ont réalisé des relevés du CMB, fourni des clichés détaillés de la façon dont l'énergie et la matière étaient distribuées dans l'Univers primitif 
 

Ces recherches permettent de supposer l'existence de « l'énergie noire », à l'origine de l'accélération de l'expansion de l'Univers. Force gravitationnelle répulsive 

50 000 ans après le Big Bang, un bref sursaut d'énergie 
 

Recalculé, l'âge de l'Univers passerait de 13,8 à 13 milliards d'années jusqu'à l'instant 0 -avant ce point 0, l'observation est impossible. L'inconnu 
 

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14 novembre 2021 

Les ondes gravitationnelles éclairent l'énigme de l'accélération de l'expansion de l'Univers 
 

1917. Albert Einstein   1879-1955  introduit   

le premier modèle de cosmologie relativiste, issu des équations de la relativité générale 

ainsi que la constante cosmologique. Février 1917. Paramètre ajouté par Einstein à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie compatible avec l'idée qu'il avait alors, d'un Univers statique 
 

L'année suivante, Albert Einstein publie un article fondateur sur une autre conséquence de ces équations, les ondes gravitationnelles (en 1916, Einstein a déjà abordé le sujet) 
 

Années 1930. Einstein met en doute l'existence des ondes gravitationnelles et la pertinence de la constante cosmologique 
 

Depuis cette époque, des signaux d'ondes gravitationnelles ont été observés 
 

des collisions, suivies de fusions, entre deux trous noirs de masses stellaires (masse d'une étoile), faisant partie de systèmes binaires (systèmes regroupant deux objets de l'espace) 
 

quelques collisions entre deux étoiles à neutrons. Une étoile à neutrons est un astre principalement composé de neutrons, maintenus ensemble par les forces de gravitation. Résidu compact issu de l'effondrement gravitationnel du cœur de certaines étoiles massives, lorsque celles-ci ont épuisé leur combustible nucléaire 
 

plus rarement, des collisions entre un trou noir et une étoile à neutrons 
 

1986. Bernard Schutz, physicien américain naturalisé britannique, né en 1946. Les ondes gravitationnelles permettent 

de mesurer les distances en cosmologie, avec une précision accrue 

et de déterminer une valeur plus fine de la vitesse d'expansion du cosmos observable, via la constante de Hubble-Lemaître. Loi de Hubble-Lemaître. Les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse approximativement proportionnelle à leur distance. Plus une galaxie est loin de l'observateur, plus elle semble s'éloigner rapidement 
 

Les scientifiques s'attendaient à ce que la vitesse d'expansion soit décroissante depuis le Big Bang, alors que depuis six milliards d'années, elle augmente 

L'existence de la constante rend compte de l'accélération de la vitesse d'expansion. Sa nature relève de différentes théories, liées à l'existence de l'énergie noire 
 

De la détermination de la constante, dépend probablement la compréhension de l'avenir du cosmos observable. L'Univers observable est la partie visible de l'Univers. Une boule, dont la Terre constitue le centre, dont la limite est située à l'horizon cosmologique 
 

soit l'Univers poursuivra son éternelle expansion 
 

soit dans un futur indéterminé, l'énergie noire changera de signe et de valeur  -devenant attractive, non plus répulsive. L'Univers se contractera sur lui-même 
 

Ainsi, les cosmologistes cherchent à 

mesurer précisément la vitesse d'expansion de l'Univers observable 

définir la loi de variation de la constante (?) cosmologique 
 

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3 mai 2022 

Jean-Pierre Luminet, astrophysicien français, né en 1951. L'Univers est en expansion 
 

Le modèle cosmologique le plus utilisé actuellement est le modèle standard   

L'accélération de l'expansion de l'Univers dépend de la constante cosmologique -l'énergie du vide quantique 

L'accélération est constante. L'expansion de l'Univers se poursuivra indéfiniment 
 

Cependant, en raison de la gravité (force attractive), l'expansion de l'Univers devrait ralentir. Or depuis six milliards d'années, elle semble accélérer. Causée par une substance inconnue, une pression négative, répulsive, intervient, 

L'énergie noire constitue plus de 70 % du contenu énergétique de l'Univers 
 

L'effet des fluctuations quantiques des champs de particules du cosmos ? 
 

L'influence résiduelle d'un champ scalaire ? Un champ scalaire est une fonction de plusieurs variables, qui associe un seul nombre (ou scalaire) à chaque point de l'espace. Moins d'un milliardième de milliardième de seconde après le Big Bang, ce champ aurait provoqué une fulgurante accélération de l'expansion de l'Univers 
 

Alexei Alexandrovich Starobinsky, astrophysicien et cosmologiste russe, né en 1948. Ses collègues, Arman Shafieloo, Korea Astronomy and Space Science Institute 

Varun Sahni, Université de Pune (Onde), Inter-University Centre for Astron and Astrophy IUCAA 

Il existerait des indices en faveur d'un début de ralentissement de l'accélération du cosmos 

Les premières manifestations des modèles de supergravité appliqués à la cosmologie. Théorie quantique de la gravitation, piste sérieuse pour unifier la physique 

Stanford University. Andrei Linde, né en 1948. Concept d'inflation de l'Univers. Et son épouse Renata Kallosh 
 

A l'avenir, l'Univers se contractera. Big Crunch 

Pour ensuite rebondir ? Big Bang 
 

Modèle standard de la cosmologie (Big Bang, expansion, ...). A ce jour, l'énergie noire est relativement bien décrite par un modèle de constante cosmologique. Depuis des milliards d'années, sa densité demeure stable 

L'Univers est lancé dans une éternelle expansion, toujours plus rapide 
 

En absorbant la matière, les trous noirs géants accroissent leur masse 

Au centre des galaxies, ils engloutissent la majeure partie de la matière des galaxies 

Ils fusionnent, forment des mégatrous noirs 
 

L'Univers est en expansion. Les uns par rapport aux autres, les trous noirs s'éloignent 

Faute de matière à absorber, ils cessent de croître 

Rayonnement de Hawking, infime rayonnement de corps noir. Lentement, ils perdent de leur masse. Ils s'évaporent      

L'Univers, de plus en plus froid. Le bain de photons tend vers le zéro absolu    -273,15°C   
 

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2 octobre 2022 

L'Univers est-il né d'un trou noir ? 
 

Pour Albert Einstein, les trous noirs n'existaient pas 

En réalité, ils se comptent par milliards 
 

Un jour, la mort du Soleil. Naine jaune, composée d'hydrogène et d'hélium. Comparée à celle d'autres étoiles, sa masse est moyenne 

Mi-vie (13 milliards d'années). Dans 5 milliards d'années, il aura épuisé ses réserves d'hydrogène, son énergie   

Ses couches extérieures s'échapperont, son cœur se comprimera. « Naine blanche » 

Une naine blanche est un objet céleste de forte densité, issu de l'évolution d'une étoile de masse modérée après la phase où se produisent les réactions thermonucléaires. L'astre a alors une taille jusqu'à 8 fois moindre, et conserve longtemps une température de surface élevée 
 

Pour une étoile dix fois plus grosse que le Soleil, la mort se résout en une explosion 

Ses couches extérieures sont éjectées dans l'espace 

Durant plusieurs semaines, supernova. L'un des astres les plus brillants de l'Univers 

Une supernova est l'ensemble des phénomènes qui résultent de l'implosion d'une étoile en fin de vie. Gigantesque explosion, brève mais fantastique augmentation de sa luminosité 

Comprimé par la gravité, le cœur s'effondre en une étoile à neutrons. Un globe en rotation d'une vingtaine de kilomètres de diamètre 
 

Étoile géante, vingt fois la masse du Soleil 

Le cœur de l'étoile implose. La température est extrême, 55 milliards de degrés. La force de la gravité est irrésistible 

Les atomes sont broyés. Électrons, protons, neutrons 

Broyés. Quarks, leptons, gluons 

...   Broyés en particules de plus en plus infimes   ... 
 

Les deux principales théories 

la relativité générale d'Albert Einstein (1907-1915. Mouvements des étoiles et des galaxies) 

et la physique quantique (1925. Comportement des atomes et des particules et propriétés du rayonnement électromagnétique) expliquent imparfaitement le phénomène 
 

Il manque la théorie de synthèse 
 

Albert Einstein ne croyait pas à la réalité des trous noirs. Les équations en autorisaient l'existence, estimait-il, mais pas la nature ; l'idée que la force gravitationnelle puisse l'emporter sur des forces plus puissantes (électromagnétique, nucléaire) 
 

1967. Pour la première fois. L'expression « trou noir » est employée lors d'une conférence, par le physicien théoricien américain John Wheeler   1911-2008 
 

Années 1960. Utilisation des radiotélescopes et des télescopes à rayons X. La plupart des galaxies -dont la Voie lactée    héberge en leur centre, un trou noir 
 

Au centre de la Voie lactée, le trou noir est 4,3 millions de fois plus massif que le Soleil 

A 26 000 années-lumière de la Terre, Sagittarius A* -Sgr A*  

Sgr A* attire à lui un nuage de gaz et de poussière nommé G2, à une vitesse d'environ 3 000 km/s. Dans moins d'un an, G2 entrera dans le voisinage de l'horizon des événements, la limite immatérielle de l'entrée dans le trou noir. Au-delà, plus rien n'est observable 
 

Galaxie voisine de la Voie lactée, au centre d'Andromède, la masse du trou noir équivaut à la masse de 100 millions de Soleils 
 

Des galaxies hébergeraient des trous noirs équivalant à un milliard -voire 10 milliards de Soleils 

40 milliards de masses solaires (trou noir de la galaxie Holmberg 15A. Galaxie elliptique supergéante, située à environ 700 millions d'années-lumière. Constellation de la Baleine) 
 

Modèle standard de la cosmologie. Instant initial / singularité initiale. Grain infinitésimal 

Big Bang. 13,8 milliards d'années 

L'Univers 
 

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10 septembre 2021 

La mort thermique de l'Univers 
 

Pour la plupart des scientifiques, l'Univers est en constante expansion 
 

États-Unis. Illinois State University. Normal, Illinois. Matt Caplan, physicien théoricien, Planetary Radio. Étude publiée dans le Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Il arrivera un moment où les corps célestes seront tellement éloignés les uns des autres, qu'il n'y aura plus aucunes interactions entre eux 

Or ces interactions génèrent de la chaleur et de la lumière 

Sans énergie thermodynamique, le mouvement cessera 
 

Une étoile accumule du fer. Suffisamment massive, forte en fer, elle explose 
 

Si elle est insuffisamment massive, elle se transforme en naine blanche 

Refroidies, lorsqu'elles ne produisent plus de lumière, les naines blanches deviennent des naines noires     

Ultimes supernovae 
 

Matt Caplan. Les galaxies sont dispersées. Les trous noirs, évaporés. L'expansion de l'Univers a éloigné les astres, la lumière ne peut franchir ces infinies distances 

Froid