Meilleure réponse
Des collisions multivers peuvent parsemer le ciel
Au début de lhistoire cosmique, notre univers sest peut-être heurté à un autre – un affrontement primordial qui aurait pu laisser des traces dans la rémanence du Big Bang.
Les physiciens recherchent des preuves dune ancienne collision avec un autre univers.
Comme beaucoup de ses collègues, Hiranya Peiris , un cosmologiste de lUniversity College London, a jadis largement rejeté lidée que notre univers pourrait être seulement lun des nombreux un vaste multivers . Cétait scientifiquement intrigant, pensa-t-elle, mais aussi fondamentalement impossible à tester. Elle a préféré concentrer ses recherches sur des questions plus concrètes, comme la manière dont les galaxies évoluent.
Puis un été au Aspen Center for Physics, Peiris sest retrouvée à discuter avec le Matt Johnson , qui a mentionné son intérêt pour le développement doutils pour étudier lidée. Il leur a suggéré de collaborer.
Au début, Peiris était sceptique. « Je pense en tant quobservatrice que toute théorie, aussi intéressante et élégante soit-elle, fait sérieusement défaut si elle na pas de conséquences testables », a-t-elle déclaré. Mais Johnson la convaincue quil pourrait y avoir un moyen de tester le concept. Si lunivers que nous habitons était entré en collision il y a longtemps avec un autre univers, le crash aurait laissé une empreinte sur le fond cosmique des micro-ondes (CMB), la faible rémanence de le Big Bang. Et si les physiciens pouvaient détecter une telle signature, cela fournirait une fenêtre sur le multivers.
Erick Weinberg , physicien à lUniversité de Columbia, explique ce multivers en le comparant à un chaudron bouillant, les bulles représentant des univers individuels – des poches isolées despace-temps. Lorsque le pot bout, les bulles se dilatent et se heurtent parfois. Un processus similaire peut sêtre produit dans les premiers instants du cosmos.
Dans les années qui ont suivi leur première rencontre, Peiris et Johnson ont étudié comment une collision avec un autre univers dans les premiers instants du temps aurait envoyé quelque chose semblable à une onde de choc dans notre univers. Ils pensent pouvoir trouver des preuves dune telle collision dans les données du télescope spatial Planck, qui cartographie le CMB.
Le projet pourrait ne pas fonctionner, concède Peiris. Cela exige non seulement que nous vivions dans un multivers, mais aussi que notre univers soit entré en collision avec un autre dans notre histoire cosmique primitive. Mais si les physiciens réussissent, ils auront la première preuve improbable de un cosmos au-delà du nôtre .
Quand les bulles se heurtent
Les théories du multivers étaient autrefois reléguées au domaine de la science-fiction ou du cinglé. «On dirait que vous êtes allé dans un pays fou», a déclaré Johnson, qui détient des nominations conjointes au Perimeter Institute of Theoretical Physics et à l’Université York. Mais les scientifiques ont proposé de nombreuses versions de ce que pourrait être un multivers, certaines moins folles que dautres.
Le multivers qui intéresse Peiris et ses collègues nest pas lhypothèse controversée «de nombreux mondes» qui était la première proposé dans les années 1950 et soutient que chaque événement quantique engendre un univers séparé. Ce concept de multivers nest pas non plus lié au trope populaire de science-fiction des mondes parallèles, de nouveaux univers qui se détachent de notre espace-temps et deviennent des royaumes séparés. Cette version résulte plutôt de linflation, une théorie largement acceptée des premiers moments de lunivers.
Linflation soutient que notre univers a connu une soudaine explosion dexpansion rapide un instant après le Big Bang, une tache infiniment petite à une couvrant un quart de milliard dannées-lumière en quelques fractions de seconde.
Pourtant, linflation, une fois commencée, a tendance à ne jamais sarrêter complètement. Selon la théorie, une fois que lunivers commence à sétendre, il se terminera à certains endroits, créant des régions comme lunivers que nous voyons tout autour de nous aujourdhui. Mais ailleurs, linflation continuera tout simplement éternellement dans le futur.
Cette caractéristique a conduit les cosmologistes à envisager un scénario appelé inflation éternelle. Dans cette image, les régions individuelles de lespace cessent de se gonfler et deviennent des «univers de bulles» comme celui dans lequel nous vivons. Mais à plus grande échelle, lexpansion exponentielle se poursuit pour toujours et de nouveaux univers de bulles sont continuellement créés. Chaque bulle est considérée comme un univers à part entière, bien quelle fasse partie du même espace-temps, car un observateur ne pouvait pas voyager dune bulle à lautre sans se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière. Et chaque bulle peut avoir ses propres lois distinctes de la physique. «Si vous achetez une inflation éternelle, cela prédit un multivers», a déclaré Peiris.
En 2012, Peiris et Johnson ont fait équipe avec Anthony Aguirre et Max Wainwright – tous deux physiciens de lUniversité de Californie à Santa Cruz – pour construire un multivers simulé avec seulement deux bulles. Ils ont étudié ce qui sest passé après la collision des bulles pour déterminer ce quun observateur verrait. Léquipe a conclu quune collision de deux univers de bulles nous apparaîtrait comme un disque sur le CMB avec un profil de température distinctif.
Une ancienne collision avec un univers de bulles aurait modifié la température du fond cosmique des micro-ondes (à gauche), créant un faible disque dans le ciel (à droite) qui pourrait potentiellement être observé.
Olena Shmahalo / Quanta Magazine; source: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Pour se prémunir contre lerreur humaine – nous avons tendance à voir les modèles que nous voulons voir – ils ont conçu un ensemble dalgorithmes pour recherchez ces disques dans les données de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), un observatoire spatial. Le programme a identifié quatre régions potentielles avec des fluctuations de température compatibles avec ce qui pourrait être une signature dune collision de bulles. Lorsque les données du satellite Planck seront disponibles plus tard cette année, les chercheurs devraient être en mesure daméliorer cette analyse antérieure.
Pourtant, détecter des signatures convaincantes du multivers est délicat. Le simple fait de savoir à quoi pourrait ressembler une rencontre nécessite une compréhension approfondie de la dynamique des collisions de bulles – quelque chose dassez difficile à modéliser sur un ordinateur, étant donné la complexité de ces interactions.
Lorsquils sattaquent à un nouveau problème, les physiciens généralement trouver un bon modèle quils comprennent déjà et ladapter en apportant des modifications mineures quils appellent des «perturbations». Par exemple, pour modéliser la trajectoire dun satellite dans lespace, un physicien pourrait utiliser les lois classiques du mouvement décrites par Isaac Newton au 17ème siècle, puis apporter de petits raffinements en calculant les effets dautres facteurs qui pourraient influencer son mouvement, tels que pression du vent solaire. Pour les systèmes simples, il ne devrait y avoir que de petites différences par rapport au modèle non perturbé. Essayez cependant de calculer les modèles de flux dair dun système complexe comme une tornade, et ces approximations seffondrent. Les perturbations introduisent des changements soudains et très importants dans le système dorigine au lieu de raffinements plus petits et prévisibles.
Modéliser les collisions de bulles pendant la période inflationniste du premier univers sapparente à la modélisation dune tornade. De par sa nature même, linflation étend lespace-temps à un rythme exponentiel – précisément le genre de sauts importants dans les valeurs qui rendent le calcul de la dynamique si difficile.
«Imaginez que vous commencez avec une grille, mais dans un instantanément, la grille sest étendue à une taille massive », a déclaré Peiris. Avec ses collaborateurs, elle a utilisé des techniques telles que le raffinement adaptatif du maillage – un processus itératif de vannage des détails les plus pertinents dans une telle grille à des échelles de plus en plus fines – dans ses simulations de linflation pour faire face à la complexité. Eugene Lim , physicien du Kings College de Londres, a découvert quun type inhabituel donde progressive pourrait aider à simplifier encore plus les choses.
Réponse
Tout est en expansion – et cest ainsi une question naturelle à poser. Comment tout peut-il séloigner de tout autre chose, tout en se heurtant encore?
Une partie du blâme de cette confusion réside dans les types de diagrammes et de langage que nous utilisons pour démontrer lexpansion de lunivers. Si je dis « l’espace entre chaque galaxie s’élargit, de sorte que chaque galaxie semble s’éloigner de toutes les autres galaxies », c’est un bon moyen de vous faire imaginer une expansion de l’espace. Cela signifie également que jignore tout ce qui se passe qui pourrait compliquer la situation, pour rendre lidée dexpansion de lespace aussi claire que possible.
Dans ce cas, ce qui complique la situation, cest notre ancienne gravité ami. Si chaque galaxie de lunivers était régulièrement espacée – par exemple, si elles étaient toutes disposées comme sil sagissait de points sur une grille – alors la description simple est également exacte. Il ny aurait rien dautre. Chaque galaxie continuerait dévoluer dans un isolement total, séloignant lentement de toute autre chose.
Simulation numérique de la densité de importait quand l’univers avait 4,7 milliards d’années. La formation de la galaxie suit les puits gravitationnels produits par la matière noire, où lhydrogène gazeux se fusionne et les premières étoiles senflamment. Crédit dimage: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Ce n’est pas à quoi ressemble notre univers.Notre univers ressemble beaucoup plus à une toile daraignée quà une grille, avec de gros nœuds de galaxies et de petits filaments de galaxies sétendant loin de chaque nœud. Les gros nœuds sont des amas de galaxies et peuvent contenir des milliers de galaxies. Leurs homologues plus petits, les groupes de galaxies, contiennent quelques galaxies. Notre propre galaxie est dans un petit groupe, avec Andromède, et un tas de très petites galaxies naines.
Ces amas et groupes sont ce qui se passe lorsque les galaxies se forment assez près les unes des autres pour que la gravité puisse les rassembler. Si une galaxie est assez proche dune autre galaxie et ne se déplace pas trop vite, la gravité lempêchera de se séparer à nouveau. Ces galaxies peuvent passer plusieurs milliards dannées à tomber lune vers lautre et se manqueront généralement lors de la première tentative de collision, de sorte quelles passeront encore plusieurs milliards dannées à retomber ensemble pendant une seconde, puis peut-être une troisième tentative. Notre galaxie et Andromède en sont à la première étape de lautomne ensemble, ce qui prendra probablement environ 3 milliards dannées de plus avant quil ne soit difficile de démêler nos deux galaxies.
Ce système se compose dune paire de galaxies, baptisées NGC 3690 (ou Arp 299), qui ont fait un passage serré il y a environ 700 millions dannées. À la suite de cette interaction, le système a subi une explosion féroce de formation détoiles. Au cours des quinze dernières années environ, six supernovae sont apparues dans les confins de la galaxie, faisant de ce système une fabrique de supernovae distinguée. Crédit: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration, et A. Evans (Université de Virginie, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Fondamentalement, le fait que nous voir les collisions de galaxies se résume à deux choses; les galaxies ne se sont pas formées sur une grille, et la force d’expansion de notre univers est moins forte que la force de gravité des galaxies proches les unes des autres. Si la force dexpansion était beaucoup, beaucoup plus forte quelle ne lest, alors même la gravité pourrait ne pas être capable de rassembler les galaxies, et chaque galaxie serait vraiment un univers insulaire, isolé pour toujours. Heureusement pour nous, la gravité règne toujours en maître tant que les conditions sont réunies.