Astronomie

L'univers s'étend-il au même rythme partout dans l'univers ?

L'univers s'étend-il au même rythme partout dans l'univers ?

Plus précisément, je me demande si certaines zones de l'univers s'étendent plus rapidement que d'autres et si les zones à expansion plus rapide diffusent l'expansion à travers les zones à expansion plus lente ou si l'expansion se produit à un rythme uniforme dans tout l'univers.


Ce qui est en dehors de l'Univers observable, nous ne pouvons rien en dire, mais moyenné sur des échelles suffisamment grandes ($gtrsim$ un milliard d'années-lumière), il semble en effet s'étendre uniformément.

Cependant, la présence de masse, ou plus généralement d'énergie, retarde l'expansion. Cela signifie qu'à l'échelle des amas de galaxies, l'Univers s'étend plus lentement, et à l'échelle des groupes de galaxies, l'attraction gravitationnelle mutuelle des galaxies les empêchera de s'éloigner les unes des autres. C'est aussi pourquoi notre galaxie, notre système solaire, notre planète et nos vélos ne seront jamais déchirés (à moins que la constante cosmologique ne soit pas une constante).

Inversement, dans les sous-densités de masse, c'est-à-dire les énormes vides entre les amas et les filaments de gaz et de galaxies, l'expansion est augmentée (par rapport aux régions plus denses). En fait, il a été émis l'hypothèse que l'expansion accélérée observée de l'Univers n'est pas due à l'énergie noire, mais pourrait être une "illusion" de vivre accidentellement au centre d'une énorme sous-densité (par exemple Zibin et al. 2008). Des observations plus récentes semblent exclure cette possibilité, bien que


L'Univers tourne-t-il ?

Si vous regardez autour de l'espace, vous remarquerez que beaucoup de choses - les planètes, les étoiles, les lunes, même la galaxie elle-même - ont une chose en commun : elles tournent. Alors, est-ce que l'univers tourne aussi ?

Ce mystère est un mystère que les cosmologues ont étudié de manière approfondie, car c'est un mystère qui peut nous renseigner sur la nature fondamentale de l'univers.

"C'est une question très abstraite, comme la plupart de la cosmologie, mais ceux d'entre nous qui étudient la cosmologie pensent que c'est un moyen d'étudier la physique fondamentale", a déclaré Tess Jaffe, astrophysicienne à l'Université du Maryland et chercheuse adjointe au Goddard Space de la NASA. Centre de vol. "Il y a certaines choses que nous ne pouvons pas tester dans un laboratoire sur Terre, nous utilisons donc l'univers et la géométrie de l'univers, ce qui pourrait nous dire quelque chose sur la physique fondamentale." [S'il y avait un décalage dans le temps, comment les physiciens le trouveraient-ils ?]

Les scientifiques, en pensant à la nature fondamentale de l'univers, ont commencé par supposer que l'univers ne tourne pas et est isotrope, ce qui signifie qu'il a la même apparence dans toutes les directions. Cette hypothèse est cohérente avec les équations d'Einstein, mais n'est pas requise par celles-ci. À partir de cette réflexion, les scientifiques ont construit une norme de modèle cosmologique qui décrit l'univers.

"Cette [hypothèse] est vraiment encodée dans la façon dont nous effectuons nos calculs, la façon dont nous analysons nos données, dans la façon dont nous faisons beaucoup de choses", Daniela Saadeh, chercheuse à l'École de physique et d'astronomie de la Université de Nottingham au Royaume-Uni, a déclaré Live Science. "Mais vous devez le tester. Vous ne pouvez pas simplement espérer le meilleur."

Pour voir si ces hypothèses sur l'univers et sa physique fondamentale étaient justes, les scientifiques ont rassemblé des observations pour tester leurs modèles. En particulier, ils ont utilisé la lumière du fond diffus cosmologique, ou CMB en abrégé. Cette lumière est la plus ancienne que nous puissions observer - émise seulement 380 000 ans après le Big Bang - et constitue un trésor d'informations pour les cosmologistes qui étudient l'univers.

Le CMB semble presque identique dans toutes les directions, mais il existe de minuscules variations de sa température, juste un millième de degré, qui ont été affectées par l'histoire, le contenu et la géométrie de l'univers. En étudiant ces différences, les scientifiques peuvent voir si l'univers a été déformé de quelque manière que ce soit, ce qui suggérerait une rotation ou une expansion accrue dans une direction plus que dans une autre. Les mesures de la polarisation de la lumière - essentiellement son orientation - peuvent également fournir des informations sur la géométrie de l'univers.

Les scientifiques ont découvert que la lumière CMB ne montre aucune preuve que l'univers tourne. De plus, la probabilité que l'univers soit isotrope est de 120 000 à 1, ce qui signifie qu'il a la même apparence quelle que soit la direction dans laquelle vous regardez, selon une étude de 2016 dans la revue Physical Review Letters dirigée par Saadeh et Stephen Feeney, astrophysicien à l'Imperial College. Londres. Une autre étude a révélé une probabilité de 95 % que l'univers soit homogène, ce qui signifie qu'il est le même partout à grande échelle.

Toutes ces études suggèrent que l'univers est en grande partie uniforme et ne tourne pas. Cette conclusion n'est pas susceptible de changer. Les futures mesures de la polarisation du CMB pourraient s'améliorer au cours des prochaines décennies, mais il est peu probable que les nouvelles données remettent en cause les résultats précédents.

"Nous avons caractérisé le signal [température] qui est là, jusqu'à ce qu'il n'ait aucune autre information pour nous", a déclaré Jaffe à Live Science. "Je ne pense pas que [les nouvelles données de polarisation] auraient un grand impact sur la question de la rotation, précisément parce que la rotation est le signal que nous nous attendions à voir à très grande échelle et cela a été plus ou moins exclu par les données que nous avons déjà."

Si le résultat que l'univers ne tourne pas est certainement un soulagement pour les cosmologues qui avaient fondé leurs modèles sur cette hypothèse, il nous donne également une perspective intéressante sur notre place dans l'univers.

"Nous avons vraiment commencé en tant qu'humains à partir de cette idée que nous étions le centre de l'univers", a déclaré Saadeh. "Je pense que c'est vraiment fascinant à quel point nous sommes petits et insignifiants."


Les observations pionnières de Slipher

Curieusement, la découverte de l'expansion de l'univers a commencé avec la recherche de Martiens et d'autres systèmes solaires. En 1894, l'astronome controversé (et riche) Percival Lowell a établi un observatoire à Flagstaff, en Arizona, pour étudier les planètes et rechercher la vie dans l'univers. Lowell pensait que les nébuleuses spirales pourraient être des systèmes solaires en cours de formation. Il a donc demandé à l'un des jeunes astronomes de l'observatoire, Vesto M. Slipher (Figure 1), pour photographier les spectres de certaines nébuleuses spirales pour voir si leurs raies spectrales pourraient montrer des compositions chimiques comme celles attendues pour les planètes nouvellement formées.

Figure 1 : Vesto M. Slipher (1875-1969). Slipher a passé toute sa carrière à l'observatoire Lowell, où il a découvert les grandes vitesses radiales des galaxies. (crédit : Observatoire Lowell)

L'instrument principal de l'observatoire Lowell était un télescope réfracteur de 24 pouces, qui n'était pas du tout bien adapté aux observations de faibles nébuleuses en spirale. Avec la technologie disponible à cette époque, les plaques photographiques devaient être exposées pendant 20 à 40 heures pour produire un bon spectre (dans lequel les positions des lignes pouvaient révéler le mouvement d'une galaxie). Cela impliquait souvent de continuer à exposer la même photographie pendant plusieurs nuits. À partir de 1912, et en faisant des efforts héroïques sur une période d'environ 20 ans, Slipher a réussi à photographier les spectres de plus de 40 des nébuleuses spirales (qui s'avéreraient toutes être des galaxies).

À sa grande surprise, les raies spectrales de la plupart des galaxies ont montré une étonnante décalage vers le rouge. Par « décalage vers le rouge » nous entendons que les raies du spectre sont déplacées vers des longueurs d'onde plus longues (vers l'extrémité rouge du spectre visible). Rappelez-vous du chapitre sur le rayonnement et les spectres qu'un décalage vers le rouge est observé lorsque la source des ondes s'éloigne de nous. Les observations de Slipher ont montré que la plupart des spirales s'éloignent à des vitesses énormes, la vitesse la plus élevée qu'il a mesurée était de 1800 kilomètres par seconde.

Seules quelques spirales, telles que les galaxies d'Andromède et du Triangle et M81, qui sont maintenant toutes connues pour être nos proches voisines, se sont avérées s'approcher de nous. Toutes les autres galaxies s'éloignaient. Slipher a annoncé cette découverte pour la première fois en 1914, des années avant que Hubble ne montre que ces objets étaient d'autres galaxies et avant que quiconque sache à quelle distance ils se trouvaient. Personne à l'époque ne savait trop quoi penser de cette découverte.

Figure 2 : Milton Humason (1891-1972). Humason était le collaborateur de Hubble dans la grande tâche d'observer, de mesurer et de classer les caractéristiques de nombreuses galaxies. (crédit : Archives Caltech)


L'univers pourrait s'étendre comme un ballon grumeleux

Des scientifiques dirigés par Konstantinos Migkas de l'Université de Bonn en Allemagne ont analysé les données sur les rayons X émis par des centaines d'amas de galaxies, révélant que l'univers semble s'étendre différemment dans différentes parties du ciel. Ces résultats semblent vérifier d'autres résultats passés, qui semblaient auparavant plutôt des anomalies. Et bien qu'il ne soit pas encore temps de renverser la cosmologie moderne, les scientifiques se demandent déjà si un changement de paradigme se profile à l'horizon.

"C'est un résultat très excitant, avec un grand potentiel pour de futurs travaux", a déclaré Migkas à Gizmodo dans un e-mail. « Cela peut conduire à repenser la cosmologie. Mais avant de faire cela, nous devons nous assurer d'éliminer toutes les autres explications possibles. »

Une pierre angulaire des théories modernes pour expliquer l'univers est qu'il est isotrope, ou uniforme dans toutes les directions, sur les plus grandes échelles. Cela signifie que, à moins d'interactions plus spécifiques entre les objets, où que vous soyez, les propriétés physiques innées telles que le taux d'expansion de l'univers sont les mêmes partout.

Étant donné l'importance de cette hypothèse pour la cosmologie moderne, les scientifiques ont essayé de la tester de diverses manières. Par exemple, la température du rayonnement le plus éloigné que les astronomes peuvent voir est étonnamment uniforme, bien qu'il semble y avoir de légères irrégularités, appelées anisotropies. Les observations d'un type de supernova utilisé comme calibrateur de distance standard ont révélé à la fois un univers uniforme et un univers légèrement non uniforme, qui semble dépendre des supernovae incluses dans l'échantillon. Les scientifiques ont effectué de nombreuses autres observations à l'aide de diverses sondes, examinant la lumière visible et le rayonnement infrarouge provenant de galaxies lointaines, de sursauts de rayons gamma ou de sources radio distantes, encore une fois avec des résultats variables.

L'équipe de scientifiques dans ce cas a comparé la luminosité et la température des rayons X émis par différents amas de galaxies à travers le ciel. Ces valeurs, ainsi que le décalage vers le rouge, ou combien la couleur du rayonnement a été décalée par le taux d'expansion de l'univers, sont mesurables sans s'appuyer sur des hypothèses sur les propriétés de l'univers. Ils peuvent mesurer ces propriétés à travers le ciel, puis calculer les propriétés dont l'univers aurait besoin pour produire les résultats que nous voyons avec nos télescopes. La recherche est publiée ce mois-ci dans la revue Astronomy and Astrophysics.

Les données de l'étude proviennent de divers télescopes à rayons X, dont ROSAT, XMM-Newton et le télescope à rayons X Chandra, qui ont observé 313 amas de galaxies répartis dans le ciel. Lorsqu'ils ont effectué leur analyse, ils ont découvert que l'expansion de l'univers différait légèrement en différents points du ciel. Pour simplifier, imaginez placer les galaxies sur un cadran en expansion, où 12h00 et 6h00 se déplacent vers l'extérieur plus rapidement que prévu tandis que 3h00 et 9h00 se déplacent plus lentement que prévu. Et bien que les différences par rapport à un univers isotrope (alias uniforme) n'étaient pas si grandes si vous regardiez chaque point individuel, l'image globale était beaucoup moins susceptible d'être due au seul hasard.

Migkas a déclaré à Gizmodo que l'équipe n'était pas encore prête à déclarer l'expansion de l'univers anisotrope. Peut-être que des nuages ​​de gaz et de poussière non détectés ont absorbé une partie des rayons X, rendant certains amas plus faibles qu'ils ne le devraient autrement. Peut-être que certains amas de galaxies se déplacent ensemble pour des raisons sans rapport avec l'expansion de l'univers. L'équipe prévoit d'améliorer ses méthodes, par exemple en effectuant les mesures dans d'autres longueurs d'onde de la lumière que celles utilisées pour cette étude, a déclaré Migkas.

Un chercheur qui n'a pas participé à l'étude, le professeur Subir Sarkar de l'Université d'Oxford, a expliqué à Gizmodo que les résultats en eux-mêmes constituent un écart intéressant par rapport aux attentes, mais sont plus convaincants lorsqu'ils sont combinés avec des résultats analysant des galaxies émettrices de radio distantes, à proximité galaxies infrarouges et supernovae lointaines. En regardant toutes ces données ensemble, il semble que l'univers pourrait vraiment être anisotrope. Cependant, il a averti que ce type de résultat pourrait être sensible aux changements d'analyse statistique des données ou dans lesquels des amas de galaxies sont observés.

Pendant ce temps, Alexey Vikhlinin, directeur adjoint adjoint de la division d'astrophysique des hautes énergies du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, a tweeté qu'il était "prêt à parier" que l'article était de la "science indésirable". Il a déclaré à Gizmodo dans un e-mail que la sélection d'objets cosmiques en fonction de la luminosité, comme cela a été fait dans cet échantillon, introduit un type de biais bien connu où l'échantillon est plus lumineux que la population globale. Il a déclaré que le document n'avait pas correctement corrigé ce biais et qu'il avait peut-être également été victime d'autres biais de sélection.

Alors, l'univers est-il en expansion régulière ou inégale ? Pour l'instant, un univers isotrope est une hypothèse, et les astronomes s'efforcent toujours de prouver ou de réfuter cette hypothèse. Si l'univers était vraiment anisotrope, certaines des théories fondamentales qui le régissent pourraient nécessiter une révision. Mais comme c'est généralement le cas, il faudra plus d'observations avant de connaître la réponse avec certitude.


L'univers s'étend 9 % plus vite que prévu, selon les nouvelles mesures de Hubble

Les mesures du taux d'expansion d'aujourd'hui ne correspondent pas au taux attendu sur la base de l'apparition de l'Univers peu de temps après le Big Bang il y a plus de 13 milliards d'années. Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA ont considérablement réduit la possibilité que cet écart soit un hasard.

Cette image montre l'ensemble du Grand Nuage de Magellan, avec certains des objets les plus brillants marqués. Crédit image : Robert Gendler / ESO.

L'incohérence se situe entre les mesures de Hubble du taux d'expansion actuel de l'Univers et le taux d'expansion mesuré par le satellite Planck de l'ESA, qui observe les conditions de l'Univers primitif seulement 380 000 ans après le Big Bang.

Pendant des années, les astronomes ont supposé que cet écart disparaîtrait en raison d'un coup de chance instrumental ou d'observation. Au lieu de cela, alors que les astronomes de Hubble continuent de « serrer les boulons » sur la précision de leurs mesures, les valeurs discordantes restent obstinément en désaccord.

Les dernières données de Hubble réduisent la possibilité que l'écart ne soit qu'un coup de chance à 1 sur 100 000. Il s'agit d'un gain significatif par rapport à une estimation précédente, il y a moins d'un an, d'une chance de 1 sur 3 000.

Ces mesures Hubble les plus précises à ce jour renforcent l'idée qu'une nouvelle physique pourrait être nécessaire pour expliquer le décalage.

"La tension de Hubble entre le début et la fin de l'Univers peut être le développement le plus passionnant de la cosmologie depuis des décennies", a déclaré le lauréat du prix Nobel et chef du projet, le professeur Adam Riess, du Space Telescope Science Institute et de l'Université Johns Hopkins.

La nouvelle estimation de la constante de Hubble est de 46 miles (74,03 km) par seconde par mégaparsec. Cela signifie que pour chaque tranche de 3,3 millions d'années-lumière de plus qu'une galaxie se trouve de nous, elle semble se déplacer de 46 miles par seconde plus rapidement, en raison de l'expansion de l'Univers.

Le nombre indique que l'Univers se développe à un rythme environ 9% plus rapide que celui impliqué par les observations de Planck sur l'Univers primitif, qui donnent une valeur pour la constante de Hubble de 41,6 miles (67 km) par seconde par mégaparsec.

"Ce décalage s'est accru et a maintenant atteint un point qu'il est vraiment impossible de considérer comme un coup de chance. Cette disparité ne pouvait vraisemblablement pas se produire par hasard », a déclaré le professeur Riess.

L'équipe a analysé la lumière de 70 variables céphéides dans une galaxie satellite voisine connue sous le nom de Grand Nuage de Magellan, maintenant calculée à 162 000 années-lumière.

Parce que ces étoiles s'éclaircissent et s'assombrissent à des rythmes prévisibles, et que les périodes de ces variations nous donnent leur luminosité et donc leur distance, les astronomes les utilisent comme jalons cosmiques.

Le professeur Riess et ses collègues ont utilisé une technique d'observation efficace appelée Drift And Shift (DASH) en utilisant Hubble comme appareil photo « viser et tirer » pour prendre des images rapides des étoiles brillantes. Cela évite l'étape plus fastidieuse d'ancrer le télescope avec des étoiles guides pour observer chaque étoile.

Les résultats ont été combinés avec des observations faites par le projet Araucaria, une collaboration entre des astronomes d'Europe, du Chili et des États-Unis pour mesurer la distance au Grand Nuage de Magellan en observant la gradation de la lumière lorsqu'une étoile passe devant son partenaire dans un système d'étoiles binaires.

"Auparavant, les théoriciens me disaient:" Cela ne peut pas être. Ça va tout casser. » Maintenant, ils disent : « Nous pourrions vraiment le faire », a déclaré le professeur Riess.

Divers scénarios ont été proposés pour expliquer l'écart, mais il n'y a pas encore de réponse concluante. Une forme invisible de matière appelée matière noire peut interagir plus fortement avec la matière normale que les astronomes ne le pensaient auparavant. Ou peut-être que l'énergie noire, une forme inconnue d'énergie qui imprègne l'espace, est responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers.

Bien que les astronomes n'aient pas de réponse à cette disparité déroutante, ils ont l'intention de continuer à utiliser Hubble pour réduire l'incertitude dans leur mesure de la constante de Hubble, qu'ils espèrent réduire à 1%.

Les résultats de l'équipe ont été publiés dans le Journal d'astrophysique.

W. D'Arcy Kenworthy et al. 2019. La perspective locale sur la tension de Hubble : la structure locale n'a pas d'impact sur la mesure de la constante de Hubble. ApJ 875, 145 doi : 10.3847/1538-4357/ab0ebf


L'univers : votre adresse cosmique

REMARQUE : le projet Universe a récemment changé. L'ancienne version est toujours disponible.

Où habites-tu? Votre domicile ou votre école a une adresse : une rue, une ville ou un village et un pays. Lorsque quelqu'un veut vous envoyer une lettre, il donne votre adresse, afin que votre facteur sache que la lettre doit vous être envoyée. Par exemple, l'adresse du bâtiment d'astronomie de l'Université Johns Hopkins est :

3701, promenade Saint-Martin
Baltimore, Maryland 21218
les états-unis d'Amérique

question 1. Quelle est l'adresse de votre école ?

Mais est-ce que cette adresse vraiment décrivez où vous êtes? Imaginez étendre l'adresse à des divisions de plus en plus grandes, jusqu'à ce qu'elle devienne une "adresse cosmique" qui inclut votre continent, votre planète, votre galaxie et votre univers. Ainsi, l'« adresse cosmique » du bâtiment d'astronomie Johns Hopkins serait :

3701, promenade Saint-Martin
Baltimore, Maryland 21218
Etats-Unis
Amérique du Nord
Terre
Le système solaire
La Voie Lactée
L'univers

question 2. Quelle est l'adresse cosmique de votre école ?

La dernière étape de l'adresse cosmique est la plus grande division : l'univers. L'univers est en fait tout et partout. Chaque étoile et chaque galaxie que nous voyons font partie du même univers. L'univers est un endroit vraiment grand !


[astronomie] Si l'univers s'est étendu au même rythme pendant le Big Bang, pourquoi y a-t-il des zones de forte densité de masse (galaxies) et des zones de faible densité de masse ?

C'est en fait une excellente question, mais très difficile à répondre. Il touche à de nombreuses parties différentes de la cosmologie et il y a encore beaucoup de débats à ce sujet.

Une partie est essentiellement la question des conditions initiales. A quoi ressemblait l'univers au début ? Et pourquoi? Répondre à cela implique des sujets tels que : la théorie des cordes, l'inflation, le préchauffage, la baryogénèse, la nucléosynthèse primordiale. (Dans l'ordre croissant de ce que nous savons à leur sujet). Certains de ces éléments sont très controversés et théoriques, alors je vais le laisser de côté.

Ce que nous savons vraiment c'est ainsi que l'univers s'occupait de ces processus. À ce stade, l'univers a environ 400 000 ans et est essentiellement rempli d'un gaz neutre (principalement de l'hydrogène). (Nous le savons à cause de l'arrière-plan Cosmic Mircowave). Le gaz est presque parfaitement homogène, avec des fluctuations de l'ordre de 10 -5 . Ces fluctuations initiales augmentent avec le temps : les zones plus denses ont une attraction gravitationnelle plus forte, attirent plus de gaz et deviennent encore plus denses. Finalement, ils forment des amas de galaxies, des galaxies et à plus petite échelle des nuages ​​de gaz s'effondrent pour former des étoiles. Par conséquent, les fluctuations sont les germes de la structure à grande échelle que nous observons aujourd'hui. C'est bien sûr chemin plus complexe! Les cosmologistes utilisent des simulations informatiques massives pour comprendre exactement comment de minuscules fluctuations évoluent dans l'univers que nous observons aujourd'hui. (Il existe de nombreux retours/effets non linéaires, matière noire.)

J'espère que cet aperçu approximatif est quelque peu utile. S'il vous plaît demander si vous voulez plus de détails.

Par fluctuations, voulez-vous dire qu'il n'y avait pas de densité uniforme d'hydrogène dans l'univers primitif ?

Pourquoi tout cela ne s'est-il pas simplement formé en une boule gigantesque au lieu d'un tas de boules différentes ?

Oh, c'est une excellente question !

En première approximation, l'Univers est partout uniforme. Lorsque nous parlons de l'expansion de l'Univers au même rythme à chaque endroit, c'est ce que nous voulons dire.

Bien sûr, l'Univers n'est pas vraiment uniforme - Je suis ici, vous êtes là, il y a un hérisson là-bas, Donald Trump fait quelque chose de ridicule là-bas, et toutes ces parties de l'Univers ont des propriétés différentes. Ce n'est vraiment que lorsque vous effectuez un zoom arrière à des échelles de quelques centaines de millions d'années-lumière ou plus que l'uniformité globale de l'Univers devient apparente.

Donc, à des échelles inférieures à des centaines de millions d'années-lumière, d'où s'est produite la non-uniformité ? La meilleure réponse à ce jour vient de la théorie de inflation cosmique. L'idée avec le gonflage est qu'une fraction de seconde après le Big Bang - moins de 10 -30 secondes ! - l'Univers a connu une phase d'expansion qui s'accélère rapidement. (Pourquoi a-t-il fait cela ? Il y a toutes sortes de théories, avec des degrés de plausibilité variables, mais c'est un sujet pour un autre jour. Qu'il suffise de dire que si les observations sont tout à fait cohérentes avec l'inflation qui s'est produite, les données ne sont pas #x27t tout à fait capable de choisir un modèle d'inflation spécifique pour le moment.)

L'inflation n'a en fait pas été conçue pour répondre à cette question de savoir d'où viennent les non-uniformités - elle a été initialement formulée au début des années 1980 pour répondre à une grande variété d'autres questions sur le Big Bang, comme pourquoi l'Univers est aujourd'hui plat et presque uniforme (en fait, il était à l'origine destiné à expliquer pourquoi nous ne voyons aucun monopôle magnétique). Il a fallu quelques années à Stephen Hawking et à d'autres pour se rendre compte que l'inflation donnait naturellement une explication à la génération de la structure cosmique - un bonus amusant ! Voici à quoi ressemble cette réponse.

La mécanique quantique a en son cœur le célèbre principe incertain - vous ne pouvez pas mesurer simultanément la position et la vitesse d'une particule avec une précision arbitraire, il y a toujours une incertitude totale. Il existe également une version du principe d'incertitude qui s'applique à l'énergie et au temps - moins vous passez de temps à mesurer un processus, plus il y a d'incertitude intrinsèque sur la quantité d'énergie qu'il y avait dans ce processus. En conséquence, le monde quantique, à très petite échelle, est comme une baignoire moussante avec des particules entrant et sortant de l'existence, l'énergie variant d'un endroit à l'autre et de temps en temps.

Maintenant, pendant l'inflation, l'expansion de l'Univers s'accélérait à un rythme si obscène que de minuscules échelles quantiques ont rapidement été agrandies pour être plus grandes que l'Univers observable. Ces fluctuations quantiques de la densité d'énergie à de minuscules échelles s'atténuent normalement rapidement, mais pendant l'inflation, elles ont été portées à une taille cosmique avant de pouvoir le faire. Parce que la vitesse de la lumière est finie, ils ne pouvaient plus communiquer les uns avec les autres pour se dire « faites la moyenne ! » Ainsi, ces variations de densité, dues aux fluctuations quantiques à petite échelle du principe d'incertitude, se sont retrouvées imprimées sur la structure à grande échelle de l'univers.

Après la fin de l'inflation, toutes ces anciennes fluctuations quantiques de la taille de l'Univers ont commencé à revenir en contact les unes avec les autres, vous laissant avec un Univers qui était en grande partie uniforme mais plein de minuscules (une partie sur dix mille) fluctuations de sa densité. Après quelques millions d'années, cependant, la gravité a pris le dessus - les régions les plus denses ont commencé à s'effondrer sous leur propre gravité, se découplant entièrement de l'expansion cosmique qui se passait autour d'elles. Finalement, le gaz dans ces régions a commencé à reculer. Des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies se sont formés, et l'Univers que nous connaissons aujourd'hui a commencé à prendre forme.


A quelle vitesse l'univers s'étend-il ? Les galaxies fournissent une réponse.

Déterminer à quelle vitesse l'univers s'étend est essentiel pour comprendre notre destin cosmique, mais avec des données plus précises est venu une énigme : les estimations basées sur des mesures au sein de notre univers local ne concordent pas avec les extrapolations de l'ère peu après le Big Bang 13,8 milliards d'années depuis.

Une nouvelle estimation du taux d'expansion locale - la constante de Hubble, ou H0 (H-naught) - renforce cet écart.

En utilisant une technique relativement nouvelle et potentiellement plus précise pour mesurer les distances cosmiques, qui utilise la luminosité stellaire moyenne dans les galaxies elliptiques géantes comme barreau sur l'échelle des distances, les astronomes calculent un taux - 73,3 kilomètres par seconde par mégaparsec, à 2,5 km environ /sec/Mpc -- qui se situe au milieu de trois autres bonnes estimations, y compris l'estimation de référence des supernovae de type Ia. Cela signifie que pour chaque mégaparsec - 3,3 millions d'années-lumière, ou 3 milliards de milliards de kilomètres - depuis la Terre, l'univers s'étend de 73,3 ± 2,5 kilomètres supplémentaires par seconde. La moyenne des trois autres techniques est de 73,5 ±1,4 km/sec/Mpc.

De manière perplexe, les estimations du taux d'expansion locale basées sur les fluctuations mesurées du fond diffus cosmologique et, indépendamment, les fluctuations de la densité de matière normale dans l'univers primitif (oscillations acoustiques baryoniques), donnent une réponse très différente : 67,4 ±0,5 km/ s/Mpc.

Les astronomes sont naturellement préoccupés par cette inadéquation, car le taux d'expansion est un paramètre critique pour comprendre la physique et l'évolution de l'univers et est essentiel pour comprendre l'énergie noire - qui accélère le taux d'expansion de l'univers et provoque ainsi la constante de Hubble à changer plus rapidement que prévu avec l'augmentation de la distance de la Terre. L'énergie noire comprend environ les deux tiers de la masse et de l'énergie de l'univers, mais reste un mystère.

Pour la nouvelle estimation, les astronomes ont mesuré les fluctuations de la luminosité de surface de 63 galaxies elliptiques géantes pour déterminer la distance et la distance tracée en fonction de la vitesse pour chacune afin d'obtenir H0. La technique de fluctuation de la luminosité de la surface (SBF) est indépendante des autres techniques et a le potentiel de fournir des estimations de distance plus précises que d'autres méthodes à environ 100 Mpc de la Terre, soit 330 millions d'années-lumière. Les 63 galaxies de l'échantillon se situent à des distances allant de 15 à 99 Mpc, remontant le temps à une simple fraction de l'âge de l'univers.

"Pour mesurer les distances des galaxies jusqu'à 100 mégaparsecs, c'est une méthode fantastique", a déclaré le cosmologue Chung-Pei Ma, professeur Judy Chandler Webb en sciences physiques à l'Université de Californie à Berkeley et professeur d'astronomie et de physique. "C'est le premier article qui rassemble un grand ensemble homogène de données, sur 63 galaxies, dans le but d'étudier H-naught en utilisant la méthode SBF."

Ma dirige l'enquête MASSIVE sur les galaxies locales, qui a fourni des données pour 43 des galaxies – les deux tiers de celles utilisées dans la nouvelle analyse.

Les données sur ces 63 galaxies ont été rassemblées et analysées par John Blakeslee, un astronome du NOIRLab de la National Science Foundation. Il est le premier auteur d'un article maintenant accepté pour publication dans Le Journal d'Astrophysique qu'il a co-écrit avec son collègue Joseph Jensen de l'Utah Valley University à Orem. Blakeslee, qui dirige le personnel scientifique qui soutient les observatoires optiques et infrarouges de la NSF, est un pionnier dans l'utilisation du SBF pour mesurer les distances jusqu'aux galaxies, et Jensen a été l'un des premiers à appliquer la méthode aux longueurs d'onde infrarouges. Les deux ont travaillé en étroite collaboration avec Ma sur l'analyse.

"Toute l'histoire de l'astronomie est, dans un sens, l'effort pour comprendre l'échelle absolue de l'univers, qui nous renseigne ensuite sur la physique", a déclaré Blakeslee, évoquant le voyage de James Cook à Tahiti en 1769 pour mesurer un transit de Vénus pour que les scientifiques puissent calculer la vraie taille du système solaire. "La méthode SBF est plus largement applicable à la population générale de galaxies évoluées dans l'univers local, et certainement si nous obtenons suffisamment de galaxies avec le télescope spatial James Webb, cette méthode a le potentiel de donner la meilleure mesure locale de la constante de Hubble. "

Le télescope spatial James Webb, 100 fois plus puissant que le télescope spatial Hubble, devrait être lancé en octobre.

Galaxies elliptiques géantes

La constante de Hubble est une pomme de discorde depuis des décennies, depuis qu'Edwin Hubble a mesuré pour la première fois le taux d'expansion locale et a trouvé une réponse sept fois trop grande, ce qui implique que l'univers était en fait plus jeune que ses étoiles les plus anciennes. Le problème, alors et maintenant, réside dans la localisation des objets dans l'espace qui donnent peu d'indices sur leur distance.

Au fil des ans, les astronomes sont passés à des distances plus grandes, en commençant par calculer la distance avec des objets suffisamment proches pour qu'ils semblent se déplacer légèrement, à cause de la parallaxe, lorsque la Terre tourne autour du soleil. Les étoiles variables appelées Céphéides vous emmènent plus loin, car leur luminosité est liée à leur période de variabilité, et les supernovae de type Ia vous emmènent encore plus loin, car ce sont des explosions extrêmement puissantes qui, à leur apogée, brillent aussi brillantes que toute une galaxie. Pour les céphéides et les supernovae de type Ia, il est possible de déterminer la luminosité absolue à partir de la façon dont elles changent au fil du temps, puis la distance peut être calculée à partir de leur luminosité apparente vue de la Terre.

La meilleure estimation actuelle de H0 provient des distances déterminées par les explosions de supernova de type Ia dans des galaxies lointaines, bien que des méthodes plus récentes - les retards causés par la lentille gravitationnelle des quasars éloignés et la luminosité des masers d'eau en orbite autour des trous noirs - donnent toutes à peu près le même nombre .

La technique utilisant les fluctuations de luminosité de surface est l'une des plus récentes et repose sur le fait que les galaxies elliptiques géantes sont anciennes et ont une population cohérente d'étoiles anciennes - principalement des étoiles géantes rouges - qui peuvent être modélisées pour donner une luminosité infrarouge moyenne à travers leur surface. Les chercheurs ont obtenu des images infrarouges à haute résolution de chaque galaxie avec la caméra à grand champ 3 du télescope spatial Hubble et ont déterminé à quel point chaque pixel de l'image différait de la "moyenne" - plus les fluctuations sont douces sur l'ensemble de l'image, plus loin the galaxy, once corrections are made for blemishes like bright star-forming regions, which the authors exclude from the analysis.

Neither Blakeslee nor Ma was surprised that the expansion rate came out close to that of the other local measurements. But they are equally confounded by the glaring conflict with estimates from the early universe -- a conflict that many astronomers say means that our current cosmological theories are wrong, or at least incomplete.

The extrapolations from the early universe are based on the simplest cosmological theory -- called lambda cold dark matter, or ΛCDM -- which employs just a few parameters to describe the evolution of the universe. Does the new estimate drive a stake into the heart of ΛCDM?

"I think it pushes that stake in a bit more," Blakeslee said. "But it (ΛCDM) is still alive. Some people think, regarding all these local measurements, (that) the observers are wrong. But it is getting harder and harder to make that claim -- it would require there to be systematic errors in the same direction for several different methods: supernovae, SBF, gravitational lensing, water masers. So, as we get more independent measurements, that stake goes a little deeper."

Ma wonders whether the uncertainties astronomers ascribe to their measurements, which reflect both systematic errors and statistical errors, are too optimistic, and that perhaps the two ranges of estimates can still be reconciled.

"The jury is out," she said. "I think it really is in the error bars. But assuming everyone's error bars are not underestimated, the tension is getting uncomfortable."

In fact, one of the giants of the field, astronomer Wendy Freedman, recently published a study pegging the Hubble constant at 69.8 ±1.9 km/sec/Mpc, roiling the waters even further. The latest result from Adam Riess, an astronomer who shared the 2011 Nobel Prize in Physics for discovering dark energy, reports 73.2 ±1.3 km/sec/Mpc. Riess was a Miller Postdoctoral Fellow at UC Berkeley when he performed this research, and he shared the prize with UC Berkeley and Berkeley Lab physicist Saul Perlmutter.

The new value of H0 is a byproduct of two other surveys of nearby galaxies -- in particular, Ma's MASSIVE survey, which uses space and ground-based telescopes to exhaustively study the 100 most massive galaxies within about 100 Mpc of Earth. A major goal is to weigh the supermassive black holes at the centers of each one.

To do that, precise distances are needed, and the SBF method is the best to date, she said. The MASSIVE survey team used this method last year to determine the distance to a giant elliptical galaxy, NGC 1453, in the southern sky constellation of Eridanus. Combining that distance, 166 million light years, with extensive spectroscopic data from the Gemini and McDonald telescopes -- which allowed Ma's graduate students Chris Liepold and Matthew Quenneville to measure the velocities of the stars near the center of the galaxy -- they concluded that NGC 1453 has a central black hole with a mass nearly 3 billion times that of the sun.

To determine H0, Blakeslee calculated SBF distances to 43 of the galaxies in the MASSIVE survey, based on 45 to 90 minutes of HST observing time for each galaxy. The other 20 came from another survey that employed HST to image large galaxies, specifically ones in which Type Ia supernovae have been detected.

Most of the 63 galaxies are between 8 and 12 billion years old, which means that they contain a large population of old red stars, which are key to the SBF method and can also be used to improve the precision of distance calculations. In the paper, Blakeslee employed both Cepheid variable stars and a technique that uses the brightest red giant stars in a galaxy -- referred to as the tip of the red giant branch, or TRGB technique -- to ladder up to galaxies at large distances. They produced consistent results. The TRGB technique takes account of the fact that the brightest red giants in galaxies have about the same absolute brightness.

"The goal is to make this SBF method completely independent of the Cepheid-calibrated Type Ia supernova method by using the James Webb Space Telescope to get a red giant branch calibration for SBFs," he said.

"The James Webb telescope has the potential to really decrease the error bars for SBF," Ma added. But for now, the two discordant measures of the Hubble constant will have to learn to live with one another.

"I was not setting out to measure H0 it was a great product of our survey," she said. "But I am a cosmologist and am watching this with great interest."

Co-authors of the paper with Blakeslee, Ma and Jensen are Jenny Greene of Princeton University, who is a leader of the MASSIVE team, and Peter Milne of the University of Arizona in Tucson, who leads the team studying Type Ia supernovae. The work was supported by the National Aeronautics and Space Administration (HST-GO-14219, HST-GO-14654, HST GO-15265) and the National Science Foundation (AST-1815417, AST-1817100).

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Curious Kids: will the universe expand forever, or contract in a big crunch?

Tamara Davis receives funding from the Australian Research Council.

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This is an article from Curious Kids, a series for children. The Conversation is asking kids to send in questions they’d like an expert to answer. All questions are welcome – serious, weird or wacky!

What’s more likely - that the universe will expand forever, or that it will contract in a big crunch, causing the end of the cosmos? – Mushahid, aged 16, Chitral, Pakistan.

About a century ago, we didn’t even know that galaxies existed.

Then, in the 1910s, astronomers figured out how to measure the distance to features called “spiral nebulae” they were seeing in the sky. Although these looked like clouds of gas nearby to us, the scientists realised they were whole galaxies containing billions of stars, really far away.

Pretty much as soon as we understood what galaxies were, we discovered that they are all moving away from each other, and the ones that are further away are moving faster — in other words, the universe is expanding.

The expansion of the universe is everywhere - all points are moving away from each other.

Ever since then the question has been: will the universe expand forever, or will it one day recollapse in a “big crunch”?

There’s a reason this was a puzzle: it’s because gravity should be slowing down the expansion. All the galaxies pull on each other in the same way that the earth pulls on us and brings us back down when we jump.

When I throw a ball up into the air, initially it may be going fast, but then it slows down, stops going up, and falls back to Earth.

However, if I throw it fast enough so it’s travelling at more than 11 kilometres per second (that’s very fast!), then it will never come back to Earth. It will have what’s called the “escape velocity” – this is the speed at which Earth’s gravity will not be strong enough to pull it back down.

If I was on the Moon, it gets even easier because the mass of the Moon is smaller: its almost 100 times lighter than Earth. That means the force due to gravity there is less, and therefore I could throw the ball much more slowly and it would still escape the moon’s gravity. Just over 2 kilometres per second would do it.

So the question becomes: how heavy are all the galaxies, and are they moving fast enough away from each other to have the escape velocity? If so, the universe would expand forever.

After the Big Bang (shown at bottom), everything expanded away from everything else. physicsoftheuniverse.com

We had to wait until the 1990s when measurements became precise enough to figure out the answer. And the answer came as a big surprise. When astronomers finally measured how the expansion was changing, they discovered that gravity wasn’t actually slowing it down at all. In fact, the expansion was speeding up!

That’s sort of crazy, because it means that gravity is working in reverse: something is pushing the galaxies away from each other. It is as strange as if I threw a ball gently up in the air and watched it accelerate off into space.

We don’t know what is causing the acceleration, but we give it the name énergie noire.

Even though we don’t actually know what dark energy is, we can now answer the original question — yes, the universe will expand forever and we’ll experience a “big freeze”, not a “big crunch”.

The galaxies will all keep getting further apart from each other, the universe will get colder and colder, and eventually any galaxies beyond our local group will become so faint and distant that we won’t be able to see them at all — their light won’t even be able to reach us.

There’s even a chance that the acceleration might get so extreme that it rips apart our own galaxy, and eventually even rips apart atoms… destroying us all. That would be called the “big rip”. Most likely, though, we’re headed for a big freeze.

So the universe is going to last a very long time, but the future will be cold and dark.

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Steady-state theory

Our editors will review what you’ve submitted and determine whether to revise the article.

Steady-state theory, in cosmology, a view that the universe is always expanding but maintaining a constant average density, with matter being continuously created to form new stars and galaxies at the same rate that old ones become unobservable as a consequence of their increasing distance and velocity of recession. A steady-state universe has no beginning or end in time, and from any point within it the view on the grand scale—i.e., the average density and arrangement of galaxies—is the same. Galaxies of all possible ages are intermingled.

The theory was first put forward in 1948 by British scientists Sir Hermann Bondi, Thomas Gold, and Sir Fred Hoyle. It was further developed by Hoyle to deal with problems that had arisen in connection with the alternative big-bang hypothesis. Observations since the 1950s (most notably, those of the cosmic microwave background, which was predicted by the big-bang model) have produced much evidence contradictory to the steady-state picture and have led scientists to overwhelmingly support the big-bang model.

The Editors of Encyclopaedia Britannica This article was most recently revised and updated by Erik Gregersen, Senior Editor.