Voici comment l'univers finira, selon un astrophysicien

« Nos contemplations du cosmos nous émeuvent » le regretté astronome Carl Sagan a dit un jour. "Il y a un picotement dans la colonne vertébrale, un pincement dans la voix, une légère sensation, comme si un lointain souvenir d'une chute d'une grande hauteur. Si réfléchir à l'univers vous donne des frissons, penser à sa fin peut vous faire frissonner. tremblement de terre.

Dans son nouveau livre, La fin de tout: (Astrophysiquement parlant), l'astrophysicienne théoricienne Katie Mack commence par le Big Bang – la théorie de la naissance de l'univers. Son début peut en dire beaucoup aux cosmologues comme elle sur sa fin inévitable. Elle emmène joyeusement les lecteurs à travers cinq apocalypses astrophysiques: le grand craquement, la mort thermique, la grande déchirure, la désintégration du vide et le grand rebond. Pour vous éviter de rester coincé dans le plasma quark-gluon (ne vous inquiétez pas, elle l'explique), Mack garde tout accessible et conversationnel. C’est beaucoup plus amusant que ce à quoi on pourrait s’attendre d’un livre sur la fin de l’univers. Ne vous laissez pas abattre par la peur existentielle de la fin de l’univers, semble-t-elle dire.

Nous avons parlé avec Mack de l'énergie noire par rapport à la matière noire, de la façon dont les télescopes nous permettent littéralement de regarder dans le passé et de l'étrangeté de l'espace.

(Cette conversation a été légèrement modifiée pour plus de clarté.)

Tendances numériques: Qu’est-ce qui vous a poussé à écrire ce livre ?

Mack : Au fil des années, j’ai étudié beaucoup de choses différentes dans le domaine de la cosmologie en général. Ainsi, la cosmologie couvre, vous savez, l'univers dans son ensemble, ses composants et son évolution. J'ai travaillé sur le premier univers. J'ai travaillé sur la matière noire, les trous noirs, l'évolution des galaxies, tout ce genre de choses. Et dernièrement, je me suis beaucoup intéressé à la fin de l’univers. et c’est un peu comme ça que ce livre est né.

Votre livre offre une explication très accessible de la manière dont nous pouvons observer le Big Bang. Pouvez-vous nous expliquer cela ?

L’idée est donc que si l’univers est actuellement en expansion – ce que nous observons, nous voyons des galaxies s'éloignant les uns des autres - alors il va de soi que dans le passé, l'univers était plus comprimé. Tout était donc plus rapproché. Et vous pouvez en quelque sorte rappeler cette extension et vous arrivez à un point où tout était en quelque sorte superposé.

Ainsi, à mesure que l’univers s’étend, il se refroidit, la matière devient plus diffuse, l’énergie devient plus diffuse. Dans le passé, il devait être plus chaud et plus dense et, dans un certain sens, plus petit qu'aujourd'hui. C’est donc essentiellement la théorie du Big Bang. C’est l’affirmation la plus simpliste de la théorie du Big Bang, à savoir que l’univers était plus chaud, plus petit et plus dense dans le passé.

Et si tel est le cas, il va de soi que si vous regardez assez loin, vous regardez de plus en plus loin dans le temps, en raison du temps qu’il faut à la lumière pour vous atteindre. Et donc vous devriez être capable d’arriver à un point où si l’univers était vraiment chaud et dense partout – si le Big Bang était quelque chose qui s’est produit dans tout le cosmos – alors vous devrait être capable de voir des parties de l'univers qui sont si lointaines qu'elles sont encore dans cet état chaud et dense, qu'elles sont encore dans les dernières étapes de ce genre de boule de feu primordiale existence.

Et pour y arriver, il faut supposer que l’univers est vaste et qu’il a toujours été une chose étendue, ce que nous croyons. Nous pensons que le Big Bang est quelque chose qui s’est produit partout. Il n’y a pas de point d’origine unique. Et donc si vous suivez ce raisonnement, alors il devrait y avoir un éclairage de fond. Il devrait y avoir de la lumière venant de toutes les directions, des endroits les plus éloignés, les plus éloignés que nous puissions voir. Il devrait y avoir la lumière qui reste la lumière du refroidissement final de cet état ardent du cosmos.

Le livre explore cinq façons possibles de mettre fin à l’univers. Pourquoi y a-t-il tant de façons différentes de procéder ?

Eh bien, cela se résume à plusieurs choses. La première est que nous ne comprenons pas pleinement ce qui fait que l’univers se développe comme il le fait actuellement. Il fut un temps où nous pensions que ce serait assez simple parce que nous avions une bonne théorie de la gravité, de la relativité générale, et nous Nous pouvions mesurer le taux d'expansion de l'univers, et nous savions comment tout ce qui se trouvait dans l'univers devrait ralentir l'évolution de l'univers. expansion. Et alors, il s’agissait simplement de déterminer l’équilibre entre l’expansion et la gravité.

Ainsi, si l’expansion était trop rapide pour toute la gravité, elle ne la ralentirait pas suffisamment et elle s’étendrait pour toujours. Et si l’expansion n’était pas assez rapide ou s’il y avait trop de gravité, alors la gravité gagnerait, ralentirait l’expansion, l’arrêterait, et nous aurions un réeffondrement – ​​le grand crunch. Et donc pendant un certain temps, ce furent les seules options qui avaient du sens.

Mais ensuite, lorsqu’on a découvert que l’univers était en train d’accélérer son expansion, nous avons dû ajouter un nouveau composant à l’univers. Nous avons dû réviser notre compréhension et intégrer cette chose appelée énergie noire. Et l’énergie noire est quelque chose qui accélère l’expansion de l’univers. Mais comme nous ne comprenons pas vraiment l’énergie noire, nous ne pouvons pas dire avec certitude que c’est là que les choses se déroulent. C’est pourquoi des choses comme la grande déchirure ou la grande crise sont toujours sur la table et la mort thermique est celle vers laquelle nous semblons nous diriger.

Et puis les deux idées étranges, la désintégration du vide et les cosmologies rebondissantes, viennent du fait qu’il y a encore beaucoup de choses que nous essayons de comprendre sur le tout premier univers et la physique des particules. Ainsi, la cosmologie rebondissante est née de l’idée que peut-être que notre meilleure hypothèse actuelle sur le tout premier univers, cette phase inflationniste, n’est peut-être pas toute l’histoire. Peut-être que cela ne s’est pas produit. Peut-être y a-t-il eu une autre évolution au tout début de l’univers qui a conduit aux conditions que nous observons aujourd’hui. Et si cela est vrai, alors certaines de ces idées peuvent conduire à ces cosmologies cycliques plus étranges.

Et puis l’idée de la désintégration du vide vient en réalité du fait que nos connaissances en physique des particules sont incomplètes et que la meilleure compréhension actuelle de notre Les connaissances en physique des particules suggèrent que le fonctionnement actuel de la physique des particules n'est tout simplement pas totalement stable, ce qui rend l'univers vulnérable à cette désintégration. processus. Donc, si nous comprenions mieux la physique des particules, si nous comprenions mieux les toutes premières parties de l’univers, alors nous serions en mesure de dire quelque chose sur ces deux modèles. Mais pour l’instant, nous ne pouvons ni les exclure, ni affirmer avec certitude que c’est ainsi que les choses se dérouleront.

De tous les scénarios, lequel est le plus probable ?

La mort due à la chaleur est considérée comme la plus probable, en partie parce qu'elle nécessite le moins de choses étranges supplémentaires. Ainsi, en cosmologie, nous aimons garder les choses aussi simples que possible. Nous aimons ne pas supposer de nouveaux composants de l’univers à moins que nous y soyons absolument obligés. Et le scénario de mort thermique comporte une sorte d’énergie sombre qui est cette constante cosmologique, ce que nous ne comprenons pas entièrement. Mais c’est une idée qui existe depuis Einstein, et c’est juste une propriété de l’espace-temps, qu’il comporte ce petit peu d’expansion.

Cela nous donne donc une évolution très simple et directe, dans laquelle l'univers continue d'accélérer son expansion pour toujours et tout disparaît. Et cela a beaucoup de sens si l’univers possède de la matière noire, de la matière ordinaire et une constante cosmologique comme l’énergie noire. Vous n’avez pas besoin de supposer quelque chose de plus compliqué que cela. Cela implique implicitement que l’inflation s’est produite et que ce fut le début de l’univers. Cela fait partie du soi-disant modèle de concordance de la cosmologie, où tout est aussi simple et ennuyeux que vous pouvez l’imaginer.

Mais la raison pour laquelle nous ne nous contentons pas de dire que nous avons terminé est que nous ne savons pas vraiment avec certitude que l’énergie noire est un concept cosmologique. Et donc ça laisse de la place. Nous ne pouvons pas non plus affirmer avec certitude que nous comprenons suffisamment la physique des particules pour affirmer que la désintégration du vide ne se produira pas. se produire ou que l’évolution de l’univers primitif n’était pas suffisamment différente pour impliquer une phase cyclique au fin.

Vous en mentionnez quelques-uns nouveaux radiotélescopes qui permettra aux scientifiques d'observer la formation des premières structures de l'univers. Qu’est-ce que les experts espèrent en tirer?

Nous aurons une meilleure idée de l’évolution du cosmos à travers cette période entre le fond lumineux et l’univers moderne où nous sommes, vous savez, l’univers plein de galaxies. Il y a une période de temps raisonnable pendant laquelle nous avons peu d’informations sur ce qui se passait à ce moment-là. Nous en apprendrons donc beaucoup sur l’évolution du cosmos. Nous obtiendrons simplement des mesures de bien plus de galaxies. J'ai donc mentionné dans le livre l'Observatoire Vera Rubin, qui va cartographier quelque chose comme des milliards de galaxies et nous montrent comment elles se déplacent dans l’univers et comment elles évoluent au fil du temps et comment elles évoluent. distribué. Et cela nous donnera beaucoup d’informations sur la disposition de l’univers et l’évolution du cosmos. Ce seront donc des indices importants.

Nous pourrions également en apprendre davantage sur d’autres aspects de la physique. Je m’intéresse donc à certains de ces grands réseaux de radiotélescopes, car ils pourraient nous dire quelque chose sur la matière noire, si la matière noire s’annihile dans l’univers lointain. Cela peut changer la façon dont les premières étoiles et galaxies évoluent, et cela pourrait nous donner des indices sur la prochaine étape de la physique des particules. Il y a donc beaucoup de choses que nous pourrions remplir si nous disposions de beaucoup plus de données sur le l'univers lointain, l'univers primitif, d'autres galaxies - le genre d'aube de l'ère galactique, vous pourriez dire. Il s’agit simplement d’obtenir une meilleure carte, d’obtenir un meilleur historique et de rechercher des surprises. Vous savez, nous espérons vraiment voir des phénomènes nouveaux et intéressants à mesure que nous obtenons de plus en plus de données.

Pouvez-vous expliquer la différence entre énergie noire et matière noire?

Oui, la matière noire et l’énergie noire agissent sur l’univers de manières assez opposées. À eux deux, ce sont les aspects les plus importants du cosmos si l’on pense à son évolution à long terme. L’énergie noire est donc quelque chose qui accélère l’expansion de l’univers. Cela étend en quelque sorte l’espace. Cela régit réellement l’évolution du cosmos, à partir de maintenant. Cela a commencé à devenir vraiment très important il y a environ cinq milliards d’années. Et c’est en quelque sorte en train de conquérir l’univers maintenant. Nous sommes donc à sa merci en termes d’évolution du cosmos à partir de maintenant.

Mais la matière noire est en quelque sorte responsable de toute la structure du cosmos, donc de la croissance des galaxies et des amas de galaxies. Tout cela est construit sur l’échafaudage de la matière noire. La matière noire est donc une sorte de matière invisible, mais c’est la majeure partie de la matière de l’univers, et elle en contient quelques-unes. propriétés qui facilitent son rassemblement et la construction de l'échafaudage sur lequel toutes les autres matières est construit. Et parce que c’est de la matière, parce que c’est la majeure partie de la matière dans l’univers, elle agit pour essayer de ralentir l’expansion de l’univers. Et pendant un certain temps, cela a ralenti l’expansion de l’univers, et ce n’est qu’il y a environ cinq milliards d’années que l’univers est devenu si grand que l’énergie noire a pris le dessus.

Votre enthousiasme transparaît beaucoup dans le livre, surtout lorsque vous parlez de choses comme le rayon Hubble. Quelles sont les autres choses comme celle-là qui sont si passionnantes dans votre domaine et que vous partagez avec d'autres personnes ?

Je veux dire, le simple fait que nous puissions voir le passé très directement continue de m'épater. Le fait que nous puissions voir les dernières étapes du Big Bang directement avec des télescopes, avec des récepteurs micro-ondes. Nous captons la lumière des dernières étapes du Big Bang dans toutes les directions. Le fait que nous puissions simplement regarder l’univers et voir le passé et ainsi en apprendre davantage sur notre propre histoire, je pense que c’est super incroyable. Cela m'étonne tout le temps. Et puis, vous savez, il y a tous ces aspects étranges de la cosmologie, des choses étranges en physique qui surviennent si vous êtes dans un univers en expansion et régi par la relativité. Vous avez donc mentionné qu'à un certain moment, les galaxies ne paraissent plus plus petites. Vous savez, une galaxie de la même taille commencerait à paraître plus grande, ce qui est étrange, à mesure que l'on s'éloigne de plus en plus.

Ensuite, il y a le fait que nous puissions voir l’expansion de l’univers, que nous puissions la cartographier au fil du temps, c’est incroyable. Je ne sais même pas si j’en ai vraiment parlé dans le livre, mais quand on regarde des supernovae très lointaines, des explosions solaires, elles apparaissent se produire plus lentement s'ils sont loin, parce que l'expansion de l'univers allonge également le temps dans ce monde vraiment étrange. chemin. Ainsi, la façon dont l’espace et le temps interagissent devient très confuse et étrange lorsqu’on parle de cosmologie, et c’est vraiment intéressant. Vous savez, la relativité fait des choses étranges à l'espace et au temps dans toutes sortes de contextes. Que je trouve incroyable et cool.

Il y a beaucoup de choses inconnues en cosmologie. Quel mystère aimeriez-vous résoudre?

Oh, il y en a tellement. Toute cette histoire de matière noire et d’énergie noire est énorme. Si nous connaissions la nature de la matière noire, cela serait certainement d’une grande aide pour notre compréhension de la physique en général.

Mais je pense que la chose qui aurait peut-être le plus d’impact serait de vraiment savoir si l’inflation s’est produite et ensuite, comment et pourquoi. Donc, remplir juste un tout petit instant au tout début de l’univers changerait vraiment tout dans notre image du cosmos. Si nous étions sûrs que cela s’est produit, cela nous dirait quelque chose sur l’origine de l’univers, ce qui nous aiderait également à dire quelque chose sur son avenir. Cela nous permettrait vraiment de mieux comprendre la structure fondamentale du cosmos. Donc oui, comprendre l’inflation, la matière noire, l’énergie noire, ce sont là les plus gros problèmes, je pense. Et puis, vous savez, il y a des choses comme trouver comment relier la relativité générale et la physique des particules. Mais je pense que si nous connaissions les réponses à l’inflation, à la matière noire et à l’énergie noire, je pense que cela nous donnerait de nombreux indices sur la façon de dresser un tableau plus complet de la physique.

Vous écrivez un peu sur l’existentialisme et la peur dans le livre. Est-ce juste quelque chose auquel vous réfléchissez parce que vous écrivez ce livre, ou est-ce toujours là ?

Suis-je hanté? Je veux dire, je pense que c'est définitivement quelque chose avec lequel j'ai eu l'impression de devoir lutter pour le livre, parce que je Je pense qu'il est naturel de se poser la question de, vous savez, si nous ne continuons pas éternellement, à quoi cela sert-il? signifier? Genre, quel est le sens de la vie? Quel est le but de l’existence si elle a une date de fin? C’est donc certainement quelque chose qui m’est venu en réfléchissant à toutes ces grandes questions. Je ne suis pas quelqu’un qui passe tout son temps à réfléchir au sens de la vie en général. En général, je ne me laisse pas entraîner dans ce genre de choses. Et moi non plus, je ne suis pas quelqu’un qui aime penser à la mort. J'ai essayé très fort d'éviter de penser à la mort parce que je trouve cela très troublant. C'est donc vraiment ce qui m'a motivé à réfléchir à ce livre et à essayer de mettre en contexte ces grandes idées, car la réalité est que nous avons une réponse émotionnelle à l'univers. Même si cela semble irrationnel d’un point de vue strictement pratique, il est difficile d’éviter cette réponse.

Recommandations des rédacteurs

• 5 000 « yeux » scruteront le ciel nocturne à la recherche d’indices sur l’énigme de l’énergie noire
• Comment la reconnaissance faciale aide les astronomes à révéler les secrets de la matière noire
• Télescope spatial pour sonder les mystères de l'énergie noire et de la matière noire