Astronomie

Expansion de l'univers et visibilité des galaxies lointaines

Expansion de l'univers et visibilité des galaxies lointaines


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Bh nJ iU jF Fa so VG eT NR iV Px WR eD IL TS xu Hq Dj qr XT

L'univers s'étend à une vitesse accélérée, ce qui me fait me demander si à un certain point la vitesse d'expansion entre deux points dépassera la vitesse de la lumière. Dans ce cas, il pourrait éventuellement devenir impossible pour deux amas gravitationnels de l'univers d'échanger de la lumière. Je me souviens avoir lu que les futures civilisations nées après un certain point seraient incapables d'observer les galaxies lointaines que nous pouvons maintenant, et n'auraient aucun moyen de savoir que des galaxies autres que la leur existent.

Ma question : est-ce possible, et si oui cela aurait-il déjà pu arriver ? l'ensemble de l'univers observable est l'un des multiples amas qui se sont depuis éloignés les uns des autres ? Ou cela peut-il être exclu par d'autres faits connus sur l'histoire de l'univers ?


(Ma réponse ici n'est pas correcte, comme l'a souligné le premier commentaire sur ce post, veuillez vous y référer.)

Oui, c'est certainement possible - et c'est déjà arrivé. L'âge de l'univers est de 13,8 milliards d'années, mais il a un diamètre d'environ 90 à 100 milliards d'années-lumière. Cela signifie que nous ne pouvons certainement pas tout voir, non pas à cause de nos propres limites d'observation, mais parce que la lumière de ces parties de l'univers ne nous a tout simplement pas encore atteint - et peut-être qu'elle ne le sera jamais.

Quant à l'avenir, oui, si l'expansion cosmologique surpasse la gravité à courte distance (c'est-à-dire la Voie lactée et Andromède, et le monde "proche" est relatif ici), alors finalement de nombreuses galaxies et amas disparaîtront hors de vue en raison de l'impossibilité de la lumière pour "suivre" l'expansion.


Expansion de l'univers et visibilité des galaxies lointaines - Astronomie

Pourquoi les galaxies sont-elles les couleurs qu'elles sont, comme lorsque nous les voyons à travers des télescopes elles sont bleues, blanches, rouges, parfois violettes ou un mélange de couleurs. Seraient-ce leurs vraies couleurs ?

Voici quelques couleurs que vous pourriez voir dans les images de galaxies, et à quoi elles sont généralement causées :

Bleu : une région avec beaucoup de jeunes étoiles. Les étoiles de grande masse vivent vite et meurent jeunes, utilisant du carburant à un taux élevé pour maintenir des températures élevées. Cela les amène à émettre un rayonnement chaud, qui est bleuâtre (google "rayonnement du corps noir" pour savoir pourquoi).

Rouge : une région de vieilles étoiles. Les étoiles de masse élevée ont gonflé et refroidi, et les étoiles de faible masse n'ont jamais été chaudes au départ, elles émettent donc toutes deux un rayonnement froid, qui est rougeâtre.

taches de rouge/rose : une région dite HII ("H-two"). Il s'agit d'un nuage d'hydrogène ionisé (un nuage de protons et d'électrons libres). Lorsqu'un proton capture un électron, il peut émettre de la lumière de différentes longueurs d'onde lorsque l'électron descend à travers les niveaux d'énergie. Un saut particulier, assez courant, émet une lumière rouge, faisant apparaître la région HII rougeâtre. Les régions HII sont ionisées en premier lieu par le rayonnement ultraviolet des étoiles chaudes, elles indiquent donc les régions de formation d'étoiles.

Ce ne sont là que quelques caractéristiques qui se situent dans la gamme de longueurs d'onde visibles. L'observation du rayonnement dans les régions de longueur d'onde radio, infrarouge, ultraviolet, rayons X et gamma peut révéler de nombreuses autres caractéristiques galactiques.

Il y a une certaine altération de la couleur avant qu'elle ne soit collectée. La poussière peut rendre l'image plus rouge qu'elle ne le serait sans poussière. Cela se produit parce que la lumière à haute fréquence (bleue) est plus facilement dispersée par la poussière que la lumière à basse fréquence (rouge). La couleur de quelques galaxies est affectée par la distance une galaxie extrêmement éloignée a une vitesse de récession élevée en raison de l'expansion de l'univers, ce qui provoque un décalage de sa lumière vers le rouge (google "relativistic Doppler shift"). La plupart des galaxies suffisamment éloignées pour que cela ait un effet notable sur la couleur d'une image sont très faibles. Les exceptions sont connues sous le nom de "quasars", et elles produisent tellement de rayonnement qu'elles peuvent être vues malgré leur extrême distance. Dans les quasars, le décalage est si important que la lumière que nous voyons n'était même pas dans le domaine visible lorsqu'elle a été émise.

Soit dit en passant, chaque fois que vous regardez une image astronomique, vous devez vérifier que les couleurs représentent les couleurs visibles. Souvent, les astronomes prennent des images dans des longueurs d'onde qui ne sont pas visibles à l'œil nu, puis utilisent des couleurs pour représenter diverses bandes de longueurs d'onde.

Cette page a été mise à jour le 28 juin 2015.

A propos de l'auteur

Sara Slater

Sara est une ancienne étudiante de premier cycle de Cornell et maintenant étudiante en physique à l'Université Harvard, où elle travaille sur la cosmologie et la physique des particules.


Délais des lentilles gravitationnelles

Une galaxie située dans la ligne de mire entre le télescope d'un observateur et un quasar distant est un exemple de système de lentilles gravitationnelles puissantes. La théorie de la relativité générale d'Einstein stipule que la galaxie intermédiaire agira comme une lentille en courbant la lumière du quasar distant. Si la galaxie est exactement dans la ligne de mire, l'image du quasar sera transformée de son image ponctuelle réelle en un petit anneau. Dans le cas beaucoup plus courant où la galaxie est légèrement en dehors de la ligne de visée, l'image ponctuelle du quasar devient lentille en deux images ponctuelles ou plus.

Presque tous les quasars connaissent des variations importantes et fréquentes de leur flux lumineux. De telles variations permettent aux astronomes de déterminer à quelle vitesse l'univers s'étend à l'époque correspondant au temps de trajet de la lumière jusqu'au quasar. Voici comment fonctionne la technique :

Une variation du rendement lumineux du quasar apparaîtra également dans l'image lentille du quasar. Mais, généralement, différentes parties de l'objectif seront situées à différentes distances par rapport à l'observateur, ce qui fait que la lumière atteint le télescope de l'observateur à des moments différents. Connaissant la vitesse de la lumière, les astronomes peuvent traduire les temps d'arrivée de la lumière en différentiels de distance en kilomètres, puis utiliser des théorèmes de géométrie plane pour déterminer la distance à la lentille en kilomètres en mesurant les angles séparant les différents composants de la lentille. La mesure du décalage vers le rouge des raies spectrales dans l'image de la lentille indique aux astronomes à quelle vitesse la lentille s'éloigne de nous. Le taux d'expansion de l'univers pour l'époque du temps de voyage de la lumière de la galaxie lentille est la vitesse de la galaxie divisée par sa distance. (Pour une description plus détaillée de la technique complète avec des diagrammes de la géométrie pertinente, voir ici.)

De cette manière, les astronomes peuvent utiliser des lentilles gravitationnelles sur une grande variété de distances cosmiques pour déterminer à quelle vitesse l'univers s'étend à différentes distances par rapport à la Terre.

Dans le numéro du 1er mars 2010 du Journal d'astrophysique, une équipe de huit astronomes a publié la mesure la plus précise à ce jour du taux d'expansion cosmique (également connue sous le nom de constante de Hubble) fondée sur les délais d'une lentille gravitationnelle. 1 Sur la base de leurs dernières mesures du système de lentilles gravitationnelles B1608+656 (la distance des quatre galaxies lentilles varie de 3 à 8 milliards d'années-lumière), l'équipe a déterminé que l'univers s'étend à une vitesse de 70,6 ± 3,1 kilomètres par seconde par mégaparsec (un mégaparsec = 3,26 millions d'années-lumière). Cette mesure représente une augmentation de la précision qui est près d'un facteur trois fois supérieure aux tentatives précédentes.

Le même Journal d'astrophysique ont publié les travaux de quatre autres astronomes décrivant les résultats qu'ils ont obtenus à partir de leurs mesures sur le système de lentilles gravitationnelles Q0957+561 (la distance de la galaxie lentille = 3,7 milliards d'années-lumière). 2 Ils ont calculé que le taux d'expansion cosmique était de 79,3 ± 7,6 kilomètres par seconde par mégaparsec. Des déterminations précédentes, l'une basée sur seize quasars à retard temporel publiés 3 et une seconde basée sur quatre systèmes de lentilles gravitationnelles différents, 4 ont révélé que l'univers s'étendait à un taux de 72 ± 8 et 74 ± 8 kilomètres par seconde par mégaparsec respectivement.

Toutes ces mesures sont cohérentes dans leurs erreurs déclarées. La mesure la plus récente et la meilleure (70,6 ± 3,1 kilomètres par seconde par mégaparsec) est un facteur presque trois fois plus précis que l'étalon-or traditionnel pour les déterminations indirectes du taux d'expansion cosmique, à savoir la valeur finale du projet clé du télescope spatial Hubble (HST). de 72 ± 8 kilomètres par seconde par mégaparsec. 5 Cependant, la valeur du HST Key Project est toujours tout à fait cohérente avec les meilleures mesures de lentilles gravitationnelles.

La meilleure valeur pour le taux d'expansion cosmique déterminé par une lentille gravitationnelle est également cohérente avec les derniers calculs indirects remis à neuf. Une équipe de recherche, dirigée par l'astronome Adam Riess, a considérablement amélioré et mis à jour le projet HST Key. La mise à jour a donné un taux d'expansion cosmique de 74,2 ± 3,6 kilomètres par seconde par mégaparsec. 6 Pendant ce temps, les résultats combinés de la base de données quinquennale Wilkinson Microwave Anisotropy Probe sur les fluctuations de température du fond diffus cosmologique, la distribution des galaxies observées dans le Sloan Digital Sky Survey et les mesures des supernovae de type Ia ont donné un taux d'expansion de 70,5 ± 1,3 kilomètres par seconde par mégaparsec (voir ici.) 7

Il est remarquable de constater à quel point les déterminations les plus précises du taux d'expansion cosmique concordent. C'est particulièrement réconfortant pour les partisans du modèle de création du big bang, mais cela devrait alarmer ses dissidents. La semaine prochaine, le quatrième et dernier volet de cette série passera en revue les implications philosophiques des résultats obtenus grâce aux trois nouvelles techniques de mesure directe de la distance.


L'univers passionnant de Hubble : mesurer le taux d'expansion de l'univers

Avant le lancement du télescope Hubble, il y avait une énorme incertitude sur le taux d'expansion de l'univers. Cette valeur est nécessaire pour calculer l'âge de l'univers, estimer son évolution sur des milliards d'années et comprendre les forces qui l'animent. Au début, les astronomes étaient ravis de réduire l'estimation de l'expansion à une précision de 10 %. Maintenant, avec beaucoup de persévérance et d'observations précises, ils approchent de la précision d'un pour cent.

En 1929, Edwin Hubble a fourni la première preuve d'observation pour l'univers ayant un âge fini. En utilisant le plus grand télescope de l'époque, il a découvert que plus une galaxie est éloignée de nous, plus elle semble reculer rapidement dans l'espace. Cela signifie que l'univers s'étend uniformément dans toutes les directions. Hubble a noté que la lumière des galaxies lointaines semblait être étirée à des longueurs d'onde plus longues, ou rougie, un phénomène appelé redshift.

En déterminant avec précision le taux d'expansion, appelé constante de Hubble, l'horloge cosmique peut être rembobinée et l'âge de l'univers calculé. Cependant, les estimations d'Edwin Hubble sur l'expansion impliquaient que l'univers était plus jeune que l'âge de la Terre et du Soleil. Hubble a donc conclu que le phénomène de décalage vers le rouge était une propriété inconnue de l'espace et non une mesure de la vitesse spatiale réelle. Les astronomes ont réalisé plus tard que le décalage vers le rouge était une conséquence de l'expansion de l'espace lui-même, comme le prédit la théorie de la relativité restreinte d'Einstein.

Cependant, l'estimation de l'âge n'est aussi fiable que la précision des mesures de distance. Une valeur précise pour la constante de Hubble est un point d'ancrage critique pour calibrer d'autres paramètres cosmologiques fondamentaux pour l'univers.

Lorsque le télescope spatial Hubble a été lancé, le taux d'expansion incertain de l'univers était divisé par deux. Cela signifiait que l'univers pourrait être aussi jeune que 9,7 milliards d'années ou aussi vieux que 19,5 milliards d'années. La valeur plus jeune présentait un énorme problème, cela signifierait que l'univers était plus jeune que les plus anciennes étoiles connues.

Les premières observations de Hubble recherchaient des marqueurs cosmiques, les étoiles variables céphéides, dans des galaxies toujours plus éloignées. La galaxie M100, située à 56 millions d'années-lumière, est représentée ici. Ces données ont affiné les estimations du taux d'expansion de l'univers.

En 1994, les astronomes ont commencé à affiner la constante de Hubble en effectuant des mesures de distance précises jusqu'à l'amas de galaxies de la Vierge, situé à 56 millions d'années-lumière. Cela a permis aux astronomes de commencer à affiner les mesures de distance nécessaires pour calculer une valeur plus précise pour la constante de Hubble. Ils ont fait des observations d'une classe d'étoiles appelée Variables Céphéides. Ces étoiles passent par des pulsations rythmiques où elles montent et descendent légèrement en luminosité. La période de cette oscillation est directement liée à la luminosité intrinsèque des Céphéides. Une fois que la véritable luminosité de l'étoile est connue, les astronomes peuvent en calculer une distance précise.

À la fin des années 1990, la valeur affinée de la constante de Hubble a été réduite à une erreur d'environ 10 % seulement. Une autre équipe d'astronomes continue de rationaliser et de renforcer cela en calibrant davantage de Céphéides toujours plus éloignées que l'univers local. Ces données ont été corrélées avec des mesures encore plus lointaines d'étoiles en explosion, de supernovas, pour construire une échelle cosmique & ldquodistance. & raquo La mesure de la constante de Hubble est passée de 10 pour cent d'incertitude au début des années 2000 à moins de 2 pour cent en 2019.

Une variété d'autres stratégies d'observation ont été appliquées pour regarder d'autres marqueurs jalons tels que l'étoile géante rouge. Une nouvelle technique utilise Hubble pour regarder où la gravité d'une galaxie au premier plan agit comme une lentille grossissante géante, amplifiant et déformant la lumière des objets d'arrière-plan tels que les quasars. Les astronomes déduisent ensuite de manière fiable les distances de la galaxie au quasar, et de la Terre à la galaxie et au quasar de fond. En comparant ces valeurs de distance, les chercheurs ont mesuré le taux d'expansion de l'univers qui est complètement indépendant des techniques d'« échelle de distance ».

Cependant, il existe un désaccord troublant entre les programmes collectifs qui parviennent à des valeurs pour la constante de Hubble dans l'univers proche et celles de l'univers primitif. Le taux actuel d'expansion de l'univers peut être prédit à partir du modèle cosmologique en utilisant des mesures de l'univers primitif, tel qu'encodé dans le fond diffus cosmologique (CMB). Le CMB est un instantané du cosmos tel qu'il était seulement 360 000 ans après le big bang (tel que réalisé par l'observatoire spatial Planck). La valeur des données de Planck est en désaccord avec des mesures plus directes de l'univers proche réalisées avec Hubble et d'autres observatoires.

Selon les modèles cosmologiques standard, les valeurs de l'univers primitif et local devraient être les mêmes. Parce qu'ils ne le sont pas, cela représente un défi majeur pour les théoriciens en impliquant qu'il existe une compréhension incomplète des fondements physiques de l'univers. Cela peut nécessiter une révision des théories astrophysiques actuelles.

Un siècle après la découverte de l'univers en expansion, le télescope spatial Hubble a permis aux astronomes d'entrer dans le domaine de l'astronomie de précision, fixant le taux d'expansion à une précision extraordinaire grâce à plusieurs stratégies d'observation complémentaires. Les futures observations du télescope Hubble pourraient aider à régler l'écart entre deux approches indépendantes qui mesurent l'univers primitif par rapport à l'expansion de l'univers tardif. Cela peut ouvrir une toute nouvelle frontière dans notre compréhension de l'univers en évolution.


Repenser la cosmologie : l'expansion de l'univers n'est peut-être pas uniforme

Les astronomes ont supposé pendant des décennies que l'Univers s'étendait au même rythme dans toutes les directions. Une nouvelle étude basée sur les données de XMM-Newton de l'ESA, de Chandra de la NASA et des observatoires à rayons X ROSAT dirigés par l'Allemagne suggère que cette prémisse clé de la cosmologie pourrait être fausse.

Konstantinos Migkas, doctorant en astronomie et astrophysique à l'Université de Bonn, en Allemagne, et son superviseur Thomas Reiprich avaient initialement entrepris de vérifier une nouvelle méthode qui permettrait aux astronomes de tester l'hypothèse dite d'isotropie. Selon cette hypothèse, l'Univers a, malgré quelques différences locales, les mêmes propriétés dans chaque direction à grande échelle.

Largement acceptée comme conséquence d'une physique fondamentale bien établie, l'hypothèse a été étayée par des observations du fond diffus cosmologique (CMB). Vestige direct du Big Bang, le CMB reflète l'état de l'Univers tel qu'il était à ses débuts, à seulement 380 000 ans. La distribution uniforme du CMB dans le ciel suggère qu'à cette époque, l'Univers devait s'étendre rapidement et au même rythme dans toutes les directions.

Dans l'univers d'aujourd'hui, cependant, cela n'est peut-être plus vrai.

"Ensemble avec des collègues de l'Université de Bonn et de l'Université Harvard, nous avons examiné le comportement de plus de 800 amas de galaxies dans l'Univers actuel", explique Konstantinos. « Si l'hypothèse d'isotropie était correcte, les propriétés des amas seraient uniformes dans le ciel. Mais nous avons en fait vu des différences significatives.

Les astronomes ont utilisé des mesures de température aux rayons X du gaz extrêmement chaud qui imprègne les amas et ont comparé les données avec la luminosité des amas dans le ciel. Les amas de même température et situés à une distance similaire devraient apparaître de la même luminosité. Mais ce n'est pas ce que les astronomes ont observé.

« Nous avons vu que les amas ayant les mêmes propriétés, avec des températures similaires, semblaient moins brillants que ce à quoi nous nous attendions dans une direction du ciel, et plus brillants que prévu dans une autre direction », explique Thomas. « La différence était assez importante, environ 30 pour cent. Ces différences ne sont pas aléatoires mais ont un motif clair selon la direction dans laquelle nous avons observé dans le ciel.

Avant de remettre en cause le modèle cosmologique largement accepté, qui fournit la base pour estimer les distances des amas, Konstantinos et ses collègues ont d'abord examiné d'autres explications possibles. Peut-être qu'il pourrait y avoir des nuages ​​de gaz ou de poussière non détectés obscurcissant la vue et faisant apparaître des grappes dans une certaine zone plus sombres. Les données, cependant, ne prennent pas en charge ce scénario.

Dans certaines régions de l'espace, la distribution des amas pourrait être affectée par des écoulements massifs, des mouvements de matière à grande échelle causés par l'attraction gravitationnelle de structures extrêmement massives telles que de grands groupes d'amas. Cette hypothèse semble cependant aussi peu probable. Konstantinos ajoute que les résultats ont pris l'équipe par surprise.

« Si l'Univers est vraiment anisotrope, ne serait-ce que depuis quelques milliards d'années, cela signifierait un énorme changement de paradigme car la direction de chaque objet devrait être prise en compte lorsque nous analysons leurs propriétés », dit-il. « Par exemple, aujourd'hui, nous estimons la distance d'objets très éloignés dans l'Univers en appliquant un ensemble de paramètres et d'équations cosmologiques. Nous pensons que ces paramètres sont les mêmes partout. Mais si nos conclusions sont justes, ce ne serait pas le cas et nous devrons revoir toutes nos conclusions précédentes. »

« C'est un résultat extrêmement fascinant », commente Norbert Schartel, scientifique du projet XMM-Newton à l'ESA. "Des études antérieures ont suggéré que l'Univers actuel pourrait ne pas s'étendre uniformément dans toutes les directions, mais ce résultat - la première fois qu'un tel test a été effectué avec des amas de galaxies en rayons X - a une signification beaucoup plus grande, et révèle également un grand potentiel pour de futures enquêtes.

Les scientifiques pensent que cet effet peut-être inégal sur l'expansion cosmique pourrait être causé par l'énergie noire, la mystérieuse composante du cosmos qui représente la majorité - environ 69 % - de son énergie globale. On sait très peu de choses sur l'énergie noire aujourd'hui, sauf qu'elle semble avoir accéléré l'expansion de l'Univers au cours des derniers milliards d'années.

Le prochain télescope de l'ESA, Euclid, conçu pour imager des milliards de galaxies et scruter l'expansion du cosmos, son accélération et la nature de l'énergie noire, pourrait aider à résoudre ce mystère à l'avenir.

« Les résultats sont vraiment intéressants, mais l'échantillon inclus dans l'étude est encore relativement petit pour tirer des conclusions aussi profondes », déclare René Laureijs, scientifique du projet Euclid à l'ESA. "C'est le mieux que l'on puisse faire avec les données disponibles, mais si nous devions vraiment repenser le modèle cosmologique largement accepté, nous aurions besoin de plus de données."

Et Euclide pourrait faire exactement cela. Le vaisseau spatial, qui sera lancé en 2022, pourrait non seulement trouver des preuves que l'énergie noire étend vraiment l'Univers de manière inégale dans différentes directions, mais permettra également aux scientifiques de recueillir plus de données sur les propriétés d'une grande quantité d'amas de galaxies, ce qui pourrait étayer ou réfuter les conclusions actuelles.

D'autres données viendront également bientôt de l'instrument à rayons X eROSITA, construit par l'Institut Max Planck de physique extraterrestre. L'instrument, à bord du satellite germano-russe Spektr-RG récemment lancé, effectuera la première étude du ciel entier en rayons X de moyenne énergie, en se concentrant sur la découverte de dizaines de milliers d'amas de galaxies et de centres galactiques actifs jusqu'alors inconnus.

« Sonde l'isotropie cosmique avec un nouvel échantillon d'amas de galaxies à rayons X à travers le LX−Tscaling relation’ par K. Migkas et al. (2020) est publié dans Astronomie et astrophysique (DOI : 10.1051/0004-6361/201936602).


Caché par la poussière

Bien que les astronomes étudient la formation des étoiles depuis des décennies, de nombreuses questions demeurent. Une partie du problème est que la plupart des étoiles se forment dans des nuages ​​de molécules et de poussière. La poussière absorbe les ultraviolets et la majeure partie de la lumière optique émise par la formation d'étoiles, ce qui rend difficile l'étude du processus par les instruments ultraviolets et optiques de Hubble.

Plus la longueur d'onde de la lumière est longue ou rouge, moins elle est absorbée. C'est pourquoi les couchers de soleil, où la lumière doit traverser de longues longueurs d'air poussiéreux, apparaissent en rouge.

Le proche infrarouge, cependant, a encore plus de facilité à traverser la poussière que la lumière optique rouge. NICMOS peut examiner les régions de formation d'étoiles avec la qualité d'image supérieure de Hubble pour déterminer les détails de l'endroit où se produit la formation d'étoiles. Un bon exemple est l'image emblématique de Hubble de la nébuleuse de l'Aigle, également connue sous le nom de piliers de la création.

L'image optique montre des piliers majestueux qui semblent montrer la formation d'étoiles sur un grand volume d'espace. L'image NICMOS, cependant, montre une image différente. Dans l'image NICMOS, la plupart des piliers sont transparents sans formation d'étoile. Les étoiles ne se forment qu'à la pointe des piliers. Les piliers optiques ne sont que de la poussière vide reflétant la lumière d'un groupe d'étoiles proches.

La nébuleuse de l'Aigle en lumière visible. NASA, ESA et Hubble Heritage Team (STScI/AURA) Dans cette image du télescope spatial Hubble se trouvent les piliers de la création de la nébuleuse de l'Aigle. Ici, les piliers sont vus dans la lumière infrarouge, qui perce à travers la poussière et le gaz obscurcissants et dévoile une vue plus inconnue – mais tout aussi étonnante – des piliers. NASA, ESA/Hubble et Hubble Heritage Team


Nature lointaine : exercices d'astronomie

Après les travaux d'Edwin Hubble utilisant des étoiles variables céphéides pour mesurer la distance aux "Nébuleuses Spirale", il s'est lancé dans une quête pour comprendre la vitesse, le cas échéant, que ces galaxies se déplaçaient par rapport à nous-mêmes. Dans cette expérience, nous allons suivre les étapes similaires au travail de Hubble. Ces étapes ont finalement conduit Hubble à constater que plus une galaxie était éloignée, plus sa vitesse de récession était grande. Ses idées l'ont conduit à la constante&# 13 H0, appelée constante de Hubble, qui est directement liée au taux d'expansion de l'univers.

Équipement/matériaux nécessaires

Stellarium, calculatrice, papier millimétré.

Présentation du sujet

Hubble a examiné les spectres de nombreuses galaxies, à la recherche des décalages rouges ou bleus dans les spectres qui indiqueraient un mouvement relatif. À sa grande surprise, non seulement toutes les galaxies semblaient bouger, mais toutes s'éloignaient de nous, quelle que soit la direction de la galaxie. Il a mesuré les décalages spectraux de nombreuses galaxies et a découvert qu'elles présentaient toutes un décalage vers le rouge. Il a utilisé l'équation 1 pour quantifier les valeurs de décalage vers le rouge (z) pour chaque galaxie. La figure 1, représente les conclusions originales de Hubble, de H0 =68 (km/s)/Mpc.

Où : z = le redshift, lobs = la longueur d'onde observée, l0 = la longueur d'onde non décalée.


Regarder l'univers s'étendre en temps réel

Dans le jeu En attendant Godot, Samuel Beckett écrit : &ldquoQue faisons-nous ici, telle est la question. Et nous sommes bénis en cela, que nous connaissons la réponse. Oui, dans l'immense confusion, une seule chose est claire. Nous attendons la venue de Godot.&rdquo

Ce que Beckett entend par &ldquoGodot&rdquo est discutable. Tout au long de ma carrière d'astronome, j'ai attendu de nombreux &ldquoGodots», y compris des tests d'observation pour mes prédictions théoriques. La plus insaisissable consiste à observer l'évolution de l'univers en temps réel.

Nous considérons souvent le fond diffus cosmologique, le rayonnement relique de l'univers primitif, comme s'il avait exactement le même aspect il y a trois décennies, lorsque le satellite COBE l'a cartographié pour la première fois, et comme il avait l'air récemment et lorsqu'il a été observé par le satellite Planck. C'est une simplification valable tant que la précision de nos mesures n'est pas assez bonne pour remarquer la différence. Mais la réalité est que le cosmos change tout le temps, et donc les propriétés de la photosphère cosmique et la source d'origine du fond micro-ondes varient également. Un tel changement cosmique se produit très lentement sur une échelle de temps cent millions de fois plus longue qu'une vie humaine. Pouvons-nous remarquer les minuscules variations associées au cours des décennies que nous surveillons le ciel ?

L'univers ressemble à une fouille archéologique sphérique centrée sur nous. Plus nous regardons profondément dans l'espace, plus la couche que nous découvrons est ancienne. En raison de la vitesse finie de la lumière, nous voyons de vieilles images de sources distantes qui affichent la façon dont elles ressemblaient à un temps de voyage de la lumière. Si nous laissons plus de temps s'écouler, nous voyons la même source à un âge plus avancé. Mais en plus, lorsque la lumière voyage vers nous, sa longueur d'onde est étirée par l'expansion cosmique. La lumière visible est décalée vers le rouge, ce que l'on appelle le redshift. Comme Edwin Hubble l'a réalisé il y a environ un siècle, les sources plus éloignées s'éloignent plus rapidement de nous, et donc le décalage vers le rouge fournit une mesure de la vitesse de récession des sources cosmologiques loin de nous.

Nous considérons généralement les décalages vers le rouge des galaxies lointaines et d'autres objets comme un instantané de l'expansion de l'univers à un moment donné. Mais en fait, ce sont des images d'un film très ralenti, et on pourrait en principe regarder ce film rouler en attendant assez longtemps. Pouvons-nous réellement détecter un changement dans la vitesse de récession cosmique de sources spécifiques en temps réel ? Allan Sandage a estimé en 1962 qu'il serait très difficile de mesurer de tels changements grâce à des observations de galaxies lointaines au cours des décennies d'une carrière d'astronome.

En 1998, j'ai écrit un article proposant une nouvelle approche pour mesurer l'évolution du taux d'expansion des objets à des distances cosmologiques. La ligne de mire des quasars lointains traverse de nombreux nuages ​​d'hydrogène. Chacun de ces nuages ​​imprime une caractéristique d'absorption sur le spectre observé de la lumière du quasar. Il y a beaucoup plus de ces caractéristiques d'absorption avec des décalages vers le rouge mesurés que le nombre de galaxies le long de chaque ligne de visée. Cela offre un bien meilleur échantillon statistique pour mesurer la minuscule dérive du décalage vers le rouge à chaque époque cosmique.

En surveillant les légères dérives dans les nombreux décalages vers le rouge marqués par la riche forêt de caractéristiques d'absorption sur une période de plusieurs décennies, on pourrait potentiellement détecter l'évolution du taux d'expansion de l'univers en temps réel. Le changement de vitesse est juste en dessous de notre meilleure sensibilité pour détecter les planètes par le petit mouvement réflexe de leurs étoiles hôtes. Une baisse des vitesses de récession des systèmes absorbants sur des décennies d'observations impliquerait une décélération cosmique alors que la croissance temporelle impliquerait une accélération cosmique.

Au cours de la première moitié de l'histoire de l'univers, le taux d'expansion cosmique s'est ralenti en raison de l'attraction gravitationnelle conférée par le rayonnement et la matière. Mais au cours de la seconde moitié, le rayonnement et la matière se sont tellement dilués que le vide et l'énergie sombre dominaient et l'expansion cosmique était accélérée par la force répulsive du vide.

En surveillant l'expansion cosmique en temps réel, nous pouvons observer la décélération précoce aux grands redshifts et l'accélération tardive aux faibles redshifts. La transition entre les deux phases cernerait le bilan de masse cosmique en termes de proportions relatives de matière noire&mdash qui domine au début&mdas et d'énergie noire&mdashqui domine plus tard. Dans l'ensemble, la dérive vers le rouge associée à l'effet Sandage-Loeb susmentionné peut nous fournir une vue directe de l'expansion de l'univers comme si nous le regardions dans une salle de cinéma. Cette vue deviendrait réalisable avec les spectrographes à haute résolution prévus sur la prochaine génération de télescopes au sol extrêmement grands.

L'absorption caractéristique imprimée par les atomes d'hydrogène le long de la trajectoire d'observation des quasars découle de deux faits : que l'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers, et qu'il peut être excité de son état fondamental au premier niveau d'énergie au-dessus de lui en absorbant un rayonnement ultraviolet. photon à une longueur d'onde de 12,16 millionièmes de centimètre, suivant la transition dite Lyman-alpha. La caractéristique d'absorption d'un nuage d'hydrogène distant apparaît à une longueur d'onde qui a été étirée par l'expansion cosmique depuis le moment de l'absorption. Par conséquent, plusieurs nuages ​​le long de la ligne de visée produisent une forêt de caractéristiques d'absorption à différentes longueurs d'onde, qui ressemble à une palissade altérée dans le spectre des quasars, jusqu'à la longueur d'onde Lyman-alpha à la source du décalage vers le rouge. Les transitions du niveau du sol de l'hydrogène à des niveaux d'énergie plus élevés, étiquetés Lyman-bêta, gamma, delta et ainsi de suite, sont moins importantes.

Par coïncidence, plusieurs des faits ci-dessus sur l'hydrogène ont été découverts à l'Université Harvard. La série Lyman porte le nom de Theodore Lyman IV qui a dirigé le Jefferson Physical Laboratory il y a un siècle et a découvert expérimentalement ces transitions d'hydrogène. Par la suite, Cecilia Payne-Gaposchkin a découvert dans la recherche de son doctorat. thèse selon laquelle le soleil est composé principalement d'hydrogène, elle a été présidente du département d'astronomie de Harvard. Plus tard, Edward Purcell, professeur de physique à Harvard et lauréat du prix Nobel, a découvert l'important gaz hydrogène qui imprègne la galaxie de la Voie lactée en détectant sa transition de 21 centimètres. Cette notion a été étendue au milieu intergalactique par George Field, le premier directeur du Center for Astrophysics sur le campus de Harvard.

Nous avons la chance d'hériter du chemin tracé par ces études pionnières et d'utiliser la forêt d'hydrogène Lyman-alpha pour nous informer de l'évolution de l'univers en temps réel. Detecting redshift drifts, which could be possible within a decade or two with telescopes that are already under construction, such as the Square Kilometer Array and the Extremely Large Telescope, underline the most fundamental facet of our life: that everything around us changes, including the universe at large, and that we should endlessly adapt to new circumstances including cosmic loneliness as a result of accelerated expansion. The perpetual change on the cosmic scale is the slowest &ldquoGodot&rdquo that astronomers have a good reason to be waiting for.

This is an opinion and analysis article.

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Avi Loeb is former chair (2011-2020) of the astronomy department at Harvard University, founding director of Harvard's Black Hole Initiative and director of the Institute for Theory and Computation at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. He also chairs the Board on Physics and Astronomy of the National Academies and the advisory board for the Breakthrough Starshot project, and is a member of President's Council of Advisors on Science and Technology. Loeb is the bestselling author of Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth (Houghton Mifflin Harcourt).


“Baffling” –Enormous Radio Galaxies from the Early Universe Would Take Several Million Years to Cross at Speed of Light

“When we look far into the distant universe, we are observing objects way in the past – when they were young. We expected to find that these distant giants would appear as a comparatively small pair of vague lobes. To our surprise, we found that these giants still appear enormous even though they are so far away,” said astrophysicist Michael D. Smith of the Center for Astrophysics and Planetary Science at University of Kent, about the biggest objects in the universe, so-called giant radio galaxies, some 22 times the size of the Milky Way, that stretch across a large part of the Universe.

The biggest objects in the universe

In 2019, astrophysicists at the University of Kent simulated the development of the biggest objects in the universe to help explain how galaxies and other cosmic bodies were formed. By looking at the distant universe, it is possible to observe it in a past state, when it was still at a formative stage. Conventional wisdom says that large objects appear smaller as they get farther from us, but this fundamental law of classical physics is reversed when we observe the distant universe. At that time, galaxies were growing and supermassive black holes were violently expelling enormous amounts of gas and energy. This matter accumulated into pairs of reservoirs, which formed these enormous objects, some twenty-two times the size of the Milky Way, that even moving at the speed of light, it would take several million years to cross.

Smith, and student Justin Donohoe collaborated on the research . They expected to find that as they simulated objects farther into the distant universe, they would appear smaller, but in fact they found the opposite.

Radio galaxies have long been known to be powered by twin jets which coming directly from the nucleus and going to the lobes, inflating their lobes and creating giant cavities. The team performed simulations using the Forge supercomputer, generating three-dimensional hydrodynamics that recreated the effects of these jets. They then compared the resulting images to observations of the distant galaxies. Differences were assessed using a new classification index, the Limb Brightening Index (LB Index), which measures changes to the orientation and size of the objects.

‘We already know that once you are far enough away, the Universe acts like a magnifying glass and objects start to increase in size in the sky,” said Smith. “Because of the distance, the objects we observed are extremely faint, which means we can only see the brightest parts of them, the hot spots. These hot spots occur at the outer edges of the radio galaxy and so they appear to be larger than ever, confounding our initial expectations.’

La Galaxie Quotidienne, Avi Shporer, Research Scientist, MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research via University of Kent . Avi était auparavant membre Sagan de la NASA au Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Image credit: Chandra Observatory image at the top of the page shows the nearby radio galaxy Centaurus A. X-ray: NASA/CXC/SAO Optical: NASA/STScI Radio: NSF/NRAO/AUI/VLA

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Hubble Telescope Spots Most Distant Galaxies

The revamped Hubble Space Telescope has spied what might bethe oldest, most distant galaxies yet seen, astronomers announced today.

The faintest and reddest objects in the new Hubble imagesare galaxies that formed 600 million years after the theoretical Big Bang,which occurred about 13.7 billion years ago. So these objects are located about13.1 billion light-years from Earth.

Observations of early galaxies can help astronomers learnwhat conditions were like in the universe's early years.

Two teams of astronomers from the United Kingdom took imagesof galaxies in the early universe with Hubble's brand new Wide Field Camera 3(WFC3), which can take highly sensitive measurements in the infrared.

Infrared light is light invisible to the human eye, withwavelengths about twice as long as (and so redder than) visible light.

"The expansion of the universe causes the light fromvery distant galaxies to appear redder, so having a new camera on Hubble whichis very sensitive in the infrared means we can identify galaxies at muchgreater distances than was previously possible," said team member StephenWilkins, a postdoctoral researcher in astrophysics at Oxford University.

The new images from the Hubble Space Telescope (HST), taken inAugust over four days, include the region of sky known as the Hubble Ultra DeepField.

"Hubble has now revisited the Ultra Deep Field which wefirst studied five years ago, taking infrared images which are more sensitivethan anything obtained before. We can now look even further back in time,identifying galaxies when the Universe was only 5 percent of its current age ?within 1 billion years of the Big Bang," said team member Daniel Stark, apostdoctoral researcher at the Institute of Astronomy in Cambridge.

Another recent survey, conducted with the Subaru Telescopein Hawaii, found 22 of theearliest galaxies to form in the universe, with one confirmed to have anage that puts it just 787 million years after the Big Bang.

So far, the mostdistant object yet observed is a gamma-ray burst ? the most violentexplosions in the universe ? located more than 13 billion light-years fromEarth.

Astronomers can look forward to seeing such distant, earlygalaxies in even more detail in a few years, the team members noted. Hubblereceived its final overhaul last May, when astronauts made repairs andinstalled the new Wide Field Camera 3 and other new tools.

"These new observations from HST are likely to be themost sensitive images Hubble will ever take, but the very distant galaxies wehave now discovered will be studied in detail by Hubble's successor, the JamesWebb Space Telescope, which will be launched in 2014," said Jim Dunlop ofthe University of Edinburgh.

The teams presented their findings in a series of papers inthe journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.


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