Bienvenue dans le troisième et dernier épisode de Cosmology 101. Jusqu'à présent, nous avons couvert l'histoire de l'univers jusqu'à présent. Mais que se passe-t-il ensuite? Comment se terminera notre univers? Et comment pouvons-nous être si sûrs que c'est ainsi que l'histoire s'est déroulée?
Robert Frost a écrit un jour: «Certains disent que le monde se terminera par le feu; certains disent dans la glace. " De même, certains scientifiques ont postulé que l'univers pourrait mourir soit d'une mort cataclysmique dramatique - soit un «Big Rip» ou un «Big Crunch» - soit un «Big Freeze» plus lent et plus progressif. Le destin ultime de notre cosmos a beaucoup à voir avec sa forme. Si l'univers était ouvert, comme une selle, et la densité d'énergie de l'énergie sombre augmentait sans limite, le taux d'expansion du cosmos deviendrait finalement si grand que même les atomes seraient déchirés - un Big Rip. Inversement, si l'univers était fermé, comme une sphère, et La force de la gravité l'emporta sur l'influence de l'énergie sombre, l'expansion vers l'extérieur du cosmos s'arrêtera finalement et s'inversera, s'effondrant sur elle-même dans un Big Crunch.
Malgré la beauté poétique du feu, les observations actuelles favorisent une fin glacée de notre univers - un Big Freeze. Les scientifiques pensent que nous vivons dans un univers spatialement plat dont l'expansion s'accélère en raison de la présence d'énergie sombre; cependant, la densité d'énergie totale du cosmos est très probablement inférieure ou égale à la soi-disant «densité critique», il n'y aura donc pas de Big Rip. Au lieu de cela, le contenu de l'univers finira par dériver de manière prohibitive et les échanges de chaleur et d'énergie cesseront. Le cosmos aura atteint un état d'entropie maximale et aucune vie ne pourra survivre. Déprimant et un peu anti-climatique? Peut-être. Mais il ne sera probablement perceptible que lorsque l'univers aura au moins le double de son âge actuel.
À ce stade, vous pourriez crier: «Comment savons-nous tout cela? N'est-ce pas tout simplement de la spéculation rampante? " Eh bien, tout d'abord, nous savons sans aucun doute que l'univers est en expansion. Les observations astronomiques démontrent constamment que la lumière des étoiles éloignées est toujours décalée vers le rouge par rapport à nous; c'est-à-dire que sa longueur d'onde a été étirée en raison de l'expansion du cosmos. Cela conduit à deux possibilités lorsque vous remontez le temps: soit l'univers en expansion a toujours existé et est infini en âge, soit il a commencé à se développer à partir d'une version plus petite de lui-même à un moment précis dans le passé et a donc un âge fixe. Pendant longtemps, les partisans de la théorie de l'état stable ont approuvé la première explication. Ce n'est que lorsque Arno Penzias et Robert Wilson ont découvert le fond cosmique des micro-ondes en 1965 que la théorie du big bang est devenue l'explication la plus acceptée de l'origine de l'univers.
Pourquoi? Quelque chose d'aussi grand que notre cosmos met un certain temps à se refroidir complètement. Si l'univers, en fait, a commencé avec le genre d'énergies voraces que la théorie du big bang prédit, les astronomes devraient encore voir de la chaleur résiduelle aujourd'hui. Et ils le font: une lueur 3K uniforme uniformément dispersée à chaque point du ciel. Non seulement cela - mais WMAP et d'autres satellites ont observé de minuscules inhomogénéités dans le CMB qui correspondent précisément au spectre initial de fluctuations quantiques prédit par la théorie du big bang.
Quoi d'autre? Jetez un œil aux abondances relatives des éléments lumineux dans l'univers. Rappelez-vous que pendant les premières minutes de la jeune vie du cosmos, la température ambiante était suffisamment élevée pour que la fusion nucléaire se produise. Les lois de la thermodynamique et la densité relative des baryons (c'est-à-dire les protons et les neutrons) déterminent ensemble exactement la quantité de deutérium (hydrogène lourd), d'hélium et de lithium qui pourrait se former à ce moment. En fait, il y a beaucoup plus d'hélium (25%!) Dans notre univers actuel que ce qui pourrait être créé par la nucléosynthèse au centre des étoiles. Pendant ce temps, un univers précoce chaud - comme celui postulé par la théorie du big bang - donne lieu à la exact proportions d'éléments légers que les scientifiques observent dans le Space Magazine.
Mais attendez, il y a plus. La distribution de la structure à grande échelle dans l'univers peut être extrêmement bien cartographiée en se basant uniquement sur les anisotropies observées dans le CMB. De plus, la structure à grande échelle d'aujourd'hui est très différente de celle d'un redshift élevé, impliquant un univers dynamique et évolutif. De plus, l'âge des étoiles les plus anciennes semble correspondre à l'âge du cosmos donné par la théorie du big bang. Comme toute théorie, elle a ses faiblesses - par exemple, le problème d'horizon ou le problème de planéité ou les problèmes d'énergie sombre et de matière noire; mais dans l'ensemble, les observations astronomiques correspondent beaucoup plus étroitement aux prédictions de la théorie du big bang qu'à toute idée rivale. Jusqu'à ce que cela change, il semble que la théorie du big bang soit là pour rester.
