La constante cosmologique est une constante sans dimension qui a été introduite dans les équations de la théorie générale de la relativité par Albert Einstein (1917) pour contrecarrer les forces de gravité dans l’univers.
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Compilation de la RMT
Entre 1915 et 1916, A. Einstein a publié sa plus grande œuvre, la théorie de la gravitation la plus aboutie, qui est devenue le fondement de la cosmologie, utilisée jusqu’à aujourd’hui, y compris par l’Union astronomique internationale — la théorie générale de la relativité (GTR). Dans cette théorie, Einstein a dérivé une équation qui relie la courbure de l’espace-temps à la matière, la substance qui remplit la région courbée considérée. Comme la plupart des physiciens théoriques, le grand scientifique a cherché à réduire son équation à la forme la plus simple possible, ce qu’il a réussi à faire.
Alors qu’il travaillait sur la GR, Einstein a remarqué un inconvénient : selon ses équations, l’Univers devrait soit se dilater, soit se contracter, ce qui contredisait les observations astronomiques et les idées de l’époque sur l’Univers. C’est pourquoi il a introduit un multiplicateur supplémentaire, une constante sans dimension, dont la tâche était de résister aux forces de gravité, à la gravitation, c’est-à-dire d’agir dans la direction opposée. Ainsi, A.Einstein a pu obtenir une solution pour un Univers statique et immuable. La valeur de la constante cosmologique, autrement appelée Lambda-member (en raison de la désignation de la constante par la lettre grecque Lambda), était supposée suffisamment petite pour ne pas remarquer sa manifestation dans la nature.
Le trou noir est une autre découverte de la théorie de la relativité
Le modèle de Friedman et l’échec du terme Lambda.
En 1922, l’éminent physicien soviétique Alexander Friedman a publié un article scientifique décrivant un modèle non stationnaire de l’univers. Sur la base des équations de la GR, Friedman a dérivé plusieurs équations qui, en fonction des paramètres retenus, prédisent plusieurs scénarios d’évolution de l’Univers. Dans le cas de la valeur de la constante cosmologique, il existe trois options, chacune d’entre elles n’envisageant pas un univers stationnaire :
- Λ < 0 – в таком случае имеют место лишь силы притяжения. По этой причине в некоторый момент Вселенная начнет сжиматься.
- Λ >0 — L’Univers est en expansion progressive, le taux d’expansion lui-même augmentant.
- Λ = 0 — l’évolution de l’univers dépend de la valeur initiale de la densité de matière. Par conséquent, il existe également trois variantes de l’évolution des événements : décélération de l’expansion et inversion ultérieure en contraction, expansion monotone avec une diminution négligeable de la vitesse, ou expansion infinie.
Scénarios d’évolution de l’univers selon Friedman
Quoi qu’il en soit, le modèle cosmologique de Friedmann a d’abord été critiqué par A.Einstein, car dans le cas d’un univers en évolution, la constante cosmologique pouvait être supprimée des équations de la RG sans conséquences. Quelques années plus tard, en 1927, l’astronome belge Georges Lemaître, observant des galaxies de différentes distances, a déterminé que l’Univers était en expansion. Plus tard encore, en 1929, l’astrophysicien américain Edwin Hubble a formulé sa loi éponyme décrivant l’expansion de l’Univers, qu’il a également pu déterminer par le décalage vers le rouge du spectre des galaxies. À la suite de ces découvertes, A.Einstein a été contraint d’accepter le modèle de l’Univers de Friedmann. Depuis lors, le terme Lambda n’a pas été pris en compte dans les équations de la géométrie générale dans les échelles de la cosmologie, et dans d’autres domaines, il n’a pas apporté de contribution notable aux équations, et n’a donc été introduit qu’en relation avec les opinions esthétiques des scientifiques eux-mêmes.
Accélération de l’expansion et retour du membre Lambda
En 1998, deux groupes indépendants de scientifiques observant des supernovae dans d’autres galaxies ont constaté que la distance de ces étoiles était beaucoup plus grande que celle prévue par la loi de Hubble. Cela a conduit à la conclusion que l’Univers se dilate à un rythme croissant, c’est-à-dire qu’il s’accélère. Auparavant, on pensait que l’expansion de l’univers ralentissait (Λ = 0) en raison de la présence de matière et de la gravité. Peu après d’autres observations aboutissant à une conclusion similaire, les scientifiques ont acquis la conviction qu’il existait une énergie inconnue jusqu’alors qui faisait contrepoids à la gravité. Cette énergie a été baptisée énergie noire.
L’expansion accélérée de l’Univers. Graphique de croissance de la distance
Afin de rendre cette découverte compatible avec la RG, les scientifiques ont réintégré le terme Lambda dans les équations d’Einstein, tout en indiquant que sa valeur était positive. Ainsi, l’énergie noire est étroitement liée à la constante cosmologique. D’autres tentatives pour décrire la nature de l’énergie noire ont conduit les physiciens à constater que le terme Lambda n’est pas simplement un multiplicateur supplémentaire introduit dans les équations de la RGT pour réconcilier la construction théorique avec les observations. L’explication la plus simple de l’énergie noire met en avant le fait que tout volume d’espace possède une certaine énergie inhérente, appelée «énergie pure du vide», et que la constante cosmologique agit comme la densité de cette énergie. Ainsi, Albert Einstein, qui a un jour qualifié le membre Lambda de «plus grande erreur» de toute sa carrière scientifique, a indirectement prédit la présence d’une énergie conduisant à l’expansion accélérée de l’Univers.
Il convient également de mentionner que, comme les scientifiques l’ont découvert après la mort d’Einstein, la constante cosmologique a permis à l’univers d’exister dans un état stable, mais seulement pendant un certain temps, sous certaines conditions. Au moindre changement dans ces conditions, le processus de compression ou d’expansion de l’univers s’enclenche.
Modèle visuel de l’expansion de l’Univers depuis le Big Bang
La constante cosmologique aujourd’hui
C’est dans les domaines de la physique quantique et de la cosmologie que la constante cosmologique apporte sa plus grande contribution à la science. Ainsi, sur la base du modèle cosmologique de Friedmann, s’est formé le modèle moderne de l’Univers, appelé Lambda-CDM, où la constante cosmologique fait partie intégrante de la construction théorique et décrit les propriétés de l’énergie noire.
Cependant, malgré sa contribution, la signification exacte de la constante cosmologique reste en question. Ce problème a même une expression bien établie en physique : le «problème de la constante cosmologique», qui consiste en ce que la valeur du terme Lambda s’avère être prédite théoriquement par la physique quantique, mais que cette valeur sera impensablement grande. Avec une telle constante cosmologique, l’énergie du vide provoquerait une expansion de l’Univers si rapide que même des structures comme les galaxies ne pourraient pas se former. Pour la formation de ces dernières, la valeur du membre Lambda devrait être inférieure d’au moins 120 ordres de grandeur (c’est-à-dire 10 120 fois).
La confusion est d’autant plus grande que la valeur de la constante cosmologique obtenue lors de l’étude de l’effet de l’éclatement des galaxies est relativement faible. L’une des solutions à ce problème consiste à supposer qu’en plus de l’énergie du vide, la constante cosmologique contribue à un autre sommand inexploré, une valeur inconnue.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023