Fraser «demande à un astronaute» Dr Paul Matt Sutter - pourquoi appelons-nous le Big Bang une singularité, alors que nous appelons aussi les singularités des trous noirs?
L'Univers est rempli de coïncidences. Ou la forme de la nébuleuse Pac Man ou de la nébuleuse Wizard. Ou comme l'intrigue de Force Awakens et tous les autres films Star Wars, les coïncidences sont partout.
Mais voici une coïncidence assez étrange, et cela a à voir avec la nature de l'Univers lui-même. Suivez-moi ici.
Prenons les trous noirs, un sujet que nous avons abordé à plusieurs reprises sur cette chaîne. Si vous avez regardé suffisamment de nos vidéos, vous savez qu'un trou noir est une région de l'espace où la matière et l'énergie ont été écrasées de manière si dense que la vitesse d'échappement gravitationnelle dépasse la vitesse de la lumière.
Nous ne savons pas la taille des grands trous noirs, mais il est possible qu'ils se soient écrasés dans une région infiniment dense, connue sous le nom de singularité.
Singularité, singularité… où avons-nous entendu ce mot auparavant? En dehors de Ray Kurzweil et de son équipe de singularitaires technologiques.
Ce mot revient lorsque nous discutons de la formation de l'Univers; le Big Bang. Au début, il y a 13,8 milliards d'années, tout dans l'Univers entier était écrasé dans une région de densité infinie. Et puis, en une fraction de seconde, tout s'est étendu vers l'extérieur.
Les astronomes appellent cette région de densité infinie la singularité du Big Bang.
Ce ne peut pas être juste une coïncidence, non? C’est le même mot. C’est le MÊME MOT!
La singularité du Big Bang n'était-elle qu'une très grande singularité de trou noir? Un trou noir avec toute la masse de l'Univers à l'intérieur?
Je vais admettre que cette question dépasse un peu mon niveau de rémunération. Pour expliquer pleinement la science, je pensais apporter une sonnerie. Le Dr Paul Matt Sutter est astrophysicien à l'Ohio State University et à l'Observatoire astronomique de Trieste.
Paul est spécialisé dans les vides cosmiques, il en sait aussi beaucoup sur le Big Bang et les trous noirs. J'ai rejoint Paul sur le tournage de son podcast Ask a Spaceman et jeté ce zinger droit sur lui.
Hé Paul, quelle est la différence entre la singularité qui a formé le Big Bang et une singularité de trou noir?
1. L'univers entier est-il parti d'un trou noir vraiment massif?
Paul: Merci, Fraser. Donc, quand on regarde les singularités, il est important de garder à l'esprit ce qu'est une singularité. Une singularité est un lieu d'une densité infinie, et ce n'est pas vraiment une chose. Cela signifie simplement que les mathématiques que nous utilisons pour décrire la chose sont tombées en panne. Comme nous obtenons des infinis dans nos réponses lorsque nous essayons de calculer ce qui se passe. Pour autant que nous le sachions, ce genre de choses, ces pannes mathématiques, se produisent à deux endroits. L'un est au centre d'un trou noir, où les choses sont tellement compressées que nous ne pouvons plus suivre les mathématiques, et l'autre fois est dans le tout premier univers, lorsque l'univers entier est réduit en un si petit volume à des densités si élevées que nous ne pouvons plus suivre les calculs. C'est donc la seule chose qu'ils ont en commun - qu'il y a une singularité, ce qui signifie que nous ne pouvons plus faire le calcul.
Paul: Et donc, même s'ils sont identiques, ils sont très, très différents. Une singularité de trou noir est un point dans l'espace-temps - comme vous vivez dans l'univers et vous pouvez pointer - il y a une singularité comme là-bas, ou là-bas ou là-bas. C'est un morceau de l'univers qui est intégré dans le plus grand univers, alors que la singularité du Big Bang est tout l'univers entier. C'est une chose différente où l'univers entier est compacté à des densités si incroyablement élevées que nos mathématiques ne peuvent plus le suivre.
2. Pourquoi le premier univers ne s'est-il pas simplement effondré dans un trou noir?
Paul: Oh, c'est une très bonne question, Fraser. Vous pensez à ces densités incroyablement élevées dans le premier univers, et il est naturel de se demander pourquoi il ne se comportait pas simplement comme un trou noir se comportait et se transformait en un point infiniment dense - pourquoi même prendre la peine de s'agrandir? Et il est important de se rappeler ici à quel point les différents trous noirs sont du premier univers. Dans les deux cas, nous utilisons la relativité générale - ce sont les lois de la gravité - elles régissent les lois de ces systèmes. Mais nous utilisons le même ensemble d'équations dans différents scénarios. Nous les utilisons pour décrire différentes choses. Un trou noir est une solution particulière aux équations d'Einstein de la relativité générale, et cette solution vient de poser la question "Si je prends un tas de trucs là-bas et le compacte à des densités incroyablement élevées, que se passe-t-il?" La réponse est que vous obtenez une singularité entourée d'un horizon d'événements. C’est un ensemble particulier de solutions aux mathématiques de ce scénario.
Paul: Mais dans l'univers primitif, nous avons une solution différente - nous avons une chose différente en cours. C’est un univers différent. La solution du trou noir est statique - elle est fixe, elle ne change pas avec le temps. C’est une hypothèse en mathématiques. Mais dans le premier univers, les choses changent. C’est un ensemble de questions différent auquel nous essayons de répondre lorsque nous appliquons la relativité générale au premier univers: «Si je remplis l’univers de façon égale avec tout un tas de choses, que fait l’univers entier?» C'est une question différente de celle que nous posons sur les trous noirs, et nous obtenons donc une réponse différente. Donc, même si nous avons cette densité incroyablement élevée, la solution mathématique la décrivant, parce que nous décrivons l'évolution temporelle de l'univers, nous obtenons des réponses différentes de celles que nous obtenons pour les bits du trou noir. Et quand il s'agit de l'univers primitif - lorsque vous le remplissez uniformément avec un tas de trucs et demandez ce que diable arrive à l'univers, il n'y a que deux réponses. Soit la substance dans l'univers provoque l'effondrement et la contraction de la substance, soit la substance dans l'univers provoque l'expansion de l'univers. Et cela dépend de la composition de l'univers, et il s'avère, assez facilement, que l'univers est fait du genre de choses qui le font se développer. C'est cette composante de l'évolution du temps ici qui est importante - qui établit la différence entre ce qui se passe dans le premier univers et ce qui se passe dans un trou noir.
3. Des trous noirs auraient-ils pu se former dans l'Univers ancien à cause de sa densité si élevée?
Paul: Oh oui, très intelligent, Fraser. Je vois où tu vas avec ça. Avec des densités incroyablement élevées, vous vous demandez peut-être qu'un petit morceau de l'univers s'est pincé et a fait un trou noir. Peut-être dans ces premières microsecondes. Et pourquoi ce trou noir n'aurait-il pas pu s'étendre pour consommer le reste de l'univers? Et la clé ici n'est pas la densité, mais les différences de densité. Ce qui sépare un trou noir de moi, c'est qu'il est beaucoup plus dense que moi, ou du moins je l'espère. C’est ce qui en fait un trou noir. C'est beaucoup plus dense que son environnement. Mais pour faire cette forme de trou noir, vous deviez avoir un peu de trucs supplémentaires comme dans une poche, comme un nuage de gaz supplémentaire ou une étoile, une densité un peu plus élevée que la normale. Ensuite, la gravité peut fonctionner et commencer à attirer plus de choses, et plus de choses, et plus, à construire et à construire jusqu'à ce que vous obteniez l'effondrement gravitationnel qui mène à un trou noir.
Paul: Mais dans l'univers primitif, tout était uniforme. Il n'y avait aucune différence de gravité. Oui, c'était une densité incroyablement élevée, mais si vous pouviez être transporté là-bas et survivre, vous ne ressentiriez aucune attraction gravitationnelle nulle part car chaque direction est de la même densité. Vous êtes entouré de la même quantité de choses dans toutes les directions - il n'y a pas de gravité. Tout s'annule. Il n'y a donc aucune possibilité pour qu'un trou noir se forme parce qu'un endroit dans l'univers n'est pas plus dense que n'importe quel autre, donc toute la gravité s'annule et vous n'obtenez rien. Pas de trou noir - ils n'entrent en scène que beaucoup, beaucoup plus tard dans l'évolution de l'univers, et à ce moment-là, l'univers est si grand, les trous noirs ne peuvent pas affecter l'évolution globale.
4. En ce moment, l'univers est en expansion - va-t-il un jour s'effondrer?
Paul: Oui, beaucoup d'astrophysiciens et de cosmologistes s'inquiètent il y a des décennies - nous pensions que oui, peut-être que l'univers est en expansion maintenant, mais peut-être qu'il y a un peu trop de choses en lui - peut-être que l'expansion ralentira, s'arrêtera et ensuite inverser, puis nous nous retrouverions dans ce scénario de big crunch massif, à l'opposé du Big Bang.
Paul: Mais il s'avère que l'énergie sombre est là, et l'énergie sombre accélère l'expansion de l'univers, donc non seulement l'univers s'agrandit de plus en plus chaque jour, mais il devient de plus en plus rapide chaque jour. Et ça, ça craint un peu.
Cela semble assez ouvert et fermé, mais il y a plus à ce voyage. Si vous preniez la masse et l'énergie de l'Univers entier et le transformiez en un trou noir, il aurait presque la même densité exacte que l'Univers lui-même, et un horizon d'événements plus grand que l'Univers observable.
Cela signifie-t-il donc que nous vivons en fait dans un trou noir? Pouvons-nous faire la différence?
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