Astronomie

Le décalage vers le rouge cosmologique est-il dû à l'expansion de l'espace ou à la distance parcourue par la lumière ?

Le décalage vers le rouge cosmologique est-il dû à l'expansion de l'espace ou à la distance parcourue par la lumière ?

Si l'univers n'était pas en expansion, la lumière serait-elle toujours décalée vers le rouge après avoir parcouru une certaine distance ?

Existe-t-il un moyen d'être sûr que c'est l'expansion qui provoque le décalage vers le rouge de la lumière et pas seulement un phénomène naturel pour que la lumière se déplace vers le rouge lorsqu'elle se déplace, que l'espace soit en expansion ou non. Dans ce dernier cas, la seule façon dont l'expansion de l'espace pourrait affecter le décalage vers le rouge serait de faire voyager la lumière sur une plus longue distance.

Edit: J'ai donc rencontré le terme "Lumière fatiguée" dans une réponse SE mais cela n'explique pas vraiment pourquoi il n'y a pas de partisans pour cette théorie. Alors, pourquoi n'y sont-ils pas ?


  • Tous les observateurs des différentes galaxies voient le même expansion autour d'eux.
  • Pas de centre - tous les observateurs apparaître être au centre.
  • NE PAS mouvement à travers espace.
  • Expansion de espace-temps : galaxies emportées.

Au fur et à mesure que l'Univers devient 2 fois plus grand, les distances entre les galaxies deviennent 2 fois plus grandes.

Noter: Tandis que le distances entre les galaxies augmentent avec le temps, la tailles des galaxies restent les mêmes. C'est parce que les galaxies sont liées entre elles par la gravitation localement, et ne partagez donc pas global expansion de l'espace-temps autour d'eux.


Les implications de la loi de Hubble : un univers en expansion

Comme les lois de Kepler, la loi de Hubble est une loi empirique. Hubble a découvert une relation entre deux propriétés mesurables des galaxies : leurs vitesses et leurs distances. Compte tenu de cette relation, cependant, cela conduit naturellement à plusieurs questions. Ces questions sont :

  • Quelle est la cause de cette relation ?
  • Pourquoi les galaxies plus éloignées devraient-elles avoir des vitesses plus élevées ?

À la page précédente, nous avons attribué les vitesses des galaxies et la relation entre leurs vitesses et distances à une explosion. Parce que tous les débris d'une explosion provenaient du même endroit, les plus éloignés doivent se déplacer plus rapidement pour avoir parcouru le plus loin dans le même laps de temps. C'est une analogie acceptable, mais elle n'est pas parfaite. Cependant, cela nous aide à comprendre que l'univers doit être en expansion. Notre meilleure interprétation de la relation découverte par Hubble est qu'elle implique que l'espace entre les galaxies est en expansion.

Étudions un peu plus en détail cette idée d'un Univers en expansion. Si tous les objets se déplacent vers l'extérieur à une vitesse constante, les limites définies par les objets les plus à l'extérieur doivent croître continuellement. Pour être plus précis sur l'expansion de l'univers, nous recourons à nouveau à des analogies. Le premier est celui-ci : des points d'image sur un très long élastique. Les points sont censés représenter les galaxies. Si vous tirez sur l'élastique, la distance entre les points augmentera. Si la distance initiale entre chaque point est de 1 cm (le point B est à 1 cm du point A, le point C est à 2 cm et le point D est à 3 cm) et vous tirez sur l'élastique pour que les points soient maintenant 2 cm de distance, puis à partir du point A, le point B sera à 2 cm, le point C sera à 4 cm et le point D sera à 6 cm. Le point C se sera déplacé deux fois plus loin du point A dans le même laps de temps que le point B, et le point D se sera déplacé trois fois plus loin du point A dans le même laps de temps que le point B. Par conséquent, du point de vue du point A, les points les plus éloignés sembleront s'être déplacés plus rapidement que les points les plus proches (rappelez-vous, la vitesse d'un objet est la distance parcourue divisée par le temps qu'il faut pour parcourir cette distance). Si nous devions répéter l'expérience précédente, mais mesurer les distances entre les points du point de vue du point B, nous constaterions que le point B tirerait la même conclusion que le point A. C'est-à-dire que tous les points sembleraient s'éloigner. du point B, et les points les plus éloignés semblent se déplacer plus rapidement.

L'analogie dans la figure ci-dessus nous permet de tirer plusieurs conclusions sur l'univers.

  1. Les galaxies ne s'éloignent pas vraiment les unes des autres dans l'espace. Au lieu de cela, ce qui se passe, c'est que l'espace entre eux s'agrandit (tout comme l'élastique se dilate, séparant les points qui y sont fixés les uns des autres). Au fur et à mesure que l'univers s'étend, les galaxies s'éloignent les unes des autres et la vitesse apparente semble être plus grande pour les galaxies les plus éloignées.
  2. La Terre et la Voie lactée ne sont pas spéciales en voyant que toutes les galaxies semblent s'éloigner de nous. Si nous étions sur une autre galaxie, nous verrions également toutes les autres galaxies sembler s'éloigner de nous à cause de cette expansion.

Les deux analogies suivantes sont similaires à l'analogie élastique/point, mais nous allons penser dans plus de dimensions, puisque nous savons que les galaxies ne se limitent pas à se trouver le long d'une ligne unidimensionnelle. Au lieu d'une ligne, imaginez la pâte à pain aux raisins. À l'intérieur de la pâte, tous les raisins secs sont séparés les uns des autres. Au fur et à mesure que la pâte lève pendant la cuisson, tous les raisins secs s'éloigneront les uns des autres. Disons que la taille de la pâte double. La distance entre tous les raisins secs doublera et, tout comme les points sur l'élastique, les raisins secs les plus éloignés sembleront s'être déplacés plus rapidement. Ceci est bien représenté dans l'image animée de la mission WMAP de la NASA incluse ci-dessous.

Les deux analogies (élastique et pain aux raisins) devraient vous permettre d'imaginer que chaque galaxie (ou point ou raisin) verra toutes les autres galaxies s'éloigner si l'espace entre elles s'agrandit. Nous utilisons une autre analogie pour essayer d'expliquer les mathématiques de l'expansion de l'univers et pour répondre à une autre question courante qui se pose en cosmologie :

Imaginez un univers qui se compose seul de la surface d'un ballon. Toutes les galaxies et les étoiles des galaxies sont fixées à la surface du ballon. Il n'y a aucun moyen pour les observateurs de percevoir la région à l'intérieur du ballon ou la région à l'extérieur du ballon, ils sont (et la lumière est) contraint de voyager uniquement le long de la surface. Dans cette analogie, à mesure que le ballon se gonfle, les galaxies à la surface du ballon s'éloignent les unes des autres. Tout comme avec les analogies de l'élastique et du raisin sec, si vous mesurez la distance entre les galaxies avant et après le gonflage du ballon, vous pourrez montrer que les galaxies les plus éloignées sembleront se déplacer plus rapidement, tout comme la loi de Hubble dans notre l'univers (et comme les expériences de l'élastique et du pain aux raisins). Encore une fois, chaque galaxie observera le même effet, et aucune galaxie n'est dans un endroit spécial. Si vous demandez où se trouve le centre de l'expansion, il se trouve à l'intérieur du ballon. Cela signifie qu'aucun endroit à la surface du ballon (l'univers selon les habitants à la surface du ballon) ne peut être identifié comme le "centre" de l'univers.

Nous utilisons cette analogie pour répondre à la question :

L'idée est que nous vivons dans un univers avec trois dimensions spatiales que nous pouvons percevoir, mais qu'il existe des dimensions "supplémentaires" (peut-être une, peut-être plus d'une) qui contiennent le centre de l'expansion. Tout comme les êtres bidimensionnels qui habitent la surface de l'univers ballon, nous ne pouvons pas observer le centre de notre univers. Nous pouvons dire qu'il est en expansion, mais nous ne pouvons pas identifier un emplacement dans notre espace 3D qui est le centre de l'expansion.

Jusqu'à présent, nous avons décrit le décalage vers le rouge de la lumière comme un décalage Doppler. Cependant, maintenant que nous comprenons que l'Univers est en expansion, nous devons réviser cette description. La façon dont nous comprenons le décalage vers le rouge cosmologique des galaxies est la suivante. Imaginez un photon émis par une galaxie lointaine vers la Terre. Ce photon a une longueur d'onde spécifique. Cependant, lors du voyage entre la galaxie lointaine et la Terre, l'espace entre cette galaxie et la Terre s'est agrandi. L'expansion de l'espace provoque l'étirement de la longueur d'onde du photon, donc lorsqu'il arrive sur Terre, il a une longueur d'onde plus longue que lorsqu'il est parti. Mathématiquement, cela se comporte exactement comme si le photon était décalé par effet Doppler. Ainsi, nous interprétons les galaxies comme se déplaçant dans l'espace loin de nous. Cependant, l'interprétation correcte est que les galaxies se trouvent à des positions spécifiques dans l'espace et que l'espace entre elles s'agrandit. Une animation illustrant le décalage vers le rouge cosmologique en utilisant l'analogie du ballon pour l'expansion de l'espace est ci-dessous.

Cela signifie-t-il que le système solaire est en expansion ? Et la Voie Lactée ? Pluton s'éloignera-t-il de plus en plus du Soleil à mesure que l'Univers s'étend ? La réponse est non, et il est un peu difficile de comprendre exactement pourquoi. Considérons à nouveau une étoile stable de la séquence principale. Nous avons discuté de la façon dont, pour qu'une étoile évite l'effondrement, la force vers l'extérieur de la pression de rayonnement créée par la fusion nucléaire dans le noyau équilibrait l'attraction vers l'intérieur de la gravité. Nous pouvons considérer tous les objets et systèmes d'objets de l'univers soumis au même type d'équilibre des forces. L'expansion de l'univers peut être considérée comme une force globale qui tire sur tous les objets. Cependant, il n'est fort qu'à très grande échelle. À l'échelle d'une galaxie, la force gravitationnelle liant une galaxie ensemble est beaucoup plus forte que la « force d'expansion », donc la galaxie ne s'étend pas. À l'échelle du système solaire, le déséquilibre est encore plus important, de sorte que la liaison gravitationnelle du système solaire dépasse facilement la "force d'expansion", maintenant la séparation orbitale de Pluton du Soleil au fil du temps.


Réponses et réponses

La façon dont il a été mesuré à l'origine à travers les supernovae est la suivante.

Les supernovae de type I-A sont ce qu'on appelle des "bougies standard". Ils ont tous à peu près la même luminosité (pas exactement la même luminosité, mais assez proche pour nos besoins : nous avons juste besoin de mesurer beaucoup, beaucoup de supernovae pour lisser les variations). Ainsi, nous pouvons dire à quelle distance se trouve une supernova en regardant sa luminosité apparente, et nous pouvons dire à quelle vitesse elle s'éloigne du redshift.

Ces deux choses se combinent pour nous rendre compte de la vitesse à laquelle l'univers s'est étendu au fil du temps. Ce que nous trouvons, c'est que si nous allons assez loin, les supernovae commencent à apparaître plus faibles pour un décalage vers le rouge donné que ce à quoi nous nous attendrions s'il n'y avait pas d'accélération. Cela signifie que pour le même redshift, ils sont maintenant plus éloignés que prévu.

Soit dit en passant, cette mesure a été confirmée par une variété d'autres mesures cosmologiques et repose aujourd'hui sur une base assez solide.

Merci pour la réponse, donc mon erreur est que j'ai supposé que le décalage vers le rouge était mesuré pour augmenter plus rapidement lorsque plus loin alors que c'est l'inverse?

En d'autres termes, la différence de décalage vers le rouge entre une supernova à 11 milliards d'années-lumière et à 12 milliards d'années-lumière est plus petite que celle de 1 milliard d'années-lumière et 2 milliards d'années-lumière ?


Comment l'espace peut-il voyager plus vite que la vitesse de la lumière ?

La vitesse de la lumière est souvent décrite comme une limite de vitesse cosmique… mais tout ne respecte pas ces règles. En fait, l'espace lui-même peut s'étendre plus rapidement qu'un photon ne pourrait jamais espérer voyager.

Les cosmologistes sont des voyageurs temporels intellectuels. En regardant en arrière sur des milliards d'années, ces scientifiques sont capables de retracer l'évolution de notre Univers avec des détails étonnants. Il y a 13,8 milliards d'années, le Big Bang s'est produit. Quelques fractions de seconde plus tard, l'Univers naissant s'est étendu de façon exponentielle au cours d'une période incroyablement brève appelée inflation. Au cours des éons qui ont suivi, notre cosmos a atteint une taille si énorme que nous ne pouvons plus en voir l'autre côté.

Mais comment cela peut-il être? Si la vitesse de la lumière marque une limite de vitesse cosmique, comment peut-il y avoir des régions de l'espace-temps dont les photons sont à jamais hors de notre portée ? Et même s'il y en a, comment savons-nous qu'ils existent ?

L'univers en expansion

Comme tout le reste en physique, notre Univers s'efforce d'exister dans l'état d'énergie le plus bas possible. Mais environ 10 à 36 secondes après le Big Bang, les cosmologistes inflationnistes pensent que le cosmos s'est retrouvé au repos à la place dans une « fausse énergie du vide » – un point bas qui n'était pas vraiment un point bas. À la recherche du véritable nadir de l'énergie du vide, en une fraction de seconde d'un instant, l'Univers aurait gonflé d'un facteur 1050.

Depuis lors, notre Univers n'a cessé de s'étendre, mais à un rythme beaucoup plus lent. Nous voyons des preuves de cette expansion dans la lumière d'objets éloignés. Lorsque les photons émis par une étoile ou une galaxie se propagent à travers l'Univers, l'étirement de l'espace leur fait perdre de l'énergie. Une fois que les photons nous parviennent, leurs longueurs d'onde ont été décalées vers le rouge en fonction de la distance qu'ils ont parcourue.

C'est pourquoi les cosmologistes parlent de redshift en fonction de la distance dans l'espace et dans le temps. La lumière de ces objets lointains voyage depuis si longtemps que, lorsque nous la voyons enfin, nous voyons les objets tels qu'ils étaient il y a des milliards d'années.

La lumière décalée vers le rouge nous permet de voir des objets comme les galaxies tels qu'ils existaient dans un passé lointain, mais nous ne pouvons pas voir tous les événements qui se sont produits dans notre Univers au cours de son histoire. Parce que notre cosmos est en expansion, la lumière de certains objets est tout simplement trop éloignée pour que nous puissions la voir.

La physique de cette frontière repose, en partie, sur un morceau d'espace-temps environnant appelé volume de Hubble. Ici sur Terre, nous définissons le volume de Hubble en mesurant quelque chose appelé le paramètre de Hubble (H0), une valeur qui relie la vitesse de récession apparente des objets distants à leur décalage vers le rouge. Il a été calculé pour la première fois en 1929, quand Edwin Hubble a découvert que les galaxies lointaines semblaient s'éloigner de nous à une vitesse proportionnelle au décalage vers le rouge de leur lumière.

En divisant la vitesse de la lumière par H0, on obtient le volume de Hubble. Cette bulle sphérique renferme une région où tous les objets s'éloignent d'un observateur central à des vitesses inférieures à la vitesse de la lumière. En conséquence, tous les objets en dehors du volume de Hubble s'éloignent du centre plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Oui, "plus rapide que la vitesse de la lumière." Comment est-ce possible?

La magie de la relativité

Deux sources de redshift : le Doppler et l'expansion cosmologique modélisée d'après Kooupelis & Kuhn. En bas : les détecteurs captent la lumière émise par une étoile centrale. Cette lumière est étirée ou décalée vers le rouge, à mesure que l'espace s'étend entre les deux. Crédit : Brews Ohare

La réponse a à voir avec la différence entre la relativité restreinte et la relativité générale. La relativité restreinte nécessite ce que l'on appelle un "cadre de référence inertiel" - plus simplement, une toile de fond. Selon cette théorie, la vitesse de la lumière est la même lorsqu'elle est comparée dans tous les référentiels inertiels. Qu'un observateur soit assis immobile sur un banc de parc sur la planète Terre ou qu'il passe devant Neptune dans une fusée futuriste à grande vitesse, la vitesse de la lumière est toujours la même. Un photon s'éloigne toujours de l'observateur à 300 000 000 mètres par seconde, et il ne le rattrapera jamais.

La relativité générale, cependant, décrit le tissu de l'espace-temps lui-même. Dans cette théorie, il n'y a pas de référentiel inertiel. L'espace-temps ne s'étend pas par rapport à quoi que ce soit en dehors de lui-même, donc la vitesse de la lumière en tant que limite de sa vitesse ne s'applique pas. Oui, les galaxies en dehors de notre sphère de Hubble s'éloignent de nous plus rapidement que la vitesse de la lumière. Mais les galaxies elles-mêmes n'enfreignent aucune limite de vitesse cosmique. Pour un observateur dans l'une de ces galaxies, rien ne viole du tout la relativité restreinte. C'est l'espace entre nous et ces galaxies qui prolifère rapidement et s'étend de façon exponentielle.

L'univers observable

Maintenant pour la prochaine bombe : le volume Hubble n'est pas la même chose que l'Univers observable.

Pour comprendre cela, considérez qu'à mesure que l'Univers vieillit, la lumière lointaine a plus de temps pour atteindre nos détecteurs ici sur Terre. Nous pouvons voir des objets qui ont accéléré au-delà de notre volume Hubble actuel parce que la lumière que nous voyons aujourd'hui a été émise lorsqu'ils se trouvaient à l'intérieur.

À strictement parler, notre Univers observable coïncide avec ce qu'on appelle l'horizon des particules. L'horizon des particules marque la distance jusqu'à la lumière la plus éloignée que nous puissions voir à ce moment-là - des photons qui ont eu suffisamment de temps pour rester à l'intérieur ou rattraper notre sphère de Hubble en légère expansion.

Et quelle est cette distance au juste ? Un peu plus de 46 milliards d'années-lumière dans toutes les directions, ce qui donne à notre Univers observable un diamètre d'environ 93 milliards d'années-lumière, soit plus de 500 milliards de milliards de kilomètres.

(Une note rapide : l'horizon des particules n'est pas la même chose que l'horizon des événements cosmologique. L'horizon des particules englobe tous les événements du passé que nous pouvons actuellement voir. L'horizon des événements cosmologique, en revanche, définit une distance à l'intérieur de laquelle un futur observateur pourra voir la lumière alors ancienne que notre petit coin d'espace-temps émet aujourd'hui.

En d'autres termes, l'horizon des particules traite de la distance aux objets du passé dont la lumière ancienne que nous pouvons voir aujourd'hui, l'horizon des événements cosmologique traite de la distance que notre lumière actuelle pourra parcourir à mesure que des régions lointaines de l'Univers accélèrent. de notre part.)

Ajustement des vitesses de redshift à la loi de Hubble. Crédit : Brews Ohare

Grâce à l'expansion de l'Univers, il existe des régions du cosmos que nous ne verrons jamais, même si nous pouvions attendre un temps infini que leur lumière nous parvienne. Mais qu'en est-il de ces zones juste au-delà de la portée de notre volume Hubble actuel ? Si cette sphère est également en expansion, serons-nous jamais en mesure de voir ces objets frontières ?

Cela dépend de la région qui s'étend le plus rapidement - le volume de Hubble ou les parties de l'Univers juste à l'extérieur. Et la réponse à cette question dépend de deux choses : 1) si H0 augmente ou diminue, et 2) si l'Univers accélère ou décélère. Ces deux taux sont intimement liés, mais ils ne sont pas identiques.

En fait, les cosmologistes pensent que nous vivons à une époque où H0 diminue mais à cause de l'énergie noire, la vitesse d'expansion de l'Univers augmente.

Cela peut sembler contre-intuitif, mais tant que H0 diminue à un rythme plus lent que celui auquel la vitesse d'expansion de l'Univers augmente, le mouvement global des galaxies loin de nous se produit toujours à un rythme accéléré. Et en ce moment, les cosmologistes pensent que l'expansion de l'Univers dépassera la croissance plus modeste du volume de Hubble.

L'univers observable, plus techniquement connu sous le nom d'horizon de particules.

Ainsi, même si notre volume Hubble est en expansion, l'influence de l'énergie noire semble fournir une limite stricte à l'Univers observable en constante augmentation.

Nos limites terrestres

Les cosmologistes semblent avoir une bonne maîtrise des questions profondes comme à quoi ressemblera notre Univers observable un jour et comment l'expansion du cosmos changera. Mais en fin de compte, les scientifiques ne peuvent théoriser les réponses aux questions sur l'avenir que sur la base de leur compréhension actuelle de l'Univers. Les échelles de temps cosmologiques sont si longues qu'il est impossible de dire grand-chose de concret sur la façon dont l'Univers se comportera à l'avenir. Les modèles d'aujourd'hui s'adaptent remarquablement bien aux données actuelles, mais la vérité est qu'aucun d'entre nous ne vivra assez longtemps pour voir si les prédictions correspondent vraiment à tous les résultats.

Décevant? Sûr. Mais cela vaut vraiment la peine d'aider nos cerveaux chétifs à considérer une telle science qui perturbe l'esprit - une réalité qui, comme d'habitude, est tout simplement plus étrange que la fiction.


Le décalage vers le rouge cosmologique est-il dû à l'expansion de l'espace ou à la distance parcourue par la lumière ? - Astronomie

Cours d'introduction incroyable et couvre une grande variété de sujets allant de l'histoire à l'astronomie en passant par l'astrobiologie. Vraiment génial pour les astronomes amateurs et pour tous ceux qui s'y intéressent de loin.

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L'architecture de la galaxie de la Voie lactée est celle d'un disque, d'un renflement et d'un halo, l'ensemble de l'assemblage étant lié par une matière noire énigmatique. Chaque galaxie contient un trou noir supermassif, et une population entière de galaxies est sculptée par la gravité en structures subtiles à grande échelle.

Реподаватели

Chris Impey

Екст идео

La première grande découverte d'Edwin Hubble fut la nature extragalactique de certaines nébuleuses spirales. Le fait que ces taches de lumière floues étaient des galaxies entières ou des systèmes d'étoiles éloignés de notre propre Voie lactée. À la fin de sa carrière, il a multiplié par milliers la taille de l'univers connu par rapport à la taille de la Voie lactée. Sa deuxième grande découverte était tout aussi profonde et avait de grandes implications pour l'histoire de l'univers. Lorsqu'il mesurait les distances et les vitesses des galaxies, il pouvait observer avec de grands télescopes, initialement le mont Wilson 100 pouces, plus tard le Palomar 200 pouces. Il a observé une corrélation frappante, plus une galaxie était éloignée plus elle s'éloignait rapidement de nous. Les vitesses de récession qu'il a observées étaient de centaines de milliers, voire de millions de milles à l'heure. Et pratiquement toutes les galaxies qu'il a observées avaient un décalage rouge et non bleu, ce qui signifie qu'elle reculait plutôt que de s'approcher. Dans cette situation, une relation linéaire entre le décalage vers le rouge et la distance, nous pouvons inverser la logique et imaginer une époque où toutes les galaxies étaient plus proches les unes des autres. En effet, toutes les galaxies étaient les unes sur les autres. Ainsi, la relation de Hubble ou la loi de Hubble pointe vers une origine de l'univers, retraçant le temps en arrière. La constante dans cette relation linéaire est appelée H avec un indice 0. La constante de Hubble, du nom d'Edwin Hubble, et le taux d'expansion actuel de l'univers. Plus cette relation est raide, plus le taux d'expansion actuel est rapide. Plus cette relation est faible, plus le taux d'expansion actuel est lent. En utilisant le télescope spatial Hubble dans son projet clé, le taux d'expansion est mesuré à environ 72 kilomètres par seconde par mégaparsec. Ce qui signifie que pour tous les 3 millions d'années-lumière sortant de la Terre, la vitesse de récession augmente d'environ 70 kilomètres par seconde. Hubble n'a pas fait le lien, mais nous comprenons maintenant les observations de Hubble en termes d'expansion de l'espace. Hubble a simplement parlé des vitesses de récession. Mais dans la théorie de la relativité générale, qui a été conçue avant que Hubble ne fasse ses observations. L'expansion de l'espace-temps est quelque chose à laquelle l'univers participe et fait que chaque galaxie s'éloigne de toutes les autres galaxies. L'analogie souvent utilisée est le tissu en expansion d'un ballon. Où le tissu du ballon est l'espace-temps lui-même. Les objets à la surface du ballon sont emportés les uns des autres. La meilleure analogie serait de minuscules billes collées à la surface du ballon puisque les galaxies individuellement sont maintenues ensemble par leur propre gravité. Ainsi, à mesure que la distance entre elles augmente, les galaxies elles-mêmes ne grossissent pas. Qu'implique l'expansion linéaire ? Et en particulier, le fait que toutes les galaxies s'éloignent de nous implique-t-il que nous sommes au centre de l'univers ? La réponse est non. Si nous regardons une analogie linéaire à deux dimensions, nous nous imaginons sur la galaxie rouge mesurant les distances et les vitesses des galaxies proches de nous, la verte et la bleue. Nous pouvons voir que les galaxies les plus éloignées s'éloignent plus rapidement, c'est la relation linéaire observée par Hubble. Mais si nous changeons de perspective et imaginons que nous sommes situés sur la galaxie bleue, ou verte, ou toute autre galaxie dans la vue. Et faire les mêmes mesures, on verrait la même chose. Toutes les galaxies s'éloignent encore de nous et leurs mouvements sont décrits par la loi de Hubble. Il n'y a pas de place particulière dans cette distribution que l'on imagine se poursuivre à l'infini dans l'espace. Par conséquent, soit nous sommes le centre de l'expansion, soit toutes les galaxies sont le centre de l'expansion. En fait, les deux sont faux. Il n'y a pas de position privilégiée dans l'expansion de l'espace. Tout observateur sur une galaxie séparée dans l'espace verra la même chose. Il existe une distinction très importante entre l'expansion de l'espace dans la cosmologie moderne et le décalage Doppler familier de la vie quotidienne. Dans le décalage Doppler, la longueur d'onde changeante de la lumière ou de toute autre onde causée par un mouvement relatif. Il est basé sur un cadre de référence où nous pouvons définir le mouvement par rapport à un environnement externe. Par exemple, lorsqu'une ambulance ou un camion de pompiers s'approche, les ondes sonores sont comprimées dans le sens du mouvement. Et au fur et à mesure qu'il s'éloigne de vous, les ondes sonores s'étirent. Ainsi, le ton monte et descend, alors que le camion de pompiers ou l'ambulance se dirige vers vous puis s'éloigne de vous. Mais la référence pour cette motion est la route elle-même. C'est un mouvement relatif dans ce qu'on appelle un référentiel inertiel en physique, et c'est l'effet Doppler. Le décalage vers le rouge cosmologique est conceptuellement assez différent. Ce qui se passe, c'est que l'espace-temps lui-même est en expansion. Les galaxies sont les malheureuses victimes de cette expansion, chevauchant l'expansion et donc s'éloignant les unes des autres. Il n'y a pas de référentiel extérieur car l'espace-temps définit tout l'univers. La deuxième situation s'appelle le redshift cosmologique et elle est tout à fait distincte de l'effet Doppler. Les analogies sont utiles tant que nous ne les abusons pas. L'analogie avec le ballon en expansion est pertinente pour l'univers, mais elle ne capture pas tout sur le décalage vers le rouge cosmologique. Cependant, si vous dessiniez une petite ligne ondulée sur un ballon puis le gonfliez, la distance entre les crêtes et les creux sur la ligne ondulée augmenterait. Et cela reflète assez étroitement le comportement du rayonnement dans l'espace-temps en expansion. L'expansion cosmologique a en fait une conséquence sur le rayonnement qui traverse l'univers. Où la longueur d'onde de ce rayonnement s'étire en fonction de l'étirement de l'espace-temps. Il est remarquable que l'expansion cosmique qui affecte des dizaines de milliards d'années-lumière se propage jusqu'aux ondes lumineuses et à une infime fraction de pouce. La lumière voyage toujours à travers l'univers à 300 000 kilomètres par seconde. Mais il voyage dans un contexte d'espace-temps en expansion où la longueur d'onde augmente continuellement. Le décalage vers le rouge cosmologique est simplement le fait que des objets plus éloignés ont fait voyager leur lumière pendant des temps plus longs et sur de plus grandes distances. Et ainsi ont été étirés par l'expansion intermédiaire. L'analogie tridimensionnelle banale pour l'expansion de l'espace pourrait être un pain aux raisins secs où les raisins secs représentent des galaxies. Au fur et à mesure que le pain est cuit, la distance entre chacun des raisins secs et tous les autres raisins secs augmente et c'est ce que nous verrions dans l'univers des galaxies. Avec la distance tridimensionnelle entre chaque galaxie et ses voisines continue d'augmenter. N'oubliez pas que toutes les galaxies ne s'éloignent pas de toutes les autres galaxies, car certaines galaxies très proches sont liées par la gravité mutuelle, en paires, en groupes ou même en amas. Dans la situation cosmique, la réponse à la question où est le centre ou y a-t-il un centre est que non, il n'y a pas de centre discernable, chaque galaxie voit la même expansion. C'est une démocratie de points de vue. La réponse à la question est-il un avantage? Est-ce que les astronomes n'ont pas été en mesure de déterminer un bord de l'espace. Nous voyons plutôt un bord dans le temps correspondant au temps avant lequel les galaxies existaient. L'univers pourrait donc être infini. Hubble a observé une relation linéaire entre la distance d'une galaxie et sa vitesse de récession ou redshift. L'interprétation moderne de ses données est en termes d'un univers en expansion. Où l'espace-temps lui-même s'étend et les galaxies sont emportées dans un espace tridimensionnel. Cette expansion s'applique également au rayonnement voyageant à travers l'univers. Les vagues s'étirent et la lumière rougit au fur et à mesure qu'elle se déplace dans l'espace-temps en expansion. L'expansion cosmologique est tout à fait distincte de l'effet Doppler.


2 réponses 2

J'ai lu/entendu que l'expansion de l'univers empêcherait tout observateur de voir d'autres galaxies au fil du temps, car leur lumière ne les atteindrait plus.

C'est correct. L'espace se dilate et les galaxies s'éloignent les unes des autres, entraînées par l'expansion (appelée flux de Hubble). Il y a probablement déjà des galaxies en dehors de l'Univers observable, car la lumière n'a pas encore eu le temps de nous atteindre.

Si l'expansion continue (et continue de s'accélérer, comme nous le pensons en raison de l'énergie noire), les galaxies finiront par devenir complètement isolées dans l'espace, avec des distances si énormes que la lumière ne pourra pas les traverser.

J'ai toujours compris l'expansion de l'espace comme une homothétie (parce que l'espace s'étend uniformément ?). Est-ce exact ?

Je pense que vous voulez dire de manière homogène, et oui, c'est globalement correct. Cependant, la gravité est généralement assez forte localement pour surmonter l'expansion, c'est pourquoi les galaxies peuvent se former en premier lieu. Dans ces zones, l'expansion n'est pas techniquement homogène, car la gravité agit contre elle par des quantités différentes à différents endroits.

Si oui, tous les rapports des distances à leur image ne sont-ils pas supposés constants après une transformation d'échelle ?

En cosmologie, on aime bien définir ce qu'on appelle le facteur d'échelle cosmique, qui est égal à 1 aujourd'hui et à 0 (ou très proche) au début de l'espace-temps. Cela nous aide à comprendre comment les distances physiques ont changé au fil du temps, mais cela ne fait pas signifient que ces distances physiques ne changent pas.

Si la "règle" que nous utilisons pour mesurer les distances entre deux galaxies s'agrandit avec son espace, comment la distance que la lumière doit parcourir pour nous atteindre augmente-t-elle également ?

La séparation physique entre les objets non liés par la gravitation (par exemple les galaxies lointaines) s'accroît. Vous pouvez définir un facteur d'échelle qui change avec votre expansion afin que la distance regards comme si ça restait constant. Mais encore une fois, je souligne que l'expansion physique est toujours réelle.

Dessinez deux points rapprochés sur un ballon puis gonflez-le. Voyez comment les points se séparent au fur et à mesure que "l'espace-temps", c'est-à-dire que la surface du ballon se dilate. C'est essentiellement ce qui se passe dans l'Univers.

J'ai toujours compris l'expansion de l'espace comme une homothétie (parce que l'espace s'étend uniformément ?). Est-ce exact ?

C'est une homothétie de la géométrie spatiale tridimensionnelle, mais ce à quoi nous avons affaire en relativité générale est la géométrie de l'espace-temps quadridimensionnel. La notion de géométrie spatiale tridimensionnelle n'a de sens que si vous décidez d'abord de ce que vous entendez par surface de simultanéité. Une telle surface a une définition assez naturelle dans le cas particulier d'un espace-temps cosmologique homogène, mais ce n'est pas quelque chose qui est intégré à la structure de la relativité générale.

Si oui, tous les rapports des distances à leur image ne sont-ils pas supposés constants après une transformation d'échelle ?

Oui, mais lorsque vous observez la lumière d'une galaxie lointaine, vous ne mesurez pas seulement une distance. La relativité générale ne définit pas vraiment la distance spatiale entre deux points. When people talk about the distance between two galaxies, and those people understand how GR works, they know that they are talking about a certain mathematical construct that only makes sense because of certain special properties of cosmological spacetimes (basically the existence of a preferred local frame associated with the Hubble flow).

When you observe light from a distant galaxy, you are making an observation that depends on all the details of how the light traveled through the expanding universe. This motion took place over some long period of time, during which the geometry of the universe was changing dynamically.

If the "ruler" we use to mesure distances between two galaxies expands with its space, how does the distance that light has to travel to get to us also increases ?

Rulers do not expand by any significant amount due to cosmological expansion. If they did, then cosmological expansion would not be observable. (The part about "by any significant amount" is necessary because there are theoretically very tiny strains on a ruler due to the acceleration or deceleration of cosmological expansion, but these are much too small to measure in practice and do not necessarily show any secular trend.)


11.6 The Big Bang

We have been discussing elementary particles, which are some of the smallest things we can study. Now we are going to examine what we know about the universe, which is the biggest thing we can study. The link between these two topics is high energy: The study of particle interactions requires very high energies, and the highest energies we know about existed during the early evolution of the universe. Some physicists think that the unified force theories we described in the preceding section may actually have governed the behavior of the universe in its earliest moments.

Hubble’s Law

In 1929, Edwin Hubble published one of the most important discoveries in modern astronomy. Hubble discovered that (1) galaxies appear to move away from Earth and (2) the velocity of recession (v) is proportional to the distance (d) of the galaxy from Earth. Both v et d can be determined using stellar light spectra. A best fit to the sample illustrative data is given in Figure 11.18. (Hubble’s original plot had a considerable scatter but a general trend was still evident.)

The trend in the data suggests the simple proportional relationship:

Interactive

Watch this video to learn more about the history of Hubble’s constant.

Hubble’s law describes an average behavior of all but the closest galaxies. For example, a galaxy 100 Mpc away (as determined by its size and brightness) typically moves away from us at a speed of

This speed may vary due to interactions with neighboring galaxies. Conversely, if a galaxy is found to be moving away from us at speed of 100,000 km/s based on its red shift, it is at a distance

This last calculation is approximate because it assumes the expansion rate was the same 5 billion years ago as it is now.

Big Bang Model

Scientists who study the origin, evolution, and ultimate fate of the universe ( cosmology ) believe that the universe began in an explosion, called the Big Bang , approximately 13.7 billion years ago. This explosion was not an explosion of particles through space, like fireworks, but a rapid expansion of space itself. The distances and velocities of the outward-going stars and galaxies permit us to estimate when all matter in the universe was once together—at the beginning of time.

Scientists often explain the Big Bang expansion using an inflated-balloon model (Figure 11.19). Dots marked on the surface of the balloon represent galaxies, and the balloon skin represents four-dimensional space-time (Relativity). As the balloon is inflated, every dot “sees” the other dots moving away. This model yields two insights. First, the expansion is observed by all observers in the universe, no matter where they are located. The “center of expansion” does not exist, so Earth does not reside at the “privileged” center of the expansion (see Exercise 11.24).

Second, as mentioned already, the Big Bang expansion is due to the expansion of space, not the increased separation of galaxies in ordinary (static) three-dimensional space. This cosmological expansion affects all things: dust, stars, planets, and even light. Thus, the wavelength of light ( λ ) ( λ ) emitted by distant galaxies is “stretched” out. This makes the light appear “redder” (lower energy) to the observer—a phenomenon called cosmological redshift . Cosmological redshift is measurable only for galaxies farther away than 50 million light-years.

Example 11.8

Calculating Speeds and Galactic Distances

This value indicates a galaxy moving close to the speed of light. Using the relativistic redshift formula (given in Relativity), determine (a) How fast is the galaxy receding with respect to Earth? (b) How far away is the galaxy?

Strategy

Solution

Significance

The light of a galaxy that moves away from us is “redshifted.” What occurs to the light of a galaxy that moves toward us?

Interactive

View this video to learn more about the cosmological expansion.

Structure and Dynamics of the Universe

At large scales, the universe is believed to be both isotropic and homogeneous. The universe is believed to isotropic because it appears to be the same in all directions, and homogeneous because it appears to be the same in all places. A universe that is isotropic and homogeneous is said to be smooth. The assumption of a smooth universe is supported by the Automated Plate Measurement Galaxy Survey conducted in the 1980s and 1900s (Figure 11.20). However, even before these data were collected, the assumption of a smooth universe was used by theorists to simplify models of the expansion of the universe. This assumption of a smooth universe is sometimes called the cosmological principle .

The fate of this expanding and smooth universe is an open question. According to the general theory of relativity, an important way to characterize the state of the universe is through the space-time metric:

k is a constant with units of inverse area that describes the curvature of space. This constant distinguishes between open, closed, and flat universes:

In terms of the scale factor une, this metric also distinguishes between static, expanding, and shrinking universes:

The scale factor une and the curvature k are determined from Einstein’s general theory of relativity. If we treat the universe as a gas of galaxies of density ρ ρ and pressure p, and assume k = 0 k = 0 (a flat universe), than the scale factor une is given by

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    • Authors: Samuel J. Ling, Jeff Sanny, William Moebs
    • Éditeur/site Web : OpenStax
    • Book title: University Physics Volume 3
    • Publication date: Sep 29, 2016
    • Lieu : Houston, Texas
    • Book URL: https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/11-6-the-big-bang

    © Jan 25, 2021 OpenStax. Le contenu des manuels produit par OpenStax est sous licence Creative Commons Attribution License 4.0. Le nom OpenStax, le logo OpenStax, les couvertures de livres OpenStax, le nom OpenStax CNX et le logo OpenStax CNX ne sont pas soumis à la licence Creative Commons et ne peuvent être reproduits sans le consentement écrit préalable et exprès de Rice University.


    Watch the video: Avant le Big Bang et au-delà de lhorizon par Aurélien Barrau (Septembre 2021).