Modèle cosmologique gémellaire - Définition et Explications

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Introduction

En cosmologie, le modèle cosmologique gémellaire, aussi appelé modèle cosmologique bi-feuillet, modèle cosmologique bi-métrique ou théorie des univers jumeaux, désigne un modèle cosmologique non standard représentant l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) connu comme le miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est...) d'un « univers-ombre » et communicant uniquement grâce à la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse. Il s'observe au quotidien en raison de l'attraction terrestre qui...).

Le premier scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) à avoir mentionné la possibilité d'un univers double fut le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de...) soviétique Andreï Sakharov (Andreï Dmitrievitch Sakharov (en russe : Андрей Дмитриевич...) en 1967 , bien que la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de Born-Infeld (1934) puisse être considérée comme une forme d'univers bimétrique.

Se présentant comme une extension de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste de la...), il remet en cause de nombreux pré-requis du modèle standard (comme la constance de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante physique, et donc un...) ou l'existence de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d’effets...) dans l'univers observable). Ce modèle est basé sur le groupe de Poincaré, la relativité et sur la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à...).

Étant donné qu'il contredit plusieurs éléments majeurs du paradigme du modèle cosmologique standard actuel (2010), ce modèle est encore peu étudié par les scientifiques et les contributions restent pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) modestes. Cela explique la diversité des noms tendant à désigner le même modèle.

Naissance du modèle

Les paradoxes du modèle standard

La violation de la parité matière-antimatière

L'énigme de l'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est...) (« pourquoi n'y a-t-il que peu d'antimatière dans l'univers ? », ou en d'autres termes « pourquoi est-ce la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) qui l'a emporté sur l'antimatière ? ») a également débouché pour quelques-uns sur l'hypothèse d'un univers parallèle (On nomme univers parallèle, ou monde parallèle un univers séparé du nôtre possédant ses propres dimensions d'espace et de temps.). La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) avance la raison de la violation de la symétrie CP (En physique des particules, une théorie possède la symétrie CP si elle est invariante sous une transformation simultanée de conjugaison de charge, qui échange particules et antiparticules, et...), tandis que la métaphysique invoque le principe anthropique (Le principe anthropique (du grec anthropos, homme) est un principe métaphysique qui énonce que si nous observons l'univers tel que nous le connaissons, c'est avant toute autre chose parce que... nous nous y trouvons !...), mais aucune n'explique de cause fondamentale de cette asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) entre matière et antimatière, puisque si la matière et l'antimatière sont nées de la même énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) mère, on les imaginerait au contraire créées en proportions égales, l'univers n'ayant pas de préférence.

La masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) manquante de l'univers

La matière noire peut être due à ce manquement.

L'expansion accélérée de l'univers

En cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.), l'expansion de l'Univers est le nom du phénomène qui voit à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une...) les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite...) s'éloigner les unes des autres. Cet écartement mutuel, que l'on pourrait prendre pour un mouvement des galaxies dans l'espace, s'interprète en réalité par un gonflement de l'espace lui-même, les objets célestes étant de ce fait amenés à s'éloigner les uns des autres (voir plus bas). À plus petite échelle, l'expansion n'affecte pas la taille des objets.

En 1998, deux équipes d'astronomes , le Supernova Cosmology Project et le High-Z supernovae search team respectivement dirigés par Saul Perlmutter et Brian P. Schmidt sont parvenues au résultat inattendu que l'expansion de l'Univers semblait s'accélérer. Ce résultat est surprenant car il n'existe aucune théorie pour l'interpréter. Il implique en effet l'existence d'une forme inconnue de matière dont la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) serait négative, avec un comportement répulsif et non pas attractif vis-à-vis de la gravitation. Cette forme hypothétique et inhabituelle de matière, de nature inconnue, communément appelée énergie noire ou parfois constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 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...), représente à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire » employé pour...) actuelle un des problèmes non résolus de la cosmologie moderne.

La formation des galaxies

Fourchette de Hubble : diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans...) morphologique des galaxies

L'étude de la formation et de l'évolution des galaxies s'intéresse aux processus ayant aboutis à la formation d'un univers hétérogène à partir d'une prémisse homogène, à la formation des premières galaxies, à la façon dont les galaxies changent avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), et aux processus qui ont conduit à la grande variété des structures observées parmi les galaxies proches. C'est l'un des domaines de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) les plus actifs en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...).

Malgré les nombreuses réussites des théories proposées jusqu'à aujourd'hui, elles ne suffisent pas à expliquer la variété des structures que nous observons parmi les galaxies. Celles-ci apparaissent avec une grande variété de formes, depuis les galaxies elliptiques arrondies et sans particularité, jusqu'aux galaxies spirales ((voir page de discussion)) dont la forme aplatie rappelle celles de crêpes.

La singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou de quelqu'un. En particulier, le terme est employé dans les domaines suivants :) des trous noirs

Au centre d’un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de...) se situe une région dans laquelle le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) gravitationnel et les distorsions de l’espace (on parle plutôt de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins...) de l’espace) deviennent infinis. Cette région s’appelle une singularité gravitationnelle. La description de cette région est délicate dans le cadre de la relativité générale puisque celle-ci ne peut décrire des régions où la courbure devient infinie.

De plus, la relativité générale est une théorie qui ne peut pas incorporer en général des effets gravitationnels d’origine quantique. Or quand la courbure tend vers l’infini, on peut montrer que celle-ci est nécessairement sujette à des effets de nature quantique. Par conséquent, seule une théorie de la gravitation incorporant tous les effets quantiques (on parle alors de gravitation quantique) est en mesure de décrire correctement les singularités gravitationnelles.

La description d’une singularité gravitationnelle est donc pour l’heure problématique. Néanmoins, tant que celle-ci est située à l’intérieur d’un trou noir, elle ne peut influencer l'espace situé hors de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se...) des évènements, de la même façon que de la matière située à l’intérieur d’un trou noir ne peut en ressortir. Ainsi, aussi mystérieuses que soient les singularités gravitationnelles, notre incapacité à les décrire, signe de l’existence de limitations de la relativité générale à décrire tous les phénomènes gravitationnels, n’empêche pas la description des trous noirs pour la partie située de notre côté visible.

Évolution historique

Suite au paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou encore, une situation qui contredit l'intuition commune....) de la violation de symétrie CP, le physicien soviétique Andrei Sakharov émit en 1967 l'hypothèse de l'existence d'un univers parallèle, où de manière symétrique l'antimatière prédominerait sur la matière. La partition de l'univers fondamental en deux univers parallèles appelés "feuillets" dans lesquels prédominerait la matière pour l'un et l'antimatière pour l'autre pourrait ainsi réconcilier logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant...) et expérience. Cet univers jumeau (Littéralement, le terme jumeau se réfère à tous les individus (ou l'un de ceux-ci) qui ont partagé le même utérus et qui sont nés le même jour. Les triplés (ou quadruplés) sont...) serait CPT-symétrique par rapport au nôtre, c'est-à-dire que non seulement la matière y serait remplacée par une antimatière développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) par Richard Feynman (Richard Phillips Feynman (11 mai 1918 - 15 février 1988) est l'un des physiciens les plus influents de la seconde moitié du...) dans ses diagrammes (symétrie C), mais également la flèche du temps y serait renversée (symétrie T) et serait géométriquement inversée par rapport au nôtre (symétrie P).

Cette hypothèse exotique n'a débouché que sur peu de travaux scientifiques. Parmi les scientifiques qui ont travaillé sur la bimétrie, on trouve notamment Nathan Rosen, Jean-Pierre Petit (Jean-Pierre Petit est un scientifique français spécialiste en mécanique des fluides, physique des plasmas, magnétohydrodynamique et en physique théorique, il a été directeur...), Gabriel Chardin, Michael Boris Green, John Henry Schwarz, Abdus Salam (Abdus Salam (29 janvier 1926 à Jhang Sadar, Inde (aujourd'hui au Pakistan) - 21 novembre 1996) est un physicien pakistanais surtout connu pour ses travaux sur l'interaction électrofaible,...) (prix Nobel de physique en 1979), ou encore Sabine Hossenfelder.

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