Si vous cliquez sur cette image, vous verrez une image zoomable de la Voie lactée avec 84 millions d’étoiles :

Mais les étoiles ne contribuent qu’à une infime partie de l’entropie totale de l’Univers observable. Si c’est de l’information aléatoire que vous voulez, cherchez ailleurs !

Premièrement : qu’est-ce que l' »Univers observable », exactement ?

Plus on regarde loin dans l’Univers, plus on regarde loin dans le temps. Vous ne pouvez pas voir à travers le gaz chaud de 380 000 ans après le Big Bang. Ce « mur de feu » marque les limites de l’Univers observable.

Mais au fur et à mesure de l’expansion de l’Univers, les étoiles anciennes et le gaz que nous voyons se sont éloignés encore plus, de sorte qu’ils ne sont plus observables. Ainsi, ce que l’on appelle « l’Univers observable » est en réalité « l’Univers anciennement observable ». Son bord se trouve maintenant à 46,5 milliards d’années-lumière !

Ceci est vrai même si l’Univers n’a que 13,8 milliards d’années. Un défi standard dans la compréhension de la relativité générale est de comprendre comment cela est possible, étant donné que rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière.

Quel est le nombre total d’étoiles dans l’Univers observable ? Les estimations augmentent au fur et à mesure que les télescopes s’améliorent. Actuellement, les gens pensent qu’il y a entre 100 et 400 milliards d’étoiles dans la Voie lactée. Ils pensent qu’il y a entre 170 milliards et 2 trillions de galaxies dans l’Univers.

En 2009, Chas Egan et Charles Lineweaver ont estimé l’entropie totale de toutes les étoiles de l’Univers observable à 1081 bits. Il faut les considérer comme des qubits : c’est la quantité d’information pour décrire l’état quantique de tout ce qui se trouve dans toutes ces étoiles.

Mais l’entropie des gaz et des poussières interstellaires et intergalactiques est environ dix fois supérieure à l’entropie des étoiles ! Elle est d’environ 1082 bits.

L’entropie de tous les photons de l’Univers est encore plus importante ! L’Univers est plein de radiations laissées par le Big Bang. Les photons de l’Univers observable laissés par le Big Bang ont une entropie totale d’environ 1090 bits. C’est ce qu’on appelle le « rayonnement de fond cosmologique ».

Les neutrinos du Big Bang portent également environ 1090 bits – un peu moins que les photons. Les gravitons en portent beaucoup moins, environ 1088 bits. C’est parce qu’ils se sont découplés des autres matières et du rayonnement très tôt, et qu’ils se sont refroidis depuis. D’autre part, les photons du rayonnement de fond cosmologique ont été formés par l’annihilation de paires électron-positron jusqu’à environ 10 secondes après le Big Bang. On s’attend donc à ce que le rayonnement du graviton soit plus froid que le rayonnement de fond micro-ondes : environ 0,6 kelvin contre 2,7 kelvin.

Les trous noirs ont immensément plus d’entropie que tout ce qui a été énuméré jusqu’à présent. Egan et Lineweaver estiment l’entropie des trous noirs de masse stellaire dans l’Univers observable à 1098 bits. Cela est lié à la raison pour laquelle les trous noirs sont si stables : la deuxième loi dit que l’entropie aime augmenter.

Mais l’entropie des trous noirs croît quadratiquement avec la masse ! Les trous noirs ont donc tendance à fusionner et à former des trous noirs plus gros – formant finalement les trous noirs  » supermassifs  » au centre de la plupart des galaxies. Ceux-ci dominent l’entropie de l’Univers observable : environ 10104 bits.

Hawking avait prédit que les trous noirs dissipent lentement leur masse par rayonnement lorsqu’ils se trouvent dans un environnement suffisamment froid. Mais l’Univers est beaucoup trop chaud pour que les trous noirs supermassifs perdent de la masse actuellement. Au lieu de cela, ils grandissent très lentement en mangeant le fond diffus cosmologique, même lorsqu’ils ne mangent pas d’étoiles, de gaz et de poussière.

Donc, ce n’est que dans un avenir lointain que l’Univers se refroidira suffisamment pour que les grands trous noirs commencent à se désintégrer lentement via le rayonnement de Hawking. L’entropie continuera à augmenter… en se transformant principalement en photons et en gravitons ! Ce processus prendra un temps très long. En supposant que rien ne tombe dedans et qu’aucun effet inconnu n’intervienne, un trou noir de masse solaire met environ 1067 ans à s’évaporer par rayonnement de Hawking – tandis qu’un très gros trou noir, comparable à la masse d’une galaxie, devrait prendre environ 1099 ans.

Si nos idées actuelles les plus populaires sur l’énergie sombre sont correctes, l’Univers continuera à s’étendre de manière exponentielle. Grâce à cela, il y aura un horizon des événements cosmologiques entourant chaque observateur, qui émettra un rayonnement de Hawking à une température d’environ 10-30 kelvins.

Dans ce scénario, l’Univers dans un très lointain avenir sera principalement constitué de particules sans masse produites sous forme de rayonnement de Hawking à cette température : les photons et les gravitons. L’entropie au sein de la boule d’espace en expansion exponentielle qu’est aujourd’hui notre « Univers observable » continuera à augmenter de façon exponentielle… mais plus précisément, la densité d’entropie se rapprochera de celle d’un gaz de photons et de gravitons en équilibre thermique à 10-30 kelvins.

Bien sûr, il est fort probable qu’une nouvelle physique apparaisse, d’ici là, qui change la donne ! Je l’espère : ce serait une fin plutôt terne pour l’Univers.

Pour plus de détails, allez ici :

– Chas A. Egan et Charles H. Lineweaver, A larger estimate of the entropy of the universe, The Astrophysical Journal 710 (2010), 1825.

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