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Une expérience gravitationnelle sur une petite table de cuisine pourrait révolutionner la physique

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Une expérience gravitationnelle sur une petite table de cuisine pourrait révolutionner la physique

Il y a un peu plus d'une semaine, des physiciens européens Annoncer Ils ont mesuré la force de gravité à la plus petite échelle jamais réalisée.

Dans une expérience intelligente sur table, des chercheurs de l'Université de Leiden aux Pays-Bas, de l'Université de Southampton au Royaume-Uni et de l'Institut de photonique et de nanotechnologie en Italie ont mesuré une force d'environ 30 tonnes sur une particule d'une masse d'un peu moins d'un demi-milligramme. . Un newton est un milliardième de milliardième de newton, qui est l’unité standard de force.

Des chercheurs Il dit Ces travaux pourraient « révéler davantage de secrets sur la structure de l’univers » et constituer une étape importante vers la prochaine grande révolution de la physique.

Mais pourquoi est-ce ? Ce n'est pas seulement le résultat : c'est la méthode, et ce qu'elle dit sur la voie à suivre pour une branche des critiques scientifiques qui, comme le disent les critiques scientifiques, peut être piégée dans une boucle de Des coûts en hausse et des rendements en baisse.

la gravité

Du point de vue du physicien, la gravité est une force très faible. Cela peut paraître étrange à dire. Ne vous sentez pas faible lorsque vous essayez de vous lever le matin !

Cependant, comparée à d’autres forces que nous connaissons – comme la force électromagnétique, qui lie les atomes entre eux et génère de la lumière, et la forte force nucléaire, qui lie les noyaux des atomes – la gravité exerce une attraction relativement faible entre les objets.

À plus petite échelle, les effets de la gravité deviennent de plus en plus faibles.

Il est facile de voir les effets de la gravité sur des objets de la taille d’une étoile ou d’une planète, mais il est très difficile de détecter les effets de la gravité sur des objets petits et légers.

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La nécessité d'un test de gravité

Malgré la difficulté, les physiciens souhaitent réellement tester la gravité à petite échelle. En effet, cela pourrait aider à résoudre un mystère vieux d’un siècle dans la physique actuelle.

La physique est dominée par deux théories très réussies.

La première est la relativité générale, qui décrit la gravité et l’espace-temps à grande échelle. La seconde est la mécanique quantique, qui est la théorie des particules et des champs – les éléments constitutifs de la matière – à petite échelle.

Ces deux théories sont contradictoires à certains égards et les physiciens ne comprennent pas ce qui se passe dans les situations où les deux théories devraient s'appliquer. L'un des objectifs de la physique moderne est de combiner la relativité générale et la mécanique quantique dans la théorie de la « gravité quantique ».

Un exemple de cas où la gravité quantique est nécessaire est la compréhension complète des trous noirs. La relativité générale l’avait prédit – nous avons observé des trous massifs dans l’espace – mais de petits trous noirs pourraient également apparaître au niveau quantique.

Cependant, à l’heure actuelle, nous ne savons pas comment associer la relativité générale et la mécanique quantique pour expliquer le fonctionnement de la gravité, et donc des trous noirs, dans le monde quantique.

Nouvelles théories et nouvelles données

Un certain nombre d'approches ont été développées pour une éventuelle théorie de la gravité quantique, notamment… La théorie des cordes, Gravité quantique en boucle Et Théorie des ensembles causals.

Cependant, ces méthodes sont complètement théoriques. Nous n'avons actuellement aucun moyen de le tester via des expériences.

Pour tester expérimentalement ces théories, nous aurons besoin d’un moyen de mesurer la gravité à de très petits niveaux où les effets quantiques dominent.

Jusqu’à récemment, de tels tests étaient insaisissables. Il semble que nous aurons besoin de très gros équipements : encore plus gros que le plus grand accélérateur de particules au monde, le Large Hadron Collider, qui envoie des particules de haute énergie en orbite autour d'un anneau de 27 kilomètres de long avant d'entrer en collision les unes avec les autres.

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Expériences de table

C’est pourquoi mesurer la gravité à petite échelle est devenu important récemment.

L’essai mené conjointement par les Pays-Bas et le Royaume-Uni est un essai « de simulation ». Cela ne nécessitait pas d’énormes machines.

L'expérience fonctionne en faisant flotter une particule dans un champ magnétique, puis en faisant passer un poids devant elle pour voir comment elle « vibre » en réponse.

Ceci est similaire à la façon dont une planète « vibre » lorsqu’elle se balance devant une autre planète.

En faisant léviter la particule avec un aimant, elle peut être isolée de nombreuses influences qui rendent très difficile la détection de faibles effets gravitationnels.

La beauté de ces expériences de laboratoire est qu’elles ne coûtent pas des milliards de dollars, éliminant ainsi l’un des principaux obstacles aux expériences gravitationnelles à petite échelle et peut-être aux progrès de la physique. (La dernière proposition pour un successeur plus grand au Large Hadron Collider serait… Pour un coût de 17 milliards de dollars américains.)

Travail à faire

Les essais sur laboratoire sont très prometteurs, mais il reste encore beaucoup de travail à faire.

La dernière expérience se rapproche du domaine quantique, mais n’y arrive pas vraiment. Il faudrait que les masses et les forces impliquées soient plus petites pour savoir comment fonctionne la gravité à cette échelle.

Nous devons également nous préparer à la possibilité qu’il ne soit pas possible de pousser les expériences sur table aussi loin.

Il existe peut-être encore certaines limitations technologiques qui nous empêchent de réaliser des expériences gravitationnelles à l’échelle quantique, nous repoussant ainsi vers la construction de collisionneurs plus grands.

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Retour aux théories

Il convient également de noter que certaines des théories de la gravité quantique qui peuvent être testées à l’aide d’expériences sur table sont assez radicales.

Certaines théories, comme la gravité quantique, suggèrent L'espace et le temps peuvent disparaître À très petite échelle ou à hautes énergies. Si cela est vrai, il ne sera peut-être pas possible de mener des expériences à ces échelles.

Après tout, les expériences telles que nous les connaissons sont le genre de choses qui se produisent dans un certain endroit, sur une certaine période de temps. Si de telles théories sont correctes, nous devrons peut-être repenser la nature même de l’expérimentation afin de pouvoir lui donner un sens dans des situations où l’espace et le temps sont absents.

D’un autre côté, le fait que nous puissions réaliser des expériences directes impliquant la gravité à petite échelle peut indiquer que l’espace et le temps existent finalement.

Qu'est-ce qui prouvera sa validité ? La meilleure façon de le savoir est de continuer à expérimenter des expériences sur table et de les pousser aussi loin que possible.

Sam Barron reçoit un financement du Conseil australien de la recherche.

/Avec l'aimable autorisation de The Conversation. Ce matériel provenant de l'organisation/des auteurs d'origine peut être de nature chronologique et est édité pour des raisons de clarté, de style et de longueur. Mirage.News ne prend pas de position ou de parti d'entreprise, et toutes les opinions, positions et conclusions exprimées ici sont uniquement celles du ou des auteurs.

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Les réactions chimiques rivalisent avec les trous noirs

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Les réactions chimiques rivalisent avec les trous noirs

Les scientifiques ont découvert que les particules brouillent les informations quantiques à des vitesses similaires à celles des trous noirs, affectant les réactions chimiques et offrant des informations sur le contrôle des systèmes informatiques quantiques. Crédit : SciTechDaily.com

Des recherches menées par l'Université Rice et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les particules peuvent brouiller les informations quantiques aussi efficacement que les trous noirs, ce qui a des implications pour la physique et la physique chimique. Statistiques quantitatives.

Si vous deviez lancer un message dans une bouteille à… Le trou noir, toutes les informations qu'il contient, jusqu'au niveau quantique, seraient complètement brouillées. Parce que ce brouillage se produit dans les trous noirs avec la vitesse et la précision permises par la mécanique quantique, ils sont généralement considérés comme les meilleurs brouilleurs d'informations de la nature.

Cependant, de nouvelles recherches menées par Peter Wollens, théoricien de l'Université Rice, et ses collaborateurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont montré que les particules peuvent être aussi massives pour mélanger l'information quantique que les trous noirs. En combinant des outils mathématiques issus de la physique des trous noirs et de la physique chimique, ils ont montré que le brouillage de l'information quantique se produit dans les réactions chimiques et peut atteindre presque la même limite mécanique quantique que dans les trous noirs. L'ouvrage est publié en ligne sur Actes de l'Académie nationale des sciences.

Réactions chimiques et brouillage quantitatif

« Cette étude aborde un problème de longue date en physique chimique, qui concerne la rapidité avec laquelle les informations quantiques sont mélangées dans les molécules », a déclaré Wollinis. « Quand les gens pensent à une réaction dans laquelle deux molécules se lient ensemble, ils pensent aux atomes effectuant un seul mouvement où une liaison se forme ou une liaison se rompt.

« Mais du point de vue de la mécanique quantique, même une très petite molécule est un système très complexe. Comme pour les orbites du système solaire, une molécule a un grand nombre de modes de mouvement possibles – ce que nous appelons des états quantiques. Quand une réaction chimique se produit, les informations quantiques sur les états quantiques deviennent. Les réactifs sont brouillés et nous voulons savoir comment les informations de brouillage affectent la vitesse de réaction.

Qinghao Zhang et Suhang Kundu

Qinghao Zhang (à gauche) et Suhang Kundu. Crédit : photo Zhang par Bill Wiegand/Université de l'Illinois Urbana-Champaign ; Photo de Kondo gracieuseté de Sohang Kondo

Pour mieux comprendre comment les informations quantiques sont mélangées dans les réactions chimiques, les scientifiques ont emprunté un outil mathématique couramment utilisé en physique des trous noirs, appelé corrélations hors du temps, ou OTOC.

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« Les OTOC ont en fait été inventés dans un contexte complètement différent il y a environ 55 ans, lorsqu'ils étaient utilisés pour étudier comment les électrons des supraconducteurs sont affectés par les perturbations causées par les impuretés », a déclaré Wollinis. « C'est un objet très spécialisé utilisé dans la théorie de la supraconductivité. Il a ensuite été utilisé par les physiciens dans les années 1990 lors de l'étude des trous noirs et de la théorie des cordes. « 

Les OTOC mesurent comment la modification d'une partie d'un système quantique à un moment donné affecte les mouvements des autres parties, ce qui donne un aperçu de la rapidité et de l'efficacité avec laquelle les informations se propagent dans la molécule. C'est la contrepartie quantitative des exposants de Lyapunov, qui mesurent l'imprévisibilité des systèmes chaotiques classiques.

« La rapidité avec laquelle l'OTOC augmente au fil du temps vous indique la rapidité avec laquelle les informations sont mélangées dans un système quantique, ce qui signifie combien d'états aléatoires sont accédés », a déclaré Martin Grubel, chimiste à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et co-auteur de l'étude. projet de recherche. L'étude, qui fait partie du Centre commun Rice-Illinois pour l'adaptation des défauts en tant qu'avantages, a été financée par la National Science Foundation. « Les chimistes sont très opposés au sujet du brouillage dans les réactions chimiques, car le brouillage est nécessaire pour atteindre la cible de la réaction, mais il pervertit également votre contrôle sur la réaction.

« Comprendre les conditions dans lesquelles les molécules brouillent les informations, et les conditions dans lesquelles il est peu probable qu'elles le fassent, nous donne la possibilité de mieux contrôler les interactions. Connaître les OTOC nous permet essentiellement de fixer des limites au moment où ces informations disparaissent réellement hors de notre contrôle, et à l’inverse, c’est-à-dire quand nous pouvons encore l’exploiter pour obtenir des résultats contrôlés.

Peter Wollinis, Nancy MacRae et Martin Grubel

Peter Wollinis (de gauche à droite), Nancy Macri et Martin Groppelli. Crédit : photo Wolinis par Gustavo Raskoski/Université de Rice ; Photo de McCrary, gracieuseté de Nancy McCrary ; Photo Groppeli par Fred Zwicky/Université de l'Illinois Urbana-Champaign

En mécanique classique, une particule doit avoir suffisamment d’énergie pour surmonter la barrière énergétique pour que la réaction se produise. Cependant, en mécanique quantique, il existe une possibilité que des particules puissent « passer » à travers cette barrière même si elles ne disposent pas de suffisamment d’énergie. Le calcul des OTOC a montré que les réactions chimiques avec une faible énergie d'activation à basse température, où l'effet tunnel domine, peuvent brouiller les informations presque à la limite quantique, comme un trou noir.

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Nancy Macri, également chimiste à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a utilisé les méthodes d'intégration de chemin qu'elle a développées pour étudier ce qui se passe lorsqu'un simple modèle de réaction chimique est intégré dans un système plus vaste, qui pourrait être les vibrations d'une grosse molécule ou d'un solvant. et tend à supprimer les mouvements chaotiques.

« Dans une étude distincte, nous avons constaté que les environnements plus grands ont tendance à rendre les choses plus irrégulières et à supprimer les effets dont nous parlons », a déclaré Macri. « Nous avons donc calculé l'OTOC d'un système de tunnel interagissant avec un vaste environnement, et ce que nous avons constaté, c'est que les bousculades étaient supprimées – un changement de comportement significatif. »

Applications pratiques et recherches futures

L’un des domaines d’application pratique des résultats de la recherche consiste à fixer des limites à la manière dont les systèmes de tunneling peuvent être utilisés pour créer des qubits pour les ordinateurs quantiques. Il faut réduire le mélange d’informations entre les systèmes de tunneling en interaction pour améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques. La recherche pourrait également être pertinente pour les réactions dépendantes de la lumière et la conception de matériaux avancés.

« Il est possible d'étendre ces idées à des processus dans lesquels vous n'effectuerez pas seulement un effet tunnel dans une réaction donnée, mais où vous aurez plusieurs étapes d'effet tunnel, car c'est ce qui implique, par exemple, la conduction électronique dans de nombreux nouveaux matériaux mous,  » Groppeli a déclaré. « Les matériaux quantiques comme les pérovskites sont utilisés pour fabriquer des cellules solaires et des choses comme ça. »

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Référence : « Quantum Information Scrambling and Chemical Reactions » par Zhenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Macri, Martin Groppeli et Peter J. Woolness, 1er avril 2024, Actes de l'Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2321668121

Wolinis est professeur de sciences à la Dr. Pollard Welsh Foundation à Rice, professeur de chimie, de biochimie, de biologie cellulaire, de physique, d'astronomie, de science des matériaux et de nano-ingénierie et codirecteur du Centre de biophysique théorique, financé par le National Science. Fondation. institution. Co-auteurs Gruebele est titulaire de la chaire James R. Eiszner en chimie. Macri est professeur Edward William et Jane Marr Gutgessel et professeur de chimie et de physique. Qinghao Zhang était étudiant diplômé en physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et est maintenant étudiant postdoctoral au Pacific Northwest National Laboratory. Sohang Kundu a récemment obtenu son doctorat. Il a obtenu son doctorat en chimie de l'Université de l'Illinois et est actuellement étudiant postdoctoral à Université de Colombie.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) et la chaire Pollard Welch de Rice (C-0016).

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La matière noire et les anneaux d'Einstein résolvent le mystère de l'ancienne galaxie • Earth.com

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La matière noire et les anneaux d'Einstein résolvent le mystère de l'ancienne galaxie • Earth.com

Une équipe de chercheurs dirigée par Hai Bo Yu a jeté un nouvel éclairage sur la nature mystérieuse de la matière noire à travers le prisme d’une ancienne galaxie.

L'étude se concentre sur JWST-ER1gIl s’agit d’une immense galaxie ancienne découverte par le télescope spatial James Webb (JWST) en septembre dernier, qui s’est formée alors que l’univers n’avait qu’un quart de son âge actuel.

Étonnamment, JWST-ER1g est associé à un anneau d'Einstein, un phénomène prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein. La galaxie agit comme une lentille, déviant la lumière provenant d’une source lointaine, qui apparaît alors comme un anneau.

Ce phénomène, connu sous le nom de forte lentille gravitationnelle, permet aux chercheurs de calculer la masse totale emprisonnée à l’intérieur de l’anneau, constitué de composants stellaires et de matière noire.

Détecter le halo de matière noire

« Si nous soustrayons la masse stellaire de la masse totale, nous obtenons la masse de la matière noire à l'intérieur de l'anneau », a expliqué le professeur Yu, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Californie. Université de Californie, Riverside.

« Mais la valeur de la masse de matière noire semble être plus élevée que prévu. C'est déroutant. Dans notre article, nous fournissons une explication », a conclu Yu.

L’équipe suggère que la forte densité de matière noire dans JWST-ER1g pourrait être due à la compression du halo de matière noire entourant la galaxie.

Lorsque la matière ordinaire, telle que le gaz d'origine et les étoiles, s'effondre et se condense dans le halo de matière noire, elle peut comprimer le halo, provoquant une augmentation de la densité de matière noire.

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« Nos études numériques montrent que ce mécanisme peut expliquer la densité de matière noire plus élevée de JWST-ER1g – plus de masse de matière noire dans le même volume, conduisant à une densité de matière plus élevée », a déclaré Dimao Kong, étudiant diplômé de deuxième année à l'UCLA qui a dirigé l'analyse. . Sombre dans JWST-ER1g ». densité. »

Comprendre les anneaux d'Einstein

Les anneaux d'Einstein sont un phénomène cosmique étonnant qui se produit lorsqu'un objet massif, tel qu'une galaxie ou un trou noir, agit comme une lentille gravitationnelle.

Le champ gravitationnel massif de l'objet courbe et amplifie la lumière provenant d'une source plus éloignée, comme une autre galaxie ou un quasar situé directement derrière elle. Le résultat est un anneau de lumière presque parfait apparaissant autour du corps de l’objectif.

La science derrière les anneaux d'Einstein

La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein prédit l'existence d'une lentille gravitationnelle. Selon cette théorie, les objets massifs déforment le tissu de l’espace-temps, obligeant la lumière à suivre des trajectoires courbes au lieu de lignes droites.

Lorsqu’une source de lumière lointaine et un objet de lentille d’observation massif s’alignent parfaitement, un anneau d’Einstein se forme.

La taille et la forme de l'anneau d'Einstein dépendent de divers facteurs, tels que la masse de l'objet lentille, la distance entre l'objet lentille et la source de lumière et l'alignement de l'observateur.

Plus l’objet lenticulaire est massif et plus l’alignement est précis, plus l’anneau d’Einstein apparaît proéminent.

Etude de l'univers à travers les anneaux d'Einstein

Les astronomes utilisent les anneaux d'Einstein comme outils puissants pour étudier l'univers. En analysant la lumière de ces anneaux, les chercheurs peuvent déterminer la masse et la répartition de la matière visible et noire au sein de l'objet lenticulaire.

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Ces informations aident les scientifiques à mieux comprendre la structure et l’évolution des galaxies et des amas de galaxies.

De plus, les anneaux d'Einstein agissent comme des loupes cosmiques, permettant aux astronomes d'observer des galaxies et des quasars lointains qui autrement seraient trop faibles pour être détectés.

En étudiant ces images agrandies, les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur les débuts de l’Univers et la formation des galaxies il y a des milliards d’années.

Exemples notables d'anneaux d'Einstein

L'un des anneaux les plus célèbres d'Einstein est Fer à cheval cosmiqueIl a été découvert en 2007. Cet anneau, créé par un amas massif de galaxies, amplifie la lumière provenant d'une galaxie lointaine d'un facteur 300, offrant ainsi une vue sans précédent de l'univers primitif.

Un autre bon exemple est l'anneau d'Einstein SDSSJ1038+4849Qui se compose de deux anneaux concentriques. Cette formation rare apparaît lorsque deux galaxies distantes s’alignent parfaitement avec un amas massif de galaxies devant, créant ainsi un double anneau d’Einstein.

Alors que les astronomes continuent d'explorer l'univers à l'aide de télescopes de plus en plus puissants, par exemple Télescope spatial James WebbIls découvriront probablement davantage d’anneaux d’Einstein, élargissant ainsi notre compréhension de l’univers et de ses merveilles cachées.

Une opportunité unique pour la recherche sur la matière noire

JWST-ER1g, formé 3,4 milliards d'années après le Big Bang, offre une opportunité unique d'étudier la matière noire, qui représente 85 % de la matière de l'univers mais n'a jamais été découverte en laboratoire.

Daning Yang, chercheur postdoctoral à l'Université de Californie et co-auteur de l'article, a souligné l'importance de cet objet lenticulaire puissant.

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« Cet objet lenticulaire puissant est unique car il possède un anneau d'Einstein parfait, à partir duquel nous pouvons obtenir des informations précieuses sur la masse totale à l'intérieur de l'anneau, ce qui constitue une étape cruciale pour tester les propriétés de la matière noire », a expliqué Yang.

Continuez la quête pour comprendre la matière noire

En résumé, la découverte de JWST-ER1g et de l'anneau d'Einstein associé par le télescope spatial James Webb a ouvert de nouvelles voies pour étudier la matière noire, un composant mystérieux qui constitue 85 % de la matière de l'univers.

En analysant cet objet lenticulaire d’une puissance unique, l’équipe de chercheurs dirigée par le professeur Hai Bo Yu a proposé une explication convaincante de la densité étonnamment élevée de matière noire au sein de la galaxie.

Alors que le télescope spatial James Webb continue d’explorer les profondeurs de l’univers, découvrant d’anciennes galaxies et des phénomènes cosmiques, nous pouvons nous attendre à d’autres découvertes révolutionnaires qui dévoileront davantage la nature mystérieuse de la matière noire et feront progresser notre compréhension de l’univers.

L'étude complète a été publiée dans Lettres de journaux astrophysiques.

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La NASA publie un livre électronique gratuit sur les mystères spatiaux de Hubble

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Depuis 1990, le télescope spatial Hubble offre aux scientifiques une vue imprenable sur l’univers. Vous avez fourni bien plus 1 million de dollars Remarques.

Maintenant, la NASA a publié « Hubble Focus : L'univers sombreun livre électronique gratuit qui explore ce que la mission Hubble a appris aux scientifiques sur la matière noire et l'énergie noire, et comment ces leçons bouleversent les vieilles théories.

Nous ne pouvons pas le voir, mais on pense que la matière noire constitue la majeure partie de la masse de l’univers. Contrairement à la matière ordinaire, qui a une masse, occupe de l’espace et peut être vue soit à l’œil humain, soit à travers un télescope montrant d’autres longueurs d’onde, la matière noire est invisible et pour la plupart indétectable.

Depuis de nombreuses années, les chercheurs étudient son rôle dans l’univers et les astronomes croient désormais à l’existence de la matière noire. constituer 27% de l'univers. L’énergie noire, qui serait responsable de l’expansion de notre univers, en représenterait 68 %.

Les instruments massifs à bord du télescope spatial Hubble, en orbite autour de la Terre depuis des décennies, détectent des objets que l'œil humain ne peut pas voir. Les données ont permis aux scientifiques de mieux comprendre l’univers inobservable, même si elles posent parfois un défi au modèle cosmologique que les scientifiques utilisent pour expliquer le fonctionnement de l’univers.

Le livre gratuit couvre certaines des découvertes rendues possibles par la mission Hubble et décompose les mystères révélés dans un anglais simple. Il est également rempli d'images de la mission, de citations d'experts et contient des liens vers des vidéos qui approfondissent des sujets tels que Constante de HubbleLa vitesse à laquelle l'univers se développe.

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« Il reste encore beaucoup à faire, mais ce livre vous donnera une place au premier rang pour comprendre ce qui se passe dans ce projet », a déclaré Ken Carpenter, scientifique du projet Hubble Operations, dans un communiqué de presse. lancement. Le livre est le cinquième d'une série de volumes similaires sur la mission Hubble et ses découvertes.

Êtes-vous prêt à en savoir plus sur les forces mystérieuses qui vous entourent ? Vous pouvez télécharger le livre au format PDF ou EPUB sur bit.ly/hubblebook

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