L'univers est-il considéré comme plat?

J'ai lu divers articles et livres (comme celui-ci ) déclarant que nous ne sommes pas certains de la géométrie de l'univers, mais il y avait des expériences en cours ou prévues qui pourraient nous aider à le découvrir.

Récemment cependant, j'ai regardé une conférence du cosmologiste Lawrence Krauss où il semble affirmer catégoriquement que l'univers s'est avéré plat par l' expérience BOOMERanG . Voici la partie pertinente de l'exposé .

J'ai regardé autour de moi et il y a encore des articles indiquant que nous ne connaissons toujours pas la réponse à cette question, comme celle-ci .

Donc, ma question est double:

1. Suis-je en train de mélanger des concepts et de parler de différentes choses?
2. Sinon, ces preuves ne sont-elles pas largement acceptées pour une raison quelconque? Quelle en serait la raison?

Je pense que la raison pour laquelle vous souffrez de sources conflictuelles est que vous mélangez des informations nouvelles et anciennes, obsolètes. Tout d'abord, le livre que vous avez cité a été publié en 2001 - il y a 15 ans - et l'autre article que vous citez a été publié en 1999 - il y a 17 ans. Il y a eu beaucoup de travail effectué au cours des 15 dernières années, souvent sous le terme « cosmologie de précision », dans une tentative de vraiment clouer le contenu précis, la forme, la taille, etc. de notre Univers. Au début des années 2000, nous connaissions à peu près la science derrière tout (nous connaissions la matière noire, l'énergie noire, avions des théories bien développées sur le Big Bang, etc.) mais ce que nous n'avions pas, c'était de bons chiffres solides et crédibles. à mettre dans ces théories, expliquant pourquoi la planéité de l'univers était encore contestée dans vos sources.

Je vous dirigerai vers deux observatoires incroyablement importants qui ont joué un rôle primordial dans la réalisation de notre objectif d'avoir de «bons chiffres». Le premier est le Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) , lancé en 2001, et le second est le satellite Planck , lancé en 2009. Les deux missions ont été conçues pour regarder attentivement le rayonnement du fond cosmique micro-ondes (CMB) et essayer de trier le trésor d'informations que l'on peut en tirer. Dans cette veine, vous pourriez également tomber sur le Cosmic Background Explorer (COBE), lancé en 1989. Ce satellite avait un objectif similaire aux deux autres, mais n'était pas aussi précis que les deux dernières missions pour nous fournir de bons chiffres et des déclarations définitives au début des années 2000. Pour cette raison, je vais surtout me concentrer sur ce que WMAP et Planck nous ont dit.

WMAP a été une mission extrêmement réussie qui a regardé le CMB pendant 9 ans et a créé la carte la plus détaillée et la plus complète de son époque. Avec 9 ans de données, les scientifiques ont vraiment pu réduire les erreurs d'observation sur diverses quantités cosmologiques, y compris la planéité de l'univers. Vous pouvez voir un tableau de leurs paramètres cosmologiques finaux ici . Pour la planéité, ce que vous voulez faire, c'est additionner (la densité de matière baryonique), (la densité de matière noire) et (la densité d'énergie sombre). Cela vous donnera le paramètre de densité globale , , qui vous indique la planéité de notre univers. Comme je suis sûr que vous le savez de vos sources, siΩ d Ω Λ Ω 0 Ω 0 < 1 Ω 0 = 1 Ω 0 > 1 Ω 0 = 1.000 ± 0.049 $\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$$\Omega_0 < 1$ nous avons un univers hyperbolique, si notre univers est plat, et implique un univers sphérique. D'après les résultats de WMAP, nous avons que (quelqu'un peut vérifier mes calculs) qui est très proche de un, indiquant un univers plat. Pour autant que je sache, WMAP a été le premier instrument à donner une mesure vraiment précise de , nous permettant de dire définitivement que notre univers apparaît plat. Comme vous le dites, l'expérience BOOMERanG a également fourni de bonnes preuves à ce sujet, mais je ne pense pas que les résultats étaient presque aussi puissants que ceux de WMAP.$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$

L'autre satellite important ici est Planck. Lancé en 2009, ce satellite nous a fourni les meilleures mesures de haute précision du CMB à ce jour. Je vous laisse creuser leurs résultats dans leur article , mais la punchline est qu'ils mesurent la planéité de notre univers pour être (calculé à partir de ce tableau de résultats ), encore une fois extrêmement proche de un.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

En conclusion, les résultats récents (au cours des 15 dernières années) nous permettent d'affirmer définitivement que notre Univers apparaît plat. Je ne pense pas, à l'heure actuelle, que quiconque conteste ou pense que cela reste incertain. Comme c'est généralement le cas avec la science, répondre à une question n'a donné lieu qu'à plus de questions. Maintenant que nous connaissons , nous devons nous demander pourquoi est-ce un? La théorie actuelle suggère que cela ne devrait pas être - qu'il devrait être extrêmement petit ou extrêmement grand. C'est ce qu'on appelle le problème de planéité . Cela à son tour plonge dans le principe anthropique comme une tentative de réponse, mais ensuite, je sors de la portée de cette question.$\Omega_0 \simeq 1$

Les hypothèses de base du principe cosmologique signifient que l'espace ne peut avoir qu'une courbure scalaire constante. Cela peut être positif, négatif ou nul et un univers plat est celui où la courbure est nulle.

La courbure de l'espace est quelque chose qui peut être mesurée et la valeur actuelle est connue pour être proche de zéro , non seulement à partir de BOOMERanG, mais à partir d'observations ultérieures . La cosmologie Vanilla FLRW a du mal à l'expliquer et elle est connue sous le nom de problème de planéité . Cependant, la vision conventionnelle est que l'inflation cosmique fait un travail très soigné pour résoudre ce problème.

Cependant, un univers vraiment plat doit avoir une courbure spatiale d'exactement zéro à grande échelle, donc pour vraiment déterminer si l'univers est plat, même en utilisant un certain nombre d'hypothèses raisonnables nécessite une mesure exacte, ce qui est impossible. L'observation ne peut donc jamais exclure la possibilité que l'Univers ait une très petite courbure positive ou négative.

De plus, si vous relâchez légèrement le principe cosmologique de son interprétation la plus stricte, la courbure scalaire ne détermine pas complètement la topologie de l'Univers, ouvrant la porte à des topologies dites exotiques. Par exemple, un univers plat pourrait avoir une topologie toroïdale et être compact (de volume spatial fini).

Vous demandez "Suis-je en train de mélanger des concepts et de parler de différentes choses?" Je n'ai aucun moyen de savoir si vous êtes ou non, mais le titre de votre message et la première phrase sont quelque peu en désaccord. Votre question "L'univers est-il considéré comme plat?" concerne la courbure, qui, par elle-même, ne détermine pas complètement la géométrie, tandis que la déclaration "nous ne sommes pas certains de la géométrie de l'univers, mais il y avait des expériences en cours ou prévues qui nous aideraient à découvrir" pourrait parler de quelque chose plus général.

Le premier de vos liens est vers le livre de Jeffrey Weeks, The Shape of Space , qui concentre beaucoup d'attention sur la topologie de l'espace. Le tableau 19.1 à la page 186 répertorie certaines topologies possibles pour les cas d'espace à courbe positive, plate et à courbe négative. La même page contient la déclaration surprenante "Lorsque la première édition de ce livre est apparue en 1985, de nombreux cosmologistes ignoraient complètement les variétés fermées à géométrie plate ou hyperbolique." Je suis curieux de savoir si cette description est juste.

À la page précédente de ce livre (page 185), les preuves, à partir de 2001, d'une géométrie plate sont brièvement décrites. En particulier, il y a la déclaration que "de nouvelles données (provenant d'études de supernovas lointains et du rayonnement de fond micro-ondes cosmique) montrent clairement que l'univers visible n'est pas hyperbolique, mais plat." La même page contient la question "L'univers est-il fermé ou ouvert? En d'autres termes, l'espace est-il fini ou infini?" et la réponse "Bref, nous ne savons pas." Les deux derniers chapitres de l'ouvrage traitent de la «cristallographie cosmique» et des «cercles dans le ciel», deux approches d'observation proposées de la topologie de l'univers.

Apparemment, le travail dans la topologie de l'univers continue d'être actif. Scholarpedia contient une revue récente .

Oui, il est considéré comme étant spatialement plat sur les plus grandes échelles que nous pouvons observer, mais nous devons nous rappeler que les mesures scientifiques comportent des incertitudes et que nos modèles peuvent être remplacés par de meilleurs. À l'heure actuelle, nous avons des observations qui disent que l'univers est spatialement plat à un degré élevé de précision, mais il y a encore une marge de manœuvre pour qu'il soit légèrement incurvé que nous ne pouvons pas exclure. De plus, nous ne pouvons observer que la partie de l'univers que nous pouvons voir, nous ne pouvons pas savoir que le reste de l'univers a la même courbure que notre partie. Nous avons une compréhension théorique qu'il serait très difficile pour l'univers d'être proche de plat, sans être extrêmement proche de plat, donc nous nous attendons à ce qu'il soit extrêmement proche de plat. Mais les théories peuvent être remplacées et le sont généralement,exactement plat.

Mais en fin de compte, nous avons à la fois de très bonnes observations et une bonne théorie (la théorie de l'inflation et le fait que la planéité est instable avec l'âge sous la relativité générale), qui conviennent que l'univers sur les plus grandes échelles que nous pouvons observer est très proche de spatialement plat. Par conséquent, nous pouvons créer un modèle dans lequel il est plat et utiliser ce modèle avec succès. C'est tout ce que vous obtenez en science.

Juste pour ajouter à la réponse de @zephyr, LISA a tiré 3 lasers dans l'espace pour former un triangle afin de mesurer la planéité de l'espace: si la somme des 3 angles est exactement égale à 180 degrés, alors l'espace est plat; la déviation de 180 degrés vous indique combien l'espace est courbé et l'orientation de la courbure. Mais si la taille de l'espace est trop petite, les angles totaliseront exactement 180 degrés; c'est comme regarder la surface de la Terre et penser qu'elle semble plate lorsqu'elle est en fait ronde. LISA mesurait exactement 180 degrés, donc soit l'espace est en fait plat, soit nous pouvons contraindre la courbure de l'espace à plus grande échelle avec des barres d'erreur.

EDIT: C'est LISA, pas WMAP, qui a fait l'expérience laser. Merci à @zephyr pour la correction.