L'origine quantique des galaxies et la forme des galaxies

L'origine quantique des galaxies et la forme des galaxies

Jeudi, Janvier 18, 2024 Cosmos Sciences

L'étude de l'univers et du cosmos a toujours été un sujet fascinant pour les scientifiques. Depuis les années 1920, de nombreux chercheurs ont exploré les mystères de l'origine de l'univers et de la formation des galaxies. Grâce aux avancées de la cosmologie moderne, nous avons maintenant une meilleure compréhension de l'origine quantique des galaxies et de l'impact de cette origine sur leur forme et leur distribution dans l'espace.

Les prémices de la cosmologie quantique

Au début du XXe siècle, des physiciens tels que Georges Lemaître et Georges Gamow ont commencé à explorer les idées de la cosmologie quantique. Ils ont remis en cause l'existence fondamentale de l'espace-temps dans le monde quantique et ont proposé que l'expansion de l'univers observable ait été précédée par un "atome primitif" - un objet quantique sans véritable extension dans l'espace et le temps. Selon cette théorie, cet atome primitif aurait effectué une sorte de saut quantique dans l'espace-temps réel, créant ainsi l'espace-temps lui-même et donnant naissance aux particules de matière que nous observons autour de nous.

Dans les années 1940, Georges Gamow, en collaboration avec Robert Herman et Ralph Alpher, a développé l'idée d'un état initial analogue à un gaz de neutrons formant un noyau atomique. Ce liquide chaud se désintègre par radioactivité bêta en donnant des protons et des électrons. Cependant, ces idées n'étaient pas largement acceptées par la communauté scientifique de l'époque, qui préférait le modèle de la cosmologie stationnaire proposé par Hoyle, Bondi et Gold.

Les fluctuations quantiques et l'inflation cosmique

Tout a changé avec la découverte du rayonnement fossile en 1965. Andrei Sakharov et Yakov Zeldovich ont alors envisagé un "Big Bang froid", où l'univers aurait commencé par un liquide de matière nucléaire plutôt que par un gaz chaud. Sakharov a également suggéré l'existence de fluctuations quantiques dans l'état initial dense du Big Bang, qui seraient à l'origine de la distribution inhomogène de la matière et des germes d'étoiles ou de galaxies.

Au début des années 1980, la cosmologie inflationniste, proposée par Alexeï Starobinski et Alan Guth, a gagné en popularité. Cette théorie postule une phase d'expansion exponentiellement rapide et transitoire de l'univers peu après le Big Bang. Viatcheslav Mukhanov et Gennady Chibisov ont découvert que les fluctuations quantiques, amplifiées par cette phase d'inflation, pourraient devenir des surdensités de matière qui s'effondreraient gravitationnellement pour former les futures galaxies. Ces résultats ont été indépendamment confirmés par Stephen Hawking.

Les preuves expérimentales de l'origine quantique des galaxies

Depuis la découverte du rayonnement fossile, de nombreuses expériences, telles que le WMap et le Planck, ont mesuré les fluctuations de température de ce rayonnement. Ces mesures ont confirmé l'hypothèse des fluctuations quantiques à l'origine de la formation des galaxies. Cependant, la preuve de l'existence d'une phase d'inflation dans l'histoire de l'univers reste encore à être établie de manière concluante.

En 1985, Mukhanov a développé un formalisme rigoureux pour décrire les perturbations de densité dans de nombreux modèles inflationnistes. Cela a ouvert la voie à de nombreuses études sur les propriétés statistiques des fluctuations primordiales, qui ont semé la formation de la structure de l'univers entier.

Les formes des galaxies et leur origine quantique

Les galaxies sont le résultat des fluctuations de densité qui se sont formées au tout début de l'histoire de l'univers observable. Au fil du temps, ces galaxies interagissent entre elles, fusionnent et évoluent. Par exemple, les galaxies elliptiques sont le résultat de fusions entre des galaxies spirales.

Des chercheurs de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'Univers (IPMU) au Japon ont récemment analysé les corrélations entre les distributions et les formes des galaxies. En combinant des données spectroscopiques de la distribution spatiale des galaxies avec des données d'imagerie des formes individuelles des galaxies, ils ont pu poser des contraintes sur les propriétés statistiques des fluctuations primordiales à l'origine de la structure de l'univers.

L'objectif de cette étude était d'évaluer l'existence de fluctuations dites non gaussiennes, qui pourraient indiquer une nouvelle physique derrière l'inflation. Les chercheurs n'ont cependant trouvé aucune trace de ces fluctuations, ce qui suggère que leur présence est au moins plus faible que la valeur mesurée actuellement.

Conclusion

L'étude de l'origine quantique des galaxies et de la forme des galaxies est un domaine passionnant de la cosmologie moderne. Grâce aux avancées de la cosmologie quantique et de l'inflation cosmique, nous avons pu mieux comprendre comment les fluctuations quantiques à l'origine de l'univers ont semé la formation des galaxies. Les preuves expérimentales, telles que les mesures des fluctuations de température du rayonnement fossile, ont confirmé ces théories, bien que la preuve de l'existence d'une phase d'inflation reste encore à établir de manière concluante. Les recherches futures dans ce domaine nous aideront à approfondir notre compréhension de l'origine et de l'évolution des galaxies, ainsi que de l'univers dans son ensemble.

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