Mesure de l’expansion et de la variation du taux de expansionEdit
Lorsqu’un objet est fuyante, sa lumière s’étend (décalée). Lorsque l’objet approche, sa lumière est compressée (blueshifted).,
en principe, l’expansion de l’univers pourrait être mesurée en prenant une règle standard et en mesurant la distance entre deux points cosmologiquement éloignés, en attendant un certain temps, puis en mesurant à nouveau la distance, mais en pratique, les règles standard ne sont pas faciles à trouver à l’échelle cosmologique et les échelles de temps sur lesquelles une expansion mesurable serait visible sont trop grandes pour être observables même par plusieurs générations d’humains. L’expansion de l’espace est mesurée indirectement., La théorie de la relativité prédit les phénomènes associés à l’expansion, notamment la relation décalage vers le rouge-distance connue sous le nom de loi de Hubble; formes fonctionnelles pour les mesures de distance cosmologiques qui diffèrent de ce qui serait attendu si l’espace n’était pas en expansion; et un changement observable dans la densité de matière et d’énergie de
la première mesure de l’expansion de L’espace est venue avec la réalisation par Hubble de la relation vitesse / décalage vers le rouge., Plus récemment, en comparant la luminosité apparente des bougies standard distantes au décalage vers le rouge de leurs galaxies hôtes, le taux d’expansion de l’univers a été mesuré à H0 = 73,24 ± 1,74 (km/s)/Mpc. Cela signifie que pour chaque million de parsecs de distance de l’observateur, la lumière reçue de cette distance est cosmologiquement redshiftée d’environ 73 kilomètres par seconde (160 000 mph). D’autre part, en supposant un modèle cosmologique, par exemple le modèle Lambda-CDM, on peut déduire la constante de Hubble de la taille des plus grandes fluctuations observées dans le fond cosmique des micro-ondes., Une constante de Hubble plus élevée impliquerait une taille caractéristique plus petite des fluctuations CMB, et vice versa. La collaboration Planck mesure le taux d’expansion de cette façon et détermine H0 = 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc. Il y a un désaccord entre les deux mesures, l’échelle de distance étant indépendante du modèle et la mesure CMB dépendant du modèle ajusté, ce qui laisse entrevoir une nouvelle physique au-delà de nos modèles cosmologiques standard.
Le paramètre Hubble n’est pas considéré comme constant dans le temps. Il y a des forces dynamiques agissant sur les particules dans l’univers qui affectent le taux d’expansion., On s’attendait plus tôt à ce que le paramètre de Hubble diminue au fil du temps en raison de l’influence des interactions gravitationnelles dans l’univers, et il existe donc une quantité observable supplémentaire dans l’univers appelée paramètre de décélération que les cosmologistes s’attendaient à être directement liés à la densité de matière de l’univers. Étonnamment, le paramètre de décélération a été mesuré par deux groupes différents pour être inférieur à zéro (en fait, cohérent avec -1), ce qui implique qu’aujourd’hui le paramètre de Hubble converge vers une valeur constante au fil du temps., Certains cosmologistes ont appelé de manière fantaisiste l’effet associé à « l’accélération de l’Univers » Le « jerk cosmique ». Le prix Nobel de physique 2011 a été décerné pour la découverte de ce phénomène.
en octobre 2018, les scientifiques ont présenté une nouvelle troisième voie (deux méthodes antérieures, l’une basée sur les décalages vers le rouge et l’autre sur l’échelle de distance cosmique, ont donné des résultats qui ne concordent pas), utilisant les informations des événements d’ondes gravitationnelles (en particulier celles impliquant la fusion d’étoiles à neutrons, comme GW170817), de déterminer,
mesurer les distances dans l’espace en expandemodifier
aux échelles cosmologiques, l’univers actuel est géométriquement plat, c’est-à-dire que les règles de la géométrie euclidienne associées au cinquième postulat D’Euclide tiennent, bien que dans le passé l’espace-temps ait pu être très incurvé. En partie pour s’adapter à de telles géométries différentes, l’expansion de l’univers est intrinsèquement relativiste générale; elle ne peut pas être modélisée avec la relativité restreinte seule, bien que de tels modèles existent, ils sont en contradiction fondamentale avec l’interaction observée entre la matière et l’espace-temps vu dans notre univers.,
Les images de droite montrent deux vues de diagrammes de l’espace-temps qui montrent la géométrie à grande échelle de l’univers selon le modèle cosmologique ΛCDM. Deux des dimensions de l’espace sont omises, laissant une dimension de l’espace (la dimension qui grandit à mesure que le cône grossit) et une dimension du temps (la dimension qui remonte « vers le haut » la surface du cône)., L’extrémité circulaire étroite du diagramme correspond à un temps cosmologique de 700 millions d’années après le big bang tandis que l’extrémité large est un temps cosmologique de 18 milliards d’années, où l’on peut voir le début de l’expansion accélérée comme un évasement vers l’extérieur de l’espace-temps, caractéristique qui finit par dominer dans ce modèle. Les lignes de grille violettes marquent le temps cosmologique à des intervalles d’un milliard d’années à partir du big bang. Les lignes de la grille cyan marquent la distance de comoving à des intervalles d’un milliard d’années-lumière dans l’ère actuelle (moins dans le passé et plus dans le futur)., Notez que le curling circulaire de la surface est un artefact de l’encastrement sans signification physique et est fait uniquement pour rendre l’illustration visible; l’espace ne s’enroule pas réellement sur lui-même. (Un effet similaire peut être vu dans la forme tubulaire de la pseudosphère.)
la ligne brune sur le diagramme est la ligne du monde de la terre (ou, plus tôt, de la matière qui s’est condensée pour former la Terre). La ligne jaune est le mondela ligne du quasar connu le plus lointain., La ligne rouge est le trajet d’un faisceau lumineux émis par le quasar il y a environ 13 milliards d’années et atteignant la Terre de nos jours. La ligne orange montre la distance actuelle entre le quasar et la Terre, environ 28 milliards d’années-lumière, ce qui est, notamment, une distance plus grande que l’âge de l’univers multiplié par la vitesse de la lumière: ct.
selon le principe d’équivalence de la relativité générale, les règles de la relativité spéciale sont localement valables dans de petites régions de l’espace-temps à peu près plates., En particulier, la lumière se déplace toujours localement à la vitesse c; dans notre diagramme, cela signifie, selon la convention de construction des diagrammes d’espace-temps, que les faisceaux lumineux font toujours un angle de 45° avec les lignes de la grille locale. Il ne s’ensuit pas, cependant, que la lumière parcourt une distance ct dans un temps t, comme l’illustre le worldline rouge. Bien qu’il se déplace toujours localement à c, son temps de transit (environ 13 milliards d’années) n’est pas lié à la distance parcourue de manière simple, car l’univers se dilate à mesure que le faisceau lumineux traverse l’espace et le temps., En fait, la distance parcourue est intrinsèquement ambiguë en raison de l’échelle changeante de l’univers. Néanmoins, nous pouvons distinguer deux distances qui semblent avoir un sens physique: la distance entre la Terre et le quasar lorsque la lumière a été émise, et la distance entre eux à l’époque actuelle (en prenant une tranche du cône le long de la dimension que nous avons déclarée être la dimension spatiale)., La première distance est d’environ 4 milliards d’années-lumière, beaucoup plus petite que ct parce que l’univers s’est étendu à mesure que la lumière parcourait la distance, la lumière devait « courir contre le tapis roulant » et allait donc plus loin que la séparation initiale entre la Terre et le quasar. Cette dernière distance (représentée par la ligne orange) est d’environ 28 milliards d’années-lumière, beaucoup plus grande que ct., Si l’expansion pourrait être instantanément arrêté aujourd’hui, il faudrait 28 milliards d’années pour que la lumière voyage entre la Terre et le quasar, tandis que si l’expansion était arrêté à l’époque, il aurait suffi de 4 milliards d’années.,
la lumière a mis beaucoup plus de 4 milliards d’années à nous atteindre, bien qu’elle ait été émise à seulement 4 milliards d’années-lumière, et, en fait, la lumière émise vers la Terre s’éloignait en fait de la Terre lorsqu’elle a été émise pour la première fois, en ce sens que la distance métrique à la Terre augmentait avec le temps cosmologique pendant les premiers milliards d’années de son temps de voyage, et indiquant également que l’expansion de l’espace entre la Terre et le quasar au début était plus rapide que la vitesse de la lumière., Aucun de ces comportements surprenants ne provient d’une propriété spéciale de l’expansion métrique, mais simplement de principes locaux de relativité restreinte intégrés sur une surface incurvée.
la Topologie de l’expansion de spaceEdit
Une représentation graphique de l’expansion de l’univers, du Big Bang à nos jours, avec les tensions inflationnistes de l’époque représentée comme l’expansion spectaculaire de la métrique vu sur la gauche. Cette visualisation peut être déroutante car il semble que l’univers se développe dans un espace vide préexistant au fil du temps., Au lieu de cela, l’expansion a créé, et continue de créer, tout l’espace et le temps connus.
au Fil du temps, de l’espace qui constitue l’univers est en expansion. Les mots « espace » et « univers », parfois utilisés de manière interchangeable, ont des significations distinctes dans ce contexte., Ici, « espace » est un concept mathématique qui représente le collecteur tridimensionnel dans lequel nos positions respectives sont intégrées tandis que « univers » se réfère à tout ce qui existe, y compris la matière et l’énergie dans l’espace, les dimensions supplémentaires qui peuvent être enveloppées dans diverses chaînes, et le temps à travers lequel divers événements ont lieu. L’expansion de l’espace est en référence à ce collecteur 3-D SEULEMENT; c’est-à-dire que la description n’implique aucune structure telle que des dimensions supplémentaires ou un univers extérieur.,
la topologie ultime de l’espace est a posteriori – quelque chose qui doit en principe être observé – car il n’y a pas de contraintes qui peuvent simplement être raisonnées (en d’autres termes, il ne peut y avoir de contraintes a priori) sur la façon dont l’espace dans lequel nous vivons est connecté ou s’il s’enroule, Bien que certains modèles cosmologiques tels que L’univers de Gödel permettent même des lignes du monde bizarres qui se croisent avec eux-mêmes, en fin de compte la question de savoir si nous sommes dans quelque chose comme un « univers Pac-Man » où si voyager assez loin dans une direction permettrait de simplement se retrouver au même endroit comme aller tout le chemin autour de la surface d’un ballon (ou une planète comme la Terre) est une question observationnelle qui est limitée comme mesurable ou non mesurable par la géométrie globale de l’univers., À l’heure actuelle, les observations sont cohérentes avec l’univers étant infini en étendue et simplement connecté, bien que nous soyons limités dans la distinction entre les propositions simples et plus compliquées par les horizons cosmologiques., L’univers pourrait être infini en étendue ou il pourrait être fini; mais la preuve qui conduit au modèle inflationniste de l’univers primitif implique également que « l’univers total » est beaucoup plus grand que l’univers observable, et donc toutes les arêtes ou géométries exotiques ou topologies ne seraient pas directement observables car la lumière n’a pas atteint des échelles sur lesquelles de tels aspects de l’univers, s’ils existent, sont encore autorisés. À toutes fins utiles, il est sûr de supposer que l’univers est infini dans l’étendue spatiale, sans bord ou étrange connectivité.,
quelle que soit la forme globale de l’univers, la question de l’expansion de l’univers est une question qui ne nécessite pas de réponse selon les théories qui décrivent l’expansion; la façon dont nous définissons l’espace dans notre univers ne nécessite en aucun cas un espace extérieur supplémentaire dans lequel il peut s’étendre car une expansion d’une étendue infinie peut se produire sans changer l’étendue infinie de l’étendue. Tout ce qui est certain, c’est que la variété de l’espace dans lequel nous vivons a simplement la propriété que les distances entre les objets s’agrandissent avec le temps., Cela implique uniquement les conséquences observationnelles simples associées à l’expansion métrique explorée ci-dessous. Aucun « extérieur » ou intégration dans l’hyperespace n’est nécessaire pour qu’une expansion se produise. Les visualisations souvent vues de l’univers grandissant comme une bulle dans le néant sont trompeuses à cet égard. Il n’y a aucune raison de croire qu’il y a quelque chose « en dehors » de l’univers en expansion dans lequel l’univers se développe.,
même si l’étendue spatiale globale est infinie et que l’univers ne peut donc pas devenir « plus grand », nous disons toujours que l’espace est en expansion car, localement, la distance caractéristique entre les objets augmente. À mesure qu’un espace infini grandit, il reste infini.
densité de l’univers pendant l’expansionmodifier
malgré sa densité très jeune et pendant une partie de son expansion précoce – beaucoup plus dense que ce qui est habituellement nécessaire pour former un trou noir – l’univers ne s’est pas effondré en un trou noir., En effet, les calculs couramment utilisés pour l’effondrement gravitationnel sont généralement basés sur des objets de taille relativement constante, tels que les étoiles, et ne s’appliquent pas à l’espace en expansion rapide tel que le Big Bang.
effets de l’expansion à petites échellesmodifier
l’expansion de l’espace est parfois décrite comme une force qui agit pour écarter les objets. Si c’est une description précise de l’effet de la constante cosmologique, ce n’est pas une image précise du phénomène de l’expansion en général.,
Animation d’une expansion de pain aux raisins modèle. Comme le pain double de largeur (profondeur et longueur), les distances entre les raisins secs doublent également.
en plus de ralentir l’expansion globale, la gravité provoque l’agglutination locale de la matière dans les étoiles et les galaxies. Une fois que les objets sont formés et liés par la gravité, ils « tombent » de l’expansion et ne se développent pas par la suite sous l’influence de la métrique cosmologique, aucune force ne les obligeant à le faire.,
Il n’y a pas de différence entre l’expansion inertielle de l’univers et la séparation inertielle des objets voisins dans le vide; la première est simplement une extrapolation à grande échelle de la seconde.
Une fois que les objets sont liés par la gravité, ils ne reculent plus les uns des autres. Ainsi, la galaxie D’Andromède, qui est liée à la galaxie de la Voie Lactée, tombe en fait vers nous et ne s’étend pas. Au sein du groupe Local, les interactions gravitationnelles ont modifié les schémas inertiels des objets de telle sorte qu’il n’y a pas d’expansion cosmologique., Une fois que l’on dépasse le groupe Local, l’expansion inertielle est mesurable, bien que les effets gravitationnels systématiques impliquent que des parties de plus en plus grandes de l’espace finiront par tomber du « flux de Hubble » et se retrouveront comme des objets Liés et non en expansion jusqu’aux échelles des supergrappes de galaxies. Nous pouvons prédire de tels événements futurs en connaissant la façon précise dont le flux de Hubble change ainsi que les masses des objets vers lesquels nous sommes attirés gravitationnellement., Actuellement, le groupe Local est tiré gravitationnellement vers le Supergrappe de Shapley ou le « Grand attracteur » avec lequel, si l’énergie noire n’agissait pas, nous finirions par fusionner et ne verrions plus s’étendre loin de nous après un tel temps.
une conséquence de l’expansion métrique due au mouvement inertiel est qu’une « explosion » locale uniforme de la matière dans le vide peut être décrite localement par la géométrie FLRW, la même géométrie qui décrit l’expansion de l’univers dans son ensemble et était également la base de L’univers Milne plus simple qui ignore les effets de la gravité., En particulier, la relativité générale prédit que la lumière se déplacera à la vitesse c par rapport au mouvement local de la matière qui explose, un phénomène analogue au traînage de cadre.
La situation change quelque peu avec l’introduction de l’énergie noire ou constante cosmologique. Une constante cosmologique due à une densité d’énergie de vide a pour effet d’ajouter une force répulsive entre les objets qui est proportionnelle (et non inversement proportionnelle) à la distance. Contrairement à l’inertie, il « tire » activement sur des objets qui se sont agglomérés sous l’influence de la gravité, et même sur des atomes individuels., Cependant, cela ne provoque pas une croissance constante ou une désintégration des objets; à moins qu’ils ne soient très faiblement liés, ils s’installeront simplement dans un État d’équilibre légèrement (indétectable) plus grand qu’il ne l’aurait été autrement. Au fur et à mesure que l’univers se dilate et que la matière qu’il contient s’amincit, l’attraction gravitationnelle diminue (puisqu’elle est proportionnelle à la densité), tandis que la répulsion cosmologique augmente; ainsi, le destin ultime de L’univers ΛCDM est un quasi-vide en expansion à un rythme toujours croissant sous l’influence de la constante cosmologique., Cependant, le seul effet localement visible de l’accélération de l’expansion est la disparition (par décalage vers le rouge) de galaxies lointaines; les objets liés gravitationnellement comme la Voie lactée ne se dilatent pas et la galaxie D’Andromède se déplace assez vite vers nous pour qu’elle fusionne toujours avec la Voie Lactée dans 3 milliards d’années, et il est également probable que la supergalaxie fusionnée qui se forme finira par tomber et fusionner avec l’amas de la Vierge voisin. Cependant, les galaxies situées plus loin de cela reculeront à une vitesse toujours croissante et seront décalées vers le rouge hors de notre plage de visibilité.,
expansion métrique et vitesse de la lumièremodifier
à la fin de la période inflationniste de l’univers primitif, toute la matière et l’énergie de l’univers ont été placées sur une trajectoire inertielle conforme au principe d’équivalence et à la théorie générale de la relativité D’Einstein et c’est à ce moment que la forme précise et régulière de l’expansion de l’univers a son origine (c’est-à-dire que la matière dans l’univers se sépare parce qu’elle se séparait dans le passé en raison du champ inflaton).,
alors que la relativité restreinte interdit aux objets de se déplacer plus vite que la lumière par rapport à un cadre de référence local où l’espace-temps peut être traité comme plat et immuable, elle ne s’applique pas aux situations où la courbure de l’espace-temps ou l’évolution dans le temps deviennent importantes. Ces situations sont décrites par la relativité générale, qui permet à la séparation entre deux objets éloignés d’augmenter plus rapidement que la vitesse de la lumière, bien que la définition de « distance » soit quelque peu différente de celle utilisée dans un cadre inertiel., La définition de la distance utilisée ici est la somme ou l’intégration des distances de comoving locales, le tout fait à temps local constant. Par exemple, les galaxies qui sont plus éloignées du rayon de Hubble, à environ 4,5 gigaparsecs ou 14,7 milliards d’années-lumière, ont une vitesse de récession plus rapide que la vitesse de la lumière. La visibilité de ces objets dépend de l’histoire exacte de l’expansion de l’univers., La lumière qui est émise aujourd’hui par des galaxies au-delà de l’horizon des événements cosmologiques plus lointain, environ 5 gigaparsecs ou 16 milliards d’années-lumière, ne nous atteindra jamais, bien que nous puissions toujours voir la lumière que ces galaxies ont émise dans le passé. En raison du taux d’expansion élevé, il est également possible qu’une distance entre deux objets soit supérieure à la valeur calculée en multipliant la vitesse de la lumière par l’âge de l’univers. Ces détails sont une source fréquente de confusion chez les amateurs et même les physiciens professionnels., En raison de la nature non intuitive du sujet et de ce qui a été décrit par certains comme des choix de formulation « négligents », certaines descriptions de l’expansion métrique de l’espace et des idées fausses auxquelles ces descriptions peuvent conduire sont un sujet de discussion permanent dans les domaines de l’éducation et de la communication des concepts scientifiques.
facteur D’Échellemodifier
à un niveau fondamental, l’expansion de l’univers est une propriété de mesure spatiale sur les plus grandes échelles mesurables de notre univers., Les distances entre les points cosmologiquement pertinents augmentent à mesure que le temps passe, ce qui conduit à des effets observables décrits ci-dessous. Cette caractéristique de l’univers peut être caractérisée par un seul paramètre appelé facteur d’échelle qui est une fonction du temps et une valeur unique pour tout l’espace à tout instant (si le facteur d’échelle était une fonction de l’espace, cela violerait le principe cosmologique). Par convention, le facteur d’échelle est définie à l’unité, à l’heure actuelle et, parce que l’univers est en expansion, est plus faible dans le passé et de plus grand dans l’avenir., Extrapoler dans le temps avec certains modèles cosmologiques donnera un moment où le facteur d’échelle était nul; notre compréhension actuelle de la cosmologie fixe cette période à 13.799 ± 0.021 milliards d’années. Si l’univers continue à s’étendre pour toujours, le facteur d’échelle approchera l’infini à l’avenir. En principe, il n’y a aucune raison que l’expansion de l’univers soit monotone et il existe des modèles où, à un moment donné dans le futur, le facteur d’échelle diminue avec une contraction de l’espace plutôt qu’une expansion.,
autres modèles conceptuels d’expansion
l’expansion de l’espace est souvent illustrée par des modèles conceptuels qui ne montrent que la taille de l’espace à un moment donné, laissant la dimension du temps implicite.
dans le » modèle fourmi sur corde en caoutchouc », on imagine une fourmi (idéalisée comme pointue) rampant à une vitesse constante sur une corde parfaitement élastique qui s’étire constamment., Si nous étirons la corde conformément au facteur D’échelle ΛCDM et considérons la vitesse de la fourmi comme la vitesse de la lumière, alors cette analogie est numériquement précise – la position de la fourmi au fil du temps correspondra au chemin de la ligne rouge sur le diagramme d’intégration ci-dessus.
dans le « modèle de feuille de caoutchouc », on remplace la corde par une feuille de caoutchouc bidimensionnelle plate qui se dilate uniformément dans toutes les directions. L’ajout d’une seconde dimension spatiale soulève la possibilité de montrer des perturbations locales de la géométrie spatiale par courbure locale dans la feuille.,
dans le « modèle de ballon », le drap plat est remplacé par un ballon sphérique qui est gonflé à partir d’une taille initiale de zéro (représentant le big bang). Un ballon a une courbure gaussienne positive alors que les observations suggèrent que l’univers réel est spatialement plat, mais cette incohérence peut être éliminée en rendant le ballon très grand de sorte qu’il est localement plat dans les limites de l’observation. Cette analogie est potentiellement déroutante car elle suggère à tort que le big bang a eu lieu au centre du ballon., En fait, les points hors de la surface du ballon n’ont aucune signification, même s’ils ont été occupés par le ballon à un moment antérieur.
dans le « modèle de pain aux raisins », on imagine une miche de pain aux raisins en expansion dans le four. Le pain (espace) se dilate dans son ensemble, mais les raisins secs (objets liés gravitationnellement) ne se dilatent pas; ils poussent simplement plus loin les uns des autres.