Astronomie

Flat Universe signifie-t-il une distribution uniforme ?

Flat Universe signifie-t-il une distribution uniforme ?



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J'ai lu toutes les autres réponses liées aux questions de "planéité", mais j'ai besoin d'un peu plus de précisions.

Je comprends qu'un triangle dans un univers 2D ne serait pas égal à 180 degrés dans un univers fermé et ouvert. Si j'ai raison, ne pas être plat pendant les conditions initiales signifierait une expansion ou un effondrement exponentiel au fil du temps.

Compte tenu de ce qui précède, pourrions-nous expliquer la planéité comme une densité uniforme de l'univers, ce qui signifie que tout l'univers est la même "cohérence" approximative à grande échelle (homogénéité).


Non, être plat et être homogène n'est pas équivalent$^dagger!!!$.

La planéité fait référence à la géométrie, qui dépend de la densité d'énergie totale $ ho$; s'il est supérieur ou inférieur à un certain seuil critique $ ho_mathrm{cr}$, on appelle l'Univers "fermé" ou "ouvert", respectivement, tandis que si $ ho$ est exactement égal à $ ho_mathrm{ cr}$, nous l'appelons "plat".

L'homogénéité fait référence, comme vous le dites, à la matière étant uniformément répartie (à grande échelle). Si l'Univers est non seulement homogène, mais aussi isotrope (c'est-à-dire qu'il se ressemble dans toutes les directions), ensuite il existe trois géométries différentes possibles, à savoir plat, ouvert ou fermé. Mais un univers homogène n'a pas besoin d'être isotrope, et les univers ouverts et fermés peuvent avoir de la matière uniformément répartie.

Ainsi, $$ mathrm{homogénéité} Rightarrow mathrm{flatness} $$

Alors que la géométrie locale dépend de la densité locale$^ddagger$, la global la géométrie ne dépend pas de la répartition de la matière. Par exemple, vous pourriez en principe avoir un univers sans limite supérieure de taille de structure. Dans notre Univers, nous constatons par observation que les plus grandes structures ont des tailles d'environ un demi-giga-lumière. Au-dessus de cette échelle, il est homogène (bien qu'il puisse être inhomogène à des échelles plus grandes que l'horizon des particules). Mais un autre univers pourrait avoir une structure à toutes les échelles et donc ne pas être homogène, mais répondre tout de même au critère $ ho = ho_mathrm{cr}$ et donc être plat. Vous pouvez également, comme indiqué dans cette réponse sur l'homogénéité et l'isotropie, imaginer un univers provenant d'un point central à partir duquel la densité diminue toujours (c'est-à-dire isotrope autour de ce point), mais qui a toujours $ ho = ho_mathrm {c}$.

Ainsi, $$ mathrm{planéité} Rightarrow mathrm{homogénéité} $$

Notez que même si votre affirmation sur la géométrie déterminant le destin de l'Univers serait correcte s'il ne contenait que de la matière et du rayonnement, il semble que $sim70$% de la densité le rendant plat a la fâcheuse propriété d'accélérer l'expansion de l'Univers . Ainsi, alors qu'un univers plat dominé par la matière s'étendrait asymptotiquement vers une taille finie, notre L'univers est dominé, semble-t-il, par quelque chose qu'on appelle l'énergie noire, ce qui le fait s'étendre de façon exponentielle malgré sa plat.


$^poignard$Pour un univers, au moins. Pour un roadkill, cela pourrait être équivalent.

$^ddagger$Par exemple, l'espace "se plie" suffisamment autour d'un amas massif de galaxies pour fabriquer des lentilles gravitationnelles.


Un univers plat signifie-t-il une distribution uniforme ?

A proprement parler non. Mais il n'y a aucune preuve réelle d'une quelconque "courbure dimensionnelle supérieure". Voir https://arxiv.org/abs/1303.5086 où la mission Planck a rendu compte de la géométrie et de la topologie de fond de l'Univers. Ils n'ont trouvé aucune preuve d'un quelconque univers toroïdal "d'astéroïdes".

Je comprends qu'un triangle dans un univers 2D ne serait pas égal à 180 degrés dans un univers fermé et ouvert. Si j'ai raison, ne pas être plat pendant les conditions initiales signifierait une expansion ou un effondrement exponentiel au fil du temps.

C'est ce que les gens ont tendance à dire, mais à mon humble avis, vous ne devriez pas le traiter comme une science établie. Voir « Les eaux dans lesquelles je pénètre que personne n'a encore franchies » : Alexander Friedman et les origines de la cosmologie moderne. C'est par Ari Belenkiy, qui attribue à Friedmann l'univers en expansion. Il fait également référence à l'univers M1 m-pour-monotone de Friedmann qui s'étend à partir d'une singularité et a un point d'inflexion, son univers M2 qui s'étend à partir d'un rayon non nul et son univers P-pour-périodique qui se dilate et se contracte. Le fait est que nous ne savons pas avec certitude si l'une de ces options décrit correctement l'univers. D'autant plus que nous avons de bonnes preuves que l'univers était autrefois très dense, mais néanmoins étendu.

Compte tenu de ce qui précède, pourrions-nous expliquer la planéité comme une densité uniforme de l'univers, ce qui signifie que tout l'univers est la même "cohérence" approximative à grande échelle (homogénéité).

Je dirais ceci : étant donné que nous ne savons pas que la cosmologie de Friedmann est correcte, nous force expliquer la planéité comme une densité uniforme de l'univers.


L'Univers a-t-il un centre de gravité ?

L'espace est plat et simplement connecté. Cela implique qu'il s'agit en fait de l'espace euclidien, et qu'il est infini. Ensuite, vous ne pouvez pas faire la moyenne de la position des masses dans l'Univers car la somme diverge. La distribution de masse est uniforme sur de très grandes échelles, et cela se poursuit indéfiniment.

L'espace est courbe et/ou pas simplement connecté. Cela signifie que les positions ne peuvent pas être considérées comme des vecteurs et qu'elles ne peuvent pas être additionnées, elles ne peuvent donc pas être moyennées.

J'ai lu quelque chose sur 'The Great Attractor'. N'est-ce pas aussi une chose en termes de centre "gravitationnel"

N'y a-t-il pas d'espace courbe en Relativité Générale ? N'y a-t-il pas un centre de gravité définissable en GR ? Ne pouvons-nous pas faire cela pour l'univers ?

Pouvez-vous expliquer ce que signifie simplement connecté?

Qu'en est-il du centre de gravité de l'univers observable ?

Pourquoi est-ce qu'être plat et simplement connecté implique qu'il est infini ?

De plus, même s'il est infini, pourquoi cela signifierait-il que la distribution de masse est uniforme ?

Question vraiment top. J'ai l'impression que cette réponse a beaucoup à voir avec le principe d'homogénéité. Einstein a proposé qu'à grande échelle, l'espace soit homogène, ce qui signifie que si vous allez à de très grandes distances (Mpcs ou parsecs), l'espace de gauche ne sera pas différent de l'espace de droite. Imaginez que vous regardiez une toile qui n'a pas de centre, une toile faite de galaxies dans ce cas.

Aujourd'hui, ce principe est remis en cause car nous remarquons à de grandes distances que la substance de l'univers local a une structure. Grande muraille de Sloan, la collection 24 quasars - une étude réalisée par l'ESA qui a essentiellement cartographié différents quasars en 3D et postule une structure quelconque impliquant que chacun de ces quasars est lié gravitationnellement. Cela brise l'homogénéité et une structure qui ne devrait pas exister. Structure à grande échelle

C'est une partie de l'histoire, l'autre étant la forme de l'univers lui-même. En ce qui concerne ce que vous savez, il existe des théories, remarquez que les théories prétendent que l'espace est principalement plat et que d'autres théories postulent une forme de beignet/selle/sphérique. Donc, à ma connaissance, il n'existe aucun moyen expérimental de trouver la forme de l'univers.

Malheureusement, il n'y a vraiment pas de moyen de répondre à cette question et il n'y aura probablement pas de réponse avant longtemps.


Contenu

Alors que certaines personnes pensent que l'univers a été créé sur une période de six jours il y a environ 6 000 à 10 000 ans, les faits mesurés montrent qu'ils sont terriblement faux, à moins que vous ne souscriviez au jeudi dernier ou à une idée similaire, mais ce n'est pas une conjecture pertinente ici.

L'univers semble s'être formé il y a environ 13,8 milliards d'années lors d'une expansion rapide et massive de l'espace-temps appelée Big Bang. Après l'inflation initiale, les particules énergétiques se sont refroidies et les réactions nucléaires ont créé ce qui allait devenir de la matière, qui s'est finalement agglomérée pour former des galaxies et des étoiles. Au cours de l'évolution stellaire, des éléments plus lourds ont été produits, conduisant à des systèmes stellaires de générations ultérieures ayant des planètes parfois en grande partie constituées de ces éléments lourds - des planètes rocheuses.

Notre système solaire a environ 4,5 milliards d'années et comprend une poignée de planètes rocheuses et de débris plus petits, ainsi que quatre géantes gazeuses, qui sont en grande partie composées d'éléments et de composés plus légers. Après une longue période de refroidissement, notre planète est devenue hospitalière à l'évolution des composés organiques très complexes que l'on sait désormais abondants dans l'univers. Α] Une collection desdits composés a tapé cela il n'y a pas longtemps, tandis qu'une autre collection le lit maintenant.


Quel est le problème avec l'Univers? Environ 31 %.

Si vous voulez comprendre l'Univers - et nous le faisons - vous devez comprendre ce qu'il contient. Je ne parle pas d'étoiles, de planètes, de trous noirs et autres. Nous devons être encore plus larges.

Combien d'énergie y a-t-il dans l'Univers ? Combien de matière ? Et pour être un peu plus précis, quels types d'énergie et de matière ?

Plus de mauvaise astronomie

Nous appelons cela le bilan masse/énergie de l'Univers. Comme un budget de ménage, il représente (espérons-le) tout ce qu'il contient, divisé par type. Dans le cas de l'Univers, nous savons qu'il est composé, par ordre décroissant, d'énergie noire, de matière noire et de matière normale. Mais combien de chacun ?

Une nouvelle étude n'a examiné que la matière et est parvenue à un nombre assez restreint : 31,5 ± 1,3 % de l'Univers est composé de matière (ce qui, à son tour, implique que 68,5 % sont de l'énergie noire).

Ces chiffres sont assez importants. Si l'Univers avait moins de matière, il se développerait plus rapidement - dans un sens, la gravité de cette matière ralentit l'expansion.

Le bilan masse/énergie de l'Univers nous montre que la plupart des éléments du cosmos sont de l'énergie noire, puis la matière noire, puis enfin la matière normale qui compose le gaz, la poussière et les étoiles. Crédit : UCR/Mohamed Abdullah

Cela a également des implications pour les choses dans l'Univers, et pas seulement l'Univers lui-même. Par exemple, au début de l'Univers, la gravité aidait à agglutiner la matière, car elle était attirée par elle-même. Il s'est condensé à partir de la soupe chaude de trucs, formant des galaxies et des amas de galaxies. Si le budget de matière avait été différent, les galaxies et les amas auraient été différents ou ne se seraient peut-être pas formés du tout.

Nous devons notre existence à ces chiffres.

En fait, ce sont les amas de galaxies sur lesquels se sont concentrés les nouveaux travaux. Ce sont d'immenses collections de galaxies entières, des centaines ou des milliers d'entre elles, toutes maintenues ensemble par leur gravité mutuelle. Leur structure dépend de la densité de matière dans l'Univers, donc en les examinant, les scientifiques pourraient comprendre cette densité.

Le nombre d'amas dans un volume donné de l'Univers dépend de la densité de masse (notée Ωm), donc mesurer les masses d'amas vous indique la densité de masse de l'Univers. Crédit : UCR/Mohamed Abdullah

Ils ont développé une méthode pour trouver des clusters de la manière la plus impartiale possible. Ils ont examiné 700 000 galaxies, puis examiné leurs emplacements et leurs mouvements dans l'espace pour voir si elles appartenaient à des amas. À partir de cet échantillon, ils ont sélectionné 756 amas de galaxies proches (jusqu'à environ 1,6 milliard d'années-lumière, donc "à proximité" est relatif) à utiliser dans leur analyse.

Ensuite, ils ont trouvé ce qu'on appelle la fonction de masse d'amas, qui est le nombre d'amas dans l'Univers dans un volume d'espace donné pour une masse donnée de l'amas. Ainsi, dans certaines parties de l'Univers, vous pourriez voir beaucoup d'amas de faible masse, moins d'amas de poids moyen et un plus petit nombre d'amas vraiment gigantesques, par exemple. Cette distribution est sensible à la densité de matière dans l'Univers, et est compliquée par des choses comme le fait que la densité change avec le temps à mesure que l'Univers s'étend, ainsi que la difficulté à déterminer la masse de l'amas.

Ce dernier morceau est un dur à cuire. Il existe de nombreuses façons d'estimer la masse d'un cluster, dont beaucoup sont de nature statistique (en examinant de nombreux clusters pour faire la moyenne des statistiques bruyantes). Ceux-ci introduisent cependant d'autres problèmes, ce qui rend cela difficile. Dans ce cas, les scientifiques ont choisi d'utiliser ce qu'on appelle la méthode viriale pour obtenir la masse - lorsque les galaxies se déplacent dans un amas, elles interagissent et échangent de l'énergie (les plus rapides tirent sur les plus lentes, par exemple, les accélérant). Cela dépend de la masse totale du cluster et fournit un très bon moyen d'obtenir ce nombre.

Ils ont ensuite exécuté les nombres pour voir de quelle densité de masse cosmique ils avaient besoin pour expliquer la distribution de masse des amas, et ont obtenu 31,5% (en utilisant juste leurs données, ils ont obtenu 31% avec une incertitude d'environ 2,3%, mais en combinant leurs résultats avec d'autres études, ils ont obtenu un chiffre légèrement plus précis).

En général, ce nombre est un peu un peu plus élevé que la plupart des autres méthodes (il varie de 25 à 35% selon la façon dont vous le mesurez), mais pas de manière alarmante. Ils prétendent que la leur est la mesure la plus précise de ce nombre jamais réalisée, mais je laisserai les autres experts le préciser.

Il vous permet également de calculer la densité moyenne de matière dans l'Univers, et elle est d'environ 10 à 23 grammes par mètre cube. C'est minuscule. C'est l'équivalent d'environ 6 atomes d'hydrogène par mètre cube. À titre de comparaison, au niveau de la mer, l'air contient environ 1 200 grammes par mètre cube, soit environ 10 25 atomes par mètre cube, soit un facteur d'environ un septillon (ou un million de millions de millions de millions) de plus. L'espace est vraiment vide.

je note aussi que c'est le total matière, y compris la matière noire et "normale". Le budget de la matière lui-même dans l'Univers est d'environ 5 à 1 matière noire à normale, donc environ une division de 84/16. Ce ratio n'est pas très bien connu cependant. Une idée, d'ailleurs, est que la matière noire est constituée d'axions, qui sont une particule théorique de très faible masse. Si tel est le cas, alors ce mètre cube d'espace contiendrait plutôt 1 atome d'hydrogène et plusieurs milliards d'axions.

Alors voilà. Cette nouvelle étude, si elle aboutit, est une autre étape pour régler tout cela. Chaque jour, nous nous rapprochons un peu plus de la découverte, eh bien, l'univers, et pourquoi nous sommes ici. Cela peut sembler un peu ésotérique, mais regardez autour de vous. Tout ce que tu vois existe, et cela à cause du fonctionnement de l'Univers. Regarder sous son capot est l'une des choses les plus cool que les humains fassent.


Le boson de Higgs semble prouver que l'univers n'existe pas

Aucun de nous ne devrait être ici. En fait, le monde entier, les étoiles et les galaxies ne devraient pas non plus être là. Selon une nouvelle étude cosmologique, tout notre Univers aurait dû disparaître un instant après sa création.

Des recherches menées par des cosmologistes britanniques du King's College de Londres (KCL) suggèrent que l'Univers n'aurait pas dû durer plus d'une seconde après le Big Bang, selon le modèle standard suggéré par le boson de Higgs vu en 2012 ainsi que des observations astronomiques récentes.

Après que l'Univers a commencé dans le Big Bang, il est théorisé qu'il a traversé une courte période d'expansion rapide connue sous le nom d'inflation cosmique. L'Univers est toujours en expansion aujourd'hui, mais à un rythme assez calme d'un point de vue astronomique. Au cours de la période d'inflation, la matière a été projetée vers l'extérieur à un rythme exponentiel dans toutes les directions, ondulant l'espace-temps en vagues d'énergie gravitationnelle.

Le télescope BICEP2 en Antarctique, vu au crépuscule. (Crédit : Steffen Richter, Université de Harvard)

Cette théorie explique un certain nombre de caractéristiques de l'Univers, y compris le fait qu'il semble être le même dans toutes les directions, qu'il est plat et qu'il a un rayonnement de fond cosmique micro-ondes uniformément réparti. Bien que les scientifiques ne comprennent pas pleinement l'ensemble du processus d'inflation, ils sont toujours en mesure de faire des prédictions sur la façon dont il devrait ressembler à l'Univers aujourd'hui.

Présentant à la réunion nationale d'astronomie de la Royal Astronomical Society, Robert Hogan de KCL a décrit la recherche, qui combine les dernières observations du ciel avec les propriétés de la particule vues par les expériences CMS et ATLAS au Large Hadron Collider pour proposer le légèrement déconcertant conclusion que nous ne devrions pas exister.

En mars de cette année, des scientifiques utilisant l'un des télescopes d'imagerie de fond de la polarisation extragalactique cosmique (BICEP2) ont affirmé avoir détecté l'un des effets prédits de l'inflation cosmique sur l'Univers aujourd'hui. Ils pensent avoir capté le très faible signal laissé par les ondes d'énergie gravitationnelle sur le fond diffus cosmologique, connu sous le nom de polarisation en mode B.

Les résultats se sont avérés controversés et n'ont pas encore été acceptés par les cosmologistes, mais s'ils étaient exacts, ils confirmeraient la théorie de l'inflation et feraient considérablement progresser la compréhension scientifique de l'Univers.

En examinant les résultats, l'équipe de KCL a analysé ce que les observations du BICEP2 signifieraient pour la stabilité de l'Univers en combinant les données avec les informations glanées par la physique des particules du boson de Higgs.

La mesure de cette particule a permis aux physiciens de montrer que notre Univers se trouve dans une vallée du « champ de Higgs », qui fait partie du mécanisme qui donne une masse aux particules. Cependant, il existe une autre vallée théorique dans le domaine qui est beaucoup plus profonde, mais notre Univers est empêché de basculer dedans par une grande barrière énergétique.

Le problème avec les résultats du BICEP2 est qu'ils prédisent que l'Univers aurait reçu de grandes secousses pendant la phase d'inflation cosmique, ce qui l'aurait poussé dans l'autre vallée du champ de Higgs en une fraction de seconde. Et cela aurait effondré tout l'univers naissant dans un Big Crunch.

Il est possible que les découvertes du BICEP2 aient en fait été causées par des effets de polarisation similaires qui peuvent être générés par la poussière à proximité dans notre propre galaxie, un point que les chercheurs ont admis être possible dans leur étude.

Mis à part une erreur comme celle-ci dans les résultats du BICEP2, la seule option pour expliquer pourquoi nous sommes toujours là pour nous interroger sur les origines de l'Univers est de savoir s'il existe un autre processus en cours que les scientifiques n'ont pas encore découvert.

"Si BICEP2 s'avère correct, cela nous indique qu'il doit y avoir une nouvelle physique des particules intéressante au-delà du modèle standard", a expliqué Hogan.

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Une étude révèle que les motifs formés par les galaxies spirales montrent que l'univers peut avoir une structure définie

Une carte de Mollweide couvrant tout le ciel du quadripôle dans la distribution des directions de spin des galaxies. Dans cette image, les différentes couleurs signifient une force statistique différente d'avoir un quadripôle cosmologique à différents points du ciel. Crédit : Université d'État du Kansas

Une analyse de plus de 200 000 galaxies spirales a révélé des liens inattendus entre les directions de spin des galaxies, et la structure formée par ces liens pourrait suggérer que l'univers primitif aurait pu tourner, selon une étude de la Kansas State University.

Lior Shamir, un astronome informaticien et informaticien de K-State, a présenté les résultats lors de la 236e réunion de l'American Astronomical Society en juin 2020. Les résultats sont importants car les observations sont en conflit avec certaines hypothèses précédentes sur la structure à grande échelle de l'univers.

Depuis l'époque d'Edwin Hubble, les astronomes pensent que l'univers se gonfle sans direction particulière et que les galaxies qu'il contient sont distribuées sans structure cosmologique particulière. Mais les récentes observations de Shamir sur les motifs géométriques de plus de 200 000 galaxies spirales suggèrent que l'univers pourrait avoir une structure définie et que l'univers primitif aurait pu tourner. Les modèles de distribution de ces galaxies suggèrent que les galaxies spirales dans différentes parties de l'univers, séparées par l'espace et le temps, sont liées par les directions vers lesquelles elles tournent, selon l'étude.

"La science des données en astronomie n'a pas seulement rendu la recherche en astronomie plus rentable, mais elle nous permet également d'observer l'univers d'une manière complètement différente", a déclaré Shamir, également professeur agrégé d'informatique K-State. "Le motif géométrique présenté par la distribution des galaxies spirales est clair, mais ne peut être observé qu'en analysant un très grand nombre d'objets astronomiques."

Une galaxie spirale est un objet astronomique unique car son apparence visuelle dépend de la perspective de l'observateur. Par exemple, une galaxie spirale qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'elle est observée depuis la Terre, semblerait tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsque l'observateur est situé du côté opposé de cette galaxie. Si l'univers est isotrope et n'a pas de structure particulière, comme les astronomes précédents l'ont prédit, le nombre de galaxies qui tournent dans le sens des aiguilles d'une montre serait à peu près égal au nombre de galaxies qui tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Shamir a utilisé les données des télescopes modernes pour montrer que ce n'est pas le cas.

Avec les télescopes traditionnels, compter les galaxies dans l'univers est une tâche ardue. Mais les télescopes robotiques modernes tels que le Sloan Digital Sky Survey, ou SDSS, et le Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, ou Pan-STARRS, sont capables d'imager automatiquement plusieurs millions de galaxies lorsqu'ils étudient le ciel. La vision industrielle peut alors trier des millions de galaxies selon leur direction de rotation bien plus rapidement que n'importe quelle personne ou groupe de personnes.

Lorsque l'on compare le nombre de galaxies avec des directions de rotation différentes, le nombre de galaxies qui tournent dans le sens des aiguilles d'une montre n'est pas égal au nombre de galaxies qui tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La différence est faible, un peu plus de 2%, mais avec le nombre élevé de galaxies, il y a une probabilité de moins de 1 à 4 milliards d'avoir une telle asymétrie par hasard, selon les recherches de Shamir.

Les motifs s'étendent sur plus de 4 milliards d'années-lumière, mais l'asymétrie dans cette plage n'est pas uniforme. L'étude a révélé que l'asymétrie augmente lorsque les galaxies sont plus éloignées de la Terre, ce qui montre que l'univers primitif était plus cohérent et moins chaotique que l'univers actuel.

Mais les modèles ne montrent pas seulement que l'univers n'est pas symétrique, mais aussi que l'asymétrie change dans différentes parties de l'univers, et les différences présentent un modèle unique de multipôles.

"Si l'univers a un axe, ce n'est pas un simple axe unique comme un manège", a déclaré Shamir. "C'est un alignement complexe d'axes multiples qui ont aussi une certaine dérive."

Le concept de multipôles cosmologiques n'est pas nouveau. Les précédents observatoires spatiaux, tels que le Cosmic Background Explorer, ou COBE, le satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, ou mission WMAP et l'observatoire Planck, ont montré que le fond cosmique micro-ondes, qui est le rayonnement électromagnétique du tout premier univers, présente également plusieurs pôles. Mais la mesure du fond diffus cosmologique est sensible à la contamination du premier plan, comme l'obstruction de la Voie lactée, et ne peut pas montrer comment ces pôles ont changé au fil du temps. L'asymétrie entre les directions de spin des galaxies spirales est une mesure qui n'est pas sensible à l'obstruction. Ce qui peut entraver la rotation des galaxies dans une direction dans un certain champ obstruera nécessairement aussi les galaxies qui tournent dans le sens inverse.

"Il n'y a aucune erreur ou contamination qui pourrait se manifester à travers des modèles aussi uniques, complexes et cohérents", a déclaré Shamir. "Nous avons deux relevés du ciel différents montrant exactement les mêmes schémas, même lorsque les galaxies sont complètement différentes. Il n'y a aucune erreur qui puisse conduire à cela. C'est l'univers dans lequel nous vivons. C'est notre maison."


Que voulez-vous dire, l'univers est plat ? Partie II : Dans laquelle nous répondons réellement à la question

Maintenant, la prochaine fois que vous marcherez 10 pieds devant vous, vous tracerez le quatrième et dernier côté d'un carré, et vous finirez là où vous avez commencé. Si vous tournez de 90 degrés pour la quatrième fois, vous serez également tourné vers la direction d'origine.

Cela semble intuitivement évident, voire tautologique - si vous tracez un carré sur le sol, eh bien, vous tracez un carré sur le sol - mais c'est en fait un fait empirique. Et c'est important, alors je vais le dire à voix haute :

Il n'y a pas a priori raison pour laquelle marcher sur quatre côtés égaux et tourner quatre angles droits devrait vous ramener exactement au même endroit. C'est purement une chose empirique de notre expérience quotidienne.

En fait, ce n'est pas exactement vrai empiriquement non plus. Le fait de ne pas revenir exactement au même endroit - pour fermer précisément un carré - n'est pas seulement vrai, c'est l'un des phénomènes les plus importants jamais observés dans l'histoire des sciences. Il est au cœur de tout. C'est la façon dont la gravité fonctionne de la façon dont Einstein l'a comprise. Il nous dit comment se forment les trous noirs et pourquoi ils piègent la lumière. Et il nous dit si et comment l'univers doit s'étendre.

Notre intuition nous dit que chaque carré doit se fermer. Le monde est bien plus étrange que notre intuition voudrait nous le faire croire.

Dans le partie précédente de cette série, partie I, j'ai promis que la partie II expliquerait ce que cela signifie pour l'univers d'être plat. Dans cette deuxième partie, je parlerai du concept — non, le phénomène- de l'espace incurvé, qui est essentiellement lorsque les chemins carrés ne se ferment pas, et pourquoi l'espace plat est l'endroit où tous les chemins carrés se ferment.

Euclide a essayé

Jusqu'à présent, j'ai intentionnellement souligné la nature physique de ce phénomène appelé courbure de l'espace. La plupart des auteurs, lorsqu'ils écrivent à son sujet, suivent une approche très différente : ils partent de l'histoire.

Vous voyez, les mathématiciens ont proposé l'idée de courbure - en tant que concept logiquement cohérent mais abstrait - bien avant que quiconque ne prouve qu'il était pertinent pour la réalité. Et mesurer la courbure de l'espace est en fait très difficile à faire dans la pratique, il est donc possible que personne n'aurait essayé si les mathématiciens ne leur avaient pas dit que c'était au moins une possibilité à considérer.

Les mathématiques nécessaires pour donner un sens complet à la courbure ont été inventées au milieu des années 1800 par Georg Bernhard Riemann, et elles sont plutôt complexes. Mais l'espace courbe est une réalité de la vie. En principe, vous pourriez le découvrir en vous promenant dans votre chambre, sans que les mathématiciens, les physiciens ou les philosophes aient d'abord besoin de trouver des concepts abstraits.

Euclide, le grand géomètre de l'Alexandrie hellénistique, était bien conscient du fait que la fermeture des chemins carrés n'est pas vraie a priori. Euclide aurait pu le dire ainsi : les angles intérieurs d'un carré (ou d'un rectangle ou, d'ailleurs, d'un parallélogramme) totalisent 360 degrés. Faire le tour d'un carré signifie faire quatre virages à 90 degrés.

Une autre façon qu'Euclide aurait pu dire est d'énoncer un fait connexe : que les angles intérieurs d'un triangle totalisent toujours 180 degrés. Coupez n'importe quel rectangle en deux triangles le long de sa diagonale, et vous verrez pourquoi : vos quatre angles droits sont divisés en 6 angles, mais la somme est toujours la même.

Mais la géométrie n'a pas à fonctionner de cette façon. Quand c'est le cas, cela s'appelle euclidien. Mais dans la grande majorité des cas où ce n'est pas le cas, on parle de géométrie non euclidienne.

Souvent, la façon dont les auteurs introduisent l'idée de la géométrie non euclidienne est de donner des exemples de ce qui se passe lorsqu'au lieu de tracer des triangles sur un plan, vous les tracez sur une surface courbe, disons, sur la surface de la Terre.

Commencez donc à n'importe quel point de l'équateur et dirigez-vous vers le pôle Nord. Une fois sur place, vous avez parcouru un quart de la circonférence du globe, soit environ 10 000 kilomètres. Tournez maintenant à gauche de 90 degrés et commencez à marcher vers le sud. Après 10 000 kilomètres, vous atteignez à nouveau l'équateur. Mais vous ne serez pas à l'endroit où vous avez commencé. Au lieu de cela, vous serez à un endroit à 10 000 kilomètres à l'ouest du point de départ. Tournez maintenant à gauche de 90 degrés pour être face à l'Est et marchez encore 10 000 kilomètres : vous serez de retour à votre point de départ.

Vous avez tracé un triangle à la surface de la Terre - et les angles internes sont tous des angles droits, donc ils totalisent 270 degrés, pas 180.

Notez que vous n'avez fait que trois étapes de votre voyage. Si vous deviez suivre les instructions au début de cet article, vous auriez encore un autre virage à 90 degrés et un autre côté complet pour marcher. Dans ce cas, l'échec de la fermeture du carré serait assez spectaculaire : au lieu de revenir au point d'origine sur l'équateur, vous auriez abouti au pôle Nord.

Tracer des carrés avec des côtés de 10 000 kilomètres de long est un peu extrême, bien sûr. Si tu essayais une expérience similaire avec des côtés de, disons, 1 000 kilomètres à la place, l'erreur serait beaucoup plus petite, mais toujours visible. Et si vous essayiez de vous déplacer sur des jambes de 10 pieds, vous ne remarqueriez rien de mal : le monde vous semblerait parfaitement euclidien. Vous pourriez être pardonné de penser que la Terre est plate.

En tout état de cause, la sphère est un exemple tout à fait légitime d'une géométrie non euclidienne, mais peut aussi prêter à confusion. "D'accord, la Terre est courbée", dites-vous, "mais qu'est-ce que cela me dit sur la courbure de l'espace?"

« Et si j'avais creusé des tunnels à travers la Terre, reliant les deux points de l'équateur et ces deux points avec le pôle Nord ? Ensemble, les trois tunnels formeraient un triangle équilatéral. Je pouvais alors imaginer pointer des lasers dans les tunnels pour joindre les trois points les uns aux autres dans un triangle de lumière laser. Ce triangle aurait sûrement des angles qui totalisent 180 degrés.

L'espace dans l'espace

Nous arrivons donc ici au fait fondamental de la vie auquel je faisais référence au début de cet article. La courbure de l'espace lui-même.

Pour éviter toute confusion causée par la Terre, faites un voyage dans l'espace. Vous pourriez penser à un vaisseau spatial traçant un triangle ou un carré en voyageant dans l'espace. Ce ne serait pas idéal, cependant, car cela soulève toutes sortes de questions épineuses sur ce que signifie exactement pour un vaisseau spatial de voler droit devant ou de tourner de 90 degrés vers la gauche.

Au lieu de cela, vous et deux amis avez chacun un vaisseau spatial, et chacun des trois voyage vers un endroit dans l'univers proche. Une fois sur place, vous pointez des lasers les uns sur les autres et formez un triangle de faisceaux.

Maintenant, chacun de vous peut mesurer l'angle entre les deux faisceaux qui entrent ou sortent du vaisseau spatial respectif.

Réalité : Ces trois angles ne totalisent pas toujours 180 degrés.

Vous pourriez faire les calculs appropriés et réaliser que ce fait est une conséquence de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Ou vous pourriez vous méfier des mathématiques et de la physique et simplement aller dans l'espace pour voir par vous-même.

Quoi qu'il en soit, c'est ce que cela signifie pour l'espace d'être courbé. Chaque fois que vous pouvez trouver trois points dans l'espace et les joindre avec des faisceaux laser, et constater que le triangle n'a pas les 180 degrés attendus, cela signifie que l'espace est incurvé.

Et quand, peu importe où se trouve le vaisseau spatial, les angles totalisent jusqu'à 180 degrés - c'est ce que cela signifie pour l'espace d'être plat.

La machinerie mathématique de la géométrie riemannienne va beaucoup plus loin et vous donne en fait un moyen de définir et de calculer des mesures numériques de courbure, pour ne pas simplement dire s'il y en a ou pas.

Il existe deux types spéciaux importants d'espace courbe. Si dans une certaine région de l'espace, peu importe où vous placez vos trois vaisseaux spatiaux, les trois angles qu'ils forment totalisent toujours plus de 180 degrés, alors la courbure est positive dans toute la région. Lorsqu'ils totalisent toujours moins de 180 degrés, cela signifie que la région a une courbure négative. Dans le cas plat, c'est précisément zéro.

Cet article fait partie d'une série sur la cosmologie. Voici les messages précédents :

Que voulez-vous dire, l'univers est plat ? Partie I

(Sur ce que j'entends par "l'univers")

Être Monsieur Fantastique

(On visualizing a finite speed of light)

Under a Blood Red Sky

(On the afterglow of the big bang, and why the sky used to glow red)

Still to come: how do we know that the curvature of space is a fact of life what would the world look like if space were très curved what is the curvature (and the size) of the observable universe and what the heck does the observable universe have to do with Dante.

Footprint icon courtesy of palomaironique/Open Clip Art Library.

Spacecraft image courtesy of NASA. The artist's impression represents the planned Laser Interferometry Space Antenna, or LISA, international space mission, which would in fact be unmanned. Also, LISA is not designed to measure the angles of the triangle but temporary changes in the distances of the space probes from one another due to the passage of gravitational waves--which are themselves perturbations in the curvature of space.

The views expressed are those of the author(s) and are not necessarily those of Scientific American.

ABOUT THE AUTHOR(S)

Davide Castelvecchi is a senior reporter at Nature in London covering physics, astronomy, mathematics and computer science.


Our e-dimensional universe

Here’s the layman’s explanation of my theory that physical space is e-dimensional (e = 2.71828…) (for links to the papers, see [1][2]).

It is easy to see that it is a surprising new idea that could lead to new physics, but how can physical dimensions be anything but 3? And the most troubling thing is that it is not even a rational number!

The answer is that three-dimensional v iew of physical space is merely a convention that we have gotten used to. We use this convention to mark points on Earth, but we can’t really check this easily at either the local or the cosmological levels.

In the big bang model, the universe expanded from a singularity (initial state of extremely high density and high temperature) which explains the cosmic microwave background (CMB) radiation, and together with gravity (whose origin is unknown but which is seen to work through either Newton’s or Einstein’s theory) it is consistent with the large-scale structure of the universe with its patterns of galaxies and matter on scales much larger than individual galaxies or groupings of galaxies.

There is divergence between the expansion rates obtained from early universe (captured by CMB data) and the late universe (considering the receding of stars and galaxies) aspects of the universe.

The divergence can be explained away of we accept that space is not quite three-dimensional, but rather e-dimensional

Why hasn’t it been thought of before?

The three-dimensional nature of space is an implicit assumption in Western physical thought and so it has not been questioned. When the idea of information is probed deeply we realize that mathematics compels us to abandon the assumption of a three-dimensional space (References[3][4][5]).

The beginnings of the universe and the nature of space are connected to many deep questions concerning not only physics but also philosophy. These include:

What is the origin of space?

What are the ultimate components of the universe?

What is the relationship between physics and consciousness?

What is space?

The formal use of three-dimensional space is part of modern physics. We can also speak biological space within which biological structure evolve.

Newton took space to be absolute and to be three-dimensional. This was extension of the Aristotelian view of the universe as a container in which the sun, the moon, planets and stars are embedded in perfectly concentric crystal spheres that rotate at fixed rates. In the observer-centric Indian physics that goes back to Kaṇāda, physical laws must be based only on substances, their properties, and their motion, but the experience of time and space is a consequence of the relation between the observer and the world being observed.

There is striking similarity between physical and biological structures. This must be the result of the commonality in the nature of physical and biological spaces, or perhaps the two are identical. Patterns in brain structure and the filament structure and distribution of matter in cosmology are quite similar.

But how morphogenesis may be related to biological space is not known. Indeed this could very well become an exciting new field of research connecting physics and biology.

A new theory of gravity

The new papers provide an explanation for gravity that has been missing in physics, for Newton’s law was based on experiment. The new theory doesn’t change the inverse square law of gravitation but explains why it has this form and suggests that gravity has weakened by about 20% in the last 4 billion years (Reference [6]).

According to current theory, about 96% of the universe is dark matter and dark energy (of which there is no direct evidence) and what is observable is only 0.5% (because another 4.5 % is interstellar gas). Although some scientists are confident that dark matter and dark energy will be eventually discovered, there is no observational evidence in support of it. My theory shows there is no need to speak of dark matter and dark energy.

It shows that the currently accelerating expansion of the universe will eventually slow down and finally reverse. This ties up many loose ends in current physics.

Meaning of e-dimensionality

What is the meaning of an e-dimensional universe? To answer this, we must ask what we mean by the word “dimension” (see References [2]–[7]).

Dimension 0 is a point, dimension 1 is a line, dimension 2 is a plane, and dimension 3 is a solid. An object with dimension between 2 and 3, or e-dimensions, is like sponge or cheese. Another way of seeing it as an object whose density in the limit is less than that of a three-dimensional object.

Fractals have dimensionality that is often noninteger. Two examples of fractals are the Whirlpool Galaxy and the Nautilus shell shown below.

But how can space be like a sponge, with holes? The answer to this is that the sponge-view is one way of looking at space another is that dynamics itself is an expression of this sponge-like nature. Such disparate views can be harmonized by the principle of complementarity, which is one of the deepest philosophical ideas in science (see [8] and references therein).

The most astonishing thing about noninteger dimensionality is that it can be shown to be the origin of gravity. If gravity is a property of space, it solves a puzzle for which science has had no answer until now.

This research also explains the counterintuitive idea of asymptotic freedom [2].

It can have uses for the military, for space travel, and for the understanding of turbulence that Feynman called “the most important unsolved problem of classical physics.” It can also lead to insights that help in the design of novel metamaterials.


Does Flat Universe mean even distribution? - Astronomie

The curvature of the universe is determined by the density of the universe. You can do a cosmic inventory of all of the mass from ordinary matter in a representative region of the universe to see if the region's density is above the critical density. Such an inventory gives 10 to 20 times too little mass to close the universe. The primordial deuterium abundance provides a sensitive test of the density of ordinary matter in the early universe. Again, you get 15 to 20 times too little mass to close the universe. However, these measurements do not take into account all of the matière noire known to exist. Dark matter is all of the extra material that does not produce any light, but whose presence is detected by its significant gravitational effects.

Matière noire

Orbital speeds of stars in galaxies

  1. Flat rotation curves of spirals even though the amount of the light-producing matter falls off as the distance from the galaxy center increases. Remember the enclosed mass = (orbital speed) 2 × (orbit size)/G. Below is the rotation curve for our Milky Way Galaxy (a typical spiral galaxy).

Also, the orbital speeds of stars in elliptical galaxies are too high to be explained by the gravitational force of just the luminous matter in the galaxies. The extra gravitational force is supplied by the dark matter in the ellipticals.

Faint gas shells around ellipticals

Motion of galaxies in a cluster

Hot gas in clusters

Quasar spectra

Gravitational Lensing

Dark Matter separation from ordinary matter

Current tallies of the total mass of the universe (visible and dark matter) indicate that there is only 32% of the matter needed to halt the expansion---we live in an open universe. Ordinary matter amounts to almost 5% and dark matter makes up the other 27%. One possible dark matter candidate was the neutrino. There are a lot of them, they have neutral charge and photons do not bump into them. Unfortunately, their mass is too small and they move much too fast to create the clumpy structure we see of the dark matter and ordinary matter. The universe would not have been able to make the galaxies and galaxy clusters if the dark matter was neutrinos. To create the lumpy universe, astronomers are looking at possible massive neutral particles that move relatively slowly. Various candidates fall under the heading of "WIMPs"&mdashweakly interacting massive particles (sometimes, astronomers & physicists can be clever in their names). Another possible dark matter candidate was simply ordinary matter locked up in dim things like white dwarfs, brown dwarfs, neutron stars, or black holes in the halos of the galaxies. These massive compact halo objects ("MACHOs") can be detected via microlentille like that used to detect exoplanets. Some MACHOs have been found but the number (and resulting total mass) of them appears to be much too small to account for the dark matter. Big Bang nucleosynthesis and the microwave background radiation (as described below) also provide a strict upper limit on the amount of ordinary matter that could produce the MACHOs in any case. As if the dark matter mystery were not enough, astronomers and physicists have now found that there is an additional form of energy not associated with ordinary or dark matter, called "dark energy", that has an even greater effect on the fate of the universe. This is discussed in the last section of this chapter.

Deriving the Geometry of the Universe from the Background Radiation

An independent way to measure the overall geometry of the universe is to look at the fluctuations in the cosmic microwave background radiation. If the universe is open (saddle-shaped), then lines starting out parallel will diverge (bend) away from each other. This will make distant objects look smaller than they would otherwise, so the ripples in the microwave background will appear largest on the half-degree scale. If the universe is flat, then lines starting out parallel will remain parallel. The ripples in the microwave background will appear largest on the 1-degree scale. If the universe is closed, the lines starting out parallel will eventually converge toward each other and meet. This focusing effect will make distant objects look larger than they would otherwise, so the ripples in the microwave background will appear largest on scales larger than 1-degree. Select the image below to go to the WMAP webpage from which the image came.

The resolution of the COBE satellite was about 7 degrees---not good enough to definitively measure the angular sizes of the fluctuations. After COBE, higher-resolution instruments were put up in high-altitude balloons and high mountains to observe the ripples in small patches of the sky. Those experiments indicated a flat geometry for the universe (to within 0.4% uncertainty). Cosmologists using the high resolution of the WMAP satellite to look at the distribution of sizes of the ripples confirmed that conclusion using its all-sky map of the microwave background at a resolution over 30 times better than COBE. WMAP also gave a much improved measurement of the ripples. The distribution of the ripples peaks at the one-degree scale---the universe is flat, a result confirmed by the even higher precision Planck satellite with over 2.5 times higher resolution than WMAP.

This result from the WMAP and Planck satellites and the too meager amount of matter in the universe to make the universe geometry flat along with the observed acceleration of the universe's expansion rate (discussed in the last section of this chapter) are forcing astronomers to conclude that there is another form of energy that makes up 68.5% of the universe (called "dark energy" for lack of anything better). The "dark energy" is probably the "cosmological constant" discussed in the last section of this chapter. Furthermore, the distribution of the sizes of the ripples shows that some sizes are preferred and other sizes are damped out as would be the case if the dark matter was different from ordinary matter. The size distribution (the spectrum of sizes) gives the ratio of dark matter to ordinary matter. Dark matter not made of atoms or other particles in the Standard Model makes up 26.5% of the critical density, leaving just 5.0% of the universe with what the rest of the previous chapters of this website have been about (ordinary matter). That ratio matches up very nicely with the ratios found using the other independent methods of Big Bang nucleosynthesis and the motions of galaxies.

In addition to the dark energy, dark matter, and ordinary matter terms, the model used to fit the observed spectrum of the sizes of the ripples and the polarization spectrum also includes terms for how far sound waves traveled when the microwave background photons were released, the scattering of the microwave background photons by high energy electrons in galaxy clusters, and a couple of terms for the density fluctuations at the end of the "inflation period" described in the last section of this chapter. The closest or best fit of the model to the ripple size and polarization spectra can be used to derive what the Hubble Constant should be for today. The result is 67.4 km/sec/Mpc with an uncertainty of just 0.5 km/sec/Mpc.


Inflation station

Of course, inflation is a hypothetical solution to a hypothetical problem. Perhaps we're wrong about GUT physics and monopole production is a nonstarter. And we don't exactly understand the mechanisms of inflation, either. But that model has become a fixture of modern-day cosmology because, GUT monopoles or not, inflation is a handy device for explaining so many other features of the universe.

Why is the universe so flat? Because inflation made it so big that it can't help but be flat, like a tiny ant measuring the local curvature of an overinflated balloon. [The Universe Is Flat — Now What?]

Why do large patches of the cosmic microwave background have roughly the same temperature, despite being so far apart that there wasn't enough time in the early universe to even them out? Because they were connected before inflation ripped them apart.

Inflation theory goes one step further: It makes firm predictions about how matter ought to be clumped together on large scales — predictions that agree with later observations.

So what started as an out-there solution to an out-there problem turned into a cornerstone of modern cosmology.

Maybe someday we'll actually fully understand how inflation works. And maybe we'll find a monopole, too.