La théorie du multivers, qui stipule qu'il peut y avoir plusieurs ou même un nombre infini d'univers, est un concept séculaire en cosmologie et en physique théorique. Bien que le terme remonte à la fin du 19e siècle, la base scientifique de cette théorie est née de la physique quantique et de l'étude des forces cosmologiques comme les trous noirs, les singularités et les problèmes découlant de la théorie du Big Bang.
L'une des questions les plus brûlantes en ce qui concerne cette théorie est de savoir si la vie pourrait ou non exister dans plusieurs univers. Si en effet les lois de la physique changent d'un univers à l'autre, qu'est-ce que cela pourrait signifier pour la vie elle-même? Selon une nouvelle série d'études d'une équipe de chercheurs internationaux, il est possible que la vie soit commune à travers le Multivers (si elle existe réellement).
Les études, intitulées «L'impact de l'énergie sombre sur la formation des galaxies. Quel avenir pour notre univers? » et "L'efficacité de la formation des galaxies et l'explication multivers de la constante cosmologique avec les simulations EAGLE", sont récemment apparus dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. L’ancienne étude a été dirigée par Jaime Salcido, un étudiant de troisième cycle à l’université de Durham.
Ce dernier était dirigé par Luke Barnes, chercheur John Templeton à l'Université de Sydney. Institut de Sydney pour l'astronomie. Les deux équipes comprenaient des membres du Centre international de recherche en radioastronomie de l'Université d'Australie-Occidentale, de l'Institut de recherche en astrophysique de l'Université John Moores de Liverpool et de l'Observatoire de Leiden de l'Université de Leiden.
Ensemble, l'équipe de recherche a cherché à déterminer comment l'expansion accélérée du cosmos aurait pu affecter le taux de formation d'étoiles et de galaxies dans notre univers. Ce taux d'expansion accéléré, qui fait partie intégrante du modèle de cosmologie Lambda-Cold Dark Matter (Lambda-CDM), découle des problèmes posés par la théorie de la relativité générale d'Einstein.
En conséquence des équations de champ d'Einstein, le physicien a compris que l'Univers serait soit dans un état d'expansion ou de contraction depuis le Big Bang. En 1919, Einstein a répondu en proposant la «constante cosmologique» (représentée par Lambda), qui était une force qui «retenait» les effets de la gravité et garantissait ainsi que l'Univers était statique et immuable.
Peu de temps après, Einstein a rétracté cette proposition quand Edwin Hubble a révélé (sur la base de mesures de décalage vers le rouge d'autres galaxies) que l'Univers était en effet dans un état d'expansion. Apparemment, Einstein est même allé jusqu'à déclarer la constante cosmologique «la plus grosse erreur» de sa carrière. Cependant, les recherches sur l'expansion cosmologique à la fin des années 1990 ont fait réévaluer sa théorie.
En bref, des études en cours sur l'Univers à grande échelle ont révélé qu'au cours des 5 derniers milliards d'années, l'expansion cosmique s'est accélérée. En tant que tels, les astronomes ont commencé à émettre l'hypothèse de l'existence d'une force mystérieuse et invisible qui conduisait cette accélération. Populairement connue sous le nom d '«énergie sombre», cette force est également appelée la constante cosmologique (CC) car elle est responsable de la lutte contre les effets de la gravité.
Depuis ce temps, les astrophysiciens et les cosmologistes ont cherché à comprendre comment l'énergie noire pouvait avoir affecté l'évolution cosmique. C'est un problème car nos modèles cosmologiques actuels prédisent qu'il doit y avoir plus d'énergie sombre dans notre univers que ce qui a été observé. Cependant, la prise en compte de plus grandes quantités d'énergie sombre entraînerait une expansion si rapide qu'elle diluerait la matière avant que des étoiles, des planètes ou la vie ne se forment.
Pour la première étude, Salcido et l'équipe ont donc cherché à déterminer comment la présence de plus d'énergie noire pourrait affecter le taux de formation d'étoiles dans notre univers. Pour ce faire, ils ont réalisé des simulations hydrodynamiques à l'aide du projet EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments) - l'une des simulations les plus réalistes de l'Univers observé.
À l'aide de ces simulations, l'équipe a examiné les effets que l'énergie noire (à sa valeur observée) aurait sur la formation des étoiles au cours des 13,8 milliards d'années et 13,8 milliards d'années supplémentaires dans le futur. À partir de cela, l'équipe a développé un modèle analytique simple qui a indiqué que l'énergie sombre - malgré la différence dans le taux d'expansion cosmique - aurait un impact négligeable sur la formation des étoiles dans l'Univers.
Ils ont en outre montré que l'impact de Lambda ne devient significatif que lorsque l'Univers a déjà produit la majeure partie de sa masse stellaire et ne provoque que des diminutions de la densité totale de la formation d'étoiles d'environ 15%. Comme l'a expliqué Salcido dans un communiqué de presse de l'Université de Durham:
«Pour de nombreux physiciens, la quantité inexpliquée mais apparemment spéciale d'énergie sombre dans notre univers est un casse-tête frustrant. Nos simulations montrent que même s'il y avait beaucoup plus d'énergie sombre ou même très peu dans l'Univers, cela n'aurait qu'un effet minime sur la formation des étoiles et des planètes, ce qui laisse entrevoir la possibilité que la vie puisse exister dans le Multivers. »
Pour la deuxième étude, l'équipe a utilisé la même simulation de la collaboration EAGLE pour étudier l'effet de divers degrés de CC sur la formation des galaxies et des étoiles. Cela consistait à simuler des univers qui avaient des valeurs Lambda allant de 0 à 300 fois la valeur actuelle observée dans notre univers.
Cependant, puisque le taux de formation d'étoiles de l'Univers a culminé à environ 3,5 milliards d'années avant le début de l'expansion accélérée (environ 8,5 milliards d'années et 5,3 milliards d'années après le Big Bang), les augmentations du CC n'ont eu qu'un faible effet sur le taux. de formation d'étoiles.
Prises ensemble, ces simulations ont indiqué que dans un multivers, où les lois de la physique peuvent différer considérablement, les effets d'une expansion cosmique accélérée plus sombre n'auraient pas d'impact significatif sur les taux de formation d'étoiles ou de galaxies. Cela, à son tour, indique que d'autres univers du multivers seraient à peu près aussi habitables que le nôtre, du moins en théorie. Comme l'explique le Dr Barnes:
«Le Multivers était auparavant pensé pour expliquer la valeur observée de l'énergie sombre comme loterie - nous avons un ticket porte-bonheur et vivons dans l'Univers qui forme de belles galaxies qui permettent la vie telle que nous la connaissons. Notre travail montre que notre ticket semble un peu trop chanceux, pour ainsi dire. C'est plus spécial que nécessaire pour la vie. C'est un problème pour le Multivers; un puzzle reste. "
Cependant, les études de l'équipe ont également mis en doute la capacité de la théorie des multivers à expliquer la valeur observée de l'énergie noire dans notre univers. Selon leurs recherches, si nous vivons dans un multivers, nous observerions jusqu'à 50 fois plus d'énergie noire que ce que nous sommes. Bien que leurs résultats n'excluent pas la possibilité du multivers, la petite quantité d'énergie noire que nous avons observée serait mieux expliquée par la présence d'une loi de la nature non encore découverte.
Comme l'a expliqué le professeur Richard Bower, membre de l'Institut de cosmologie computationnelle de l'Université de Durham et co-auteur de l'article:
«La formation d'étoiles dans un univers est une bataille entre l'attraction de la gravité et la répulsion de l'énergie sombre. Nous avons découvert dans nos simulations que des univers avec beaucoup plus d'énergie noire que la nôtre peuvent heureusement former des étoiles. Alors pourquoi une si petite quantité d'énergie sombre dans notre univers? Je pense que nous devrions chercher une nouvelle loi de la physique pour expliquer cette étrange propriété de notre univers, et la théorie du multivers ne fait pas grand-chose pour sauver l'inconfort des physiciens. »
Ces études sont opportunes car elles viennent dans la foulée de la théorie finale de Stephen Hawking, qui jette le doute sur l’existence du Multivers et propose à la place un Univers fini et raisonnablement lisse. Fondamentalement, les trois études indiquent que le débat sur la question de savoir si nous vivons ou non dans un multivers et le rôle de l'énergie noire dans l'évolution cosmique est loin d'être terminé. Mais nous pouvons espérer que les missions de prochaine génération fourniront des indices utiles à l'avenir.
Il s'agit notamment de la Télescope spatial James Webb (JWST), le Télescope infrarouge à champ large (WFIRST), et des observatoires terrestres comme le Tableau kilométrique carré (SKA). En plus d'étudier les exoplanètes et les objets de notre système solaire, ces missions seront consacrées à l'étude de la formation des premières étoiles et galaxies et à la détermination du rôle joué par l'énergie noire.
De plus, toutes ces missions devraient recueillir leur première lumière dans le courant des années 2020. Alors restez à l'écoute, car plus d'informations - avec des implications cosmologiques - arriveront dans quelques années!
