Astronomie

Existe-t-il d'autres preuves de l'expansion de l'univers en dehors du décalage vers le rouge ?

Existe-t-il d'autres preuves de l'expansion de l'univers en dehors du décalage vers le rouge ?


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La théorie de l'expansion de l'univers est si largement acceptée que le décalage vers le rouge est parfois utilisé comme mesure de la distance aux galaxies lointaines.

Mais est-il encore possible que le décalage vers le rouge soit causé par des phénomènes inconnus et non par des galaxies qui s'éloignent les unes des autres ?

Existe-t-il une autre preuve (en dehors du décalage vers le rouge) que l'univers est bien en expansion et que des galaxies lointaines s'éloignent de nous ?


Oui, il existe des preuves directes d'expansion sans décalage vers le rouge.

La température passée du rayonnement de fond cosmique à micro-ondes (CMBR) a été directement mesurée et s'est avérée sensiblement plus élevée qu'elle ne l'est aujourd'hui. Sa diminution de température au cours du temps est une preuve directe de l'expansion. Voici les détails:

Selon cet article, le CMBR était sensiblement plus chaud dans le passé (synopsis moins technique ici). Les chercheurs ont observé des raies d'absorption dans un nuage de gaz situé dans une galaxie lointaine et ont découvert que la configuration des raies observées ne pouvait s'expliquer que si la température du CMBR au moment de l'absorption était comprise entre 6 K et 14 K (il fait maintenant 3 K). Cette température est cohérente avec la température attendue pour le décalage vers le rouge de cette galaxie (9 K). Notez que la température a été mesurée à partir du motif spécifique des lignes vues et non à partir de combien les lignes avaient été décalées vers le rouge ; cette mesure donnerait la même température même s'il n'y avait pas de décalage vers le rouge. Puisqu'une température plus élevée implique une densité plus élevée, ce refroidissement du CMBR au fil du temps est une preuve directe de l'expansion de l'univers.


Commentaires supplémentaires

  • Quelle est la relation entre le décalage vers le rouge et les raies d'absorption ?

    Inspiré d'une conversation avec uhoh dans les commentaires :

    Dans ma réponse, je fais référence à un "modèle" de "lignes d'absorption". Pour ceux qui ne connaissent pas le sujet, permettez-moi de vous expliquer.

    Lorsqu'une lumière brille à travers un nuage de gaz, des fréquences de lumière spécifiques sont absorbées. Lorsque cette lumière est ensuite projetée à travers un prisme, les fréquences bloquées apparaîtront sous forme de lignes noires dans le spectre (voir l'illustration ci-dessous). Les raies exactes qui apparaissent et leurs positions dans le spectre (le « motif » des « raies d'absorption ») dépendent des éléments présents dans le gaz et de l'environnement du gaz. L'effet est le plus clairement visible avec une lumière qui émet des photons à toutes les fréquences ; ce type de lumière est connu sous le nom de rayonnement du corps noir. Bien qu'émettant de la lumière à toutes les fréquences, un radiateur à corps noir émettra le plus de lumière à une longueur d'onde particulière ; l'emplacement de ce pic est appelé température du corps noir. Le CMBR discuté dans la question est un exemple de rayonnement du corps noir.


    Source : décalage Doppler, Edward L. Wright
    (Excellent site BTW, la FAQ vaut le détour pour plus d'informations sur les décalages rouges et la cosmologie en général)

    Comme la lumière voyage à travers l'espace (en expansion), sa longueur d'onde et les longueurs d'onde des raies d'absorption s'étend à un taux fixe pour toutes les fréquences. Disons qu'au moment de l'émission/absorption, un spectre montre des raies aux longueurs d'onde de 1, 3 et 5 nm1. Une fois que les photons ont voyagé pendant un certain temps, toutes les longueurs d'onde du spectre semblent avoir doublé2. La ligne anciennement à 1 nm est maintenant vue à 2 nm, celle anciennement à 3 nm est maintenant vue à 6 nm et celle à l'origine à 5 nm est maintenant vue à 10 nm. Bien que leurs fréquences absolues changent au fil du temps, le rapport des longueurs d'onde (et fréquences) des lignes les unes par rapport aux autres reste constant.

    La quantité précise de décalage du spectre d'un objet donné est directement corrélée à sa distance. Comme le montre le diagramme ci-dessus, les objets proches (comme le Soleil) ne présentent aucun décalage vers le rouge. Au fur et à mesure que l'on regarde les objets de plus en plus loin, on voit des quantités croissantes de décalage vers le rouge3.

    Dans la discussion dans la réponse ci-dessus, c'est ce schéma des positions relatives dans les lignes qui est affectée par la température CMBR au moment de l'absorption et non le degré auquel les lignes ont été déplacées.

    1 Pour le dire techniquement, ce point est à $z=0$$z$ indique l'ampleur du décalage, positif pour les décalages rouges (s'éloignant) et négatif pour les décalages bleus (approchant). Une discussion plus approfondie de ce sujet (y compris la définition précise de $z$) se trouve ici.
    2 Le point de doublement de la longueur d'onde (diminution de la fréquence) est à $z=1$
    3 Il convient de noter qu'étant donné qu'il existe une certaine incertitude quant au taux d'expansion de l'Univers, les décalages vers le rouge ne se réfèrent pas à des distances connues avec précision. Ainsi, les astronomes et les cosmologistes se réfèrent rarement aux distances d'objets distants en termes absolus, disons, d'années-lumière ou de parsecs, préférant plutôt utiliser la quantité de décalage vers le rouge observé (le $z$ mentionné ci-dessus).

    Le mécanisme derrière le décalage vers le rouge n'est pas que les photons eux-mêmes changent, c'est plutôt que l'espace même dans lequel les ondes électromagnétiques se déplacent est en expansion. (Les photons sont à la fois des particules et des ondes ; non, ce n'est pas exactement intuitif.) Cet étirement constant de l'espace étire la longueur d'onde de la lumière, provoquant à la fois l'effet du décalage vers le rouge et l'augmentation du décalage vers le rouge d'un photon donné au fil du temps.


    Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0

  • Quel est le lien entre le décalage vers le rouge et le CMBR ?

    Dans les commentaires, Alchimista a demandé "Le CMBR n'est-il pas en fait la quintessence du décalage vers le rouge de toute façon?"
    (Je suppose que vous utilisez le sens commun, et non cosmologique, de "quintessence")

    Oui, il est généralement admis que la température actuelle du CMBR (3 K) est le résultat de photons de relativement haute énergie (3000 K) émis environ 380 000 ans après le Big Bang dont les longueurs d'onde ont été étirées au fil du temps par l'expansion de l'Univers vers l'extrémité rouge (c'est-à-dire la plus froide ou la plus basse énergie) du spectre. Cette expansion a été déduite par Hubble et al. de l'observation que les galaxies plus petites et plus faibles (vues de la Terre) ont un plus grand changement dans leurs spectres. Plus la distance apparente est grande, plus le décalage observé est important. En utilisant ce décalage vers le rouge apparent corrélé à la distance, nous pouvons déduire que l'Univers était plus petit dans le passé et donc plus dense avec une température plus élevée pour le CMBR. Sur la base des décalages vers le rouge observés des galaxies lointaines, nous pouvons alors déduire, mais pas directement mesurer, quelle était la température CMBR à chaque distance.

    Les auteurs de l'article ci-dessus ont fait un direct mesure de la température du CMBR à un moment précis dans le passé. La température mesurée est plus élevée qu'aujourd'hui ce qui implique un Univers plus dense et donc plus petit. Les chercheurs ont en outre découvert que la température mesurée directement correspondait parfaitement à celle déduite du décalage vers le rouge observé de la galaxie étudiée.

    En un mot, la chaîne d'inférence est inversée :

    • Pour un raisonnement basé sur le décalage vers le rouge :
      Décalages vers le rouge croissants avec la distance apparente (mesurée directement) ⇒ Expansion ⇒ Univers plus dense dans le passé ⇒ Température CMBR plus élevée dans le passé.
    • Pour une mesure directe de la température passée (comme avec cet article) :
      Température CMBR plus élevée dans le passé (mesurée directement) ⇒ Univers plus dense dans le passé ⇒ Expansion ⇒ Décalage vers le rouge observé.

    Ces deux chaînes d'inférence basées sur différents ensembles de preuves se complètent et se soutiennent mutuellement.

    Une chose à noter est que le CMBR n'a pas été créé par expansion (du moins pas directement) c'est plutôt l'expansion qui explique sa température et son uniformité actuelles. Selon la théorie du Big Bang, l'univers primitif était très dense ; si dense et chaude que toute la matière était un plasma de particules subatomiques, opaque aux photons. Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers s'était suffisamment refroidi (par expansion) pour que les protons et les électrons puissent se combiner pour former de l'hydrogène gazeux neutre (qui est transparent). Le CMBR est la lumière qui a été libérée à cette époque et qui se refroidit depuis.


Mais est-il encore possible que le décalage vers le rouge soit causé par des phénomènes inconnus et non par des galaxies qui s'éloignent les unes des autres ?

Dans l'histoire, certaines théories alternatives ont été proposées, comme l'hypothèse de la lumière fatiguée, l'univers à l'état stationnaire, etc. Mais l'observation a exclu ces théories et d'autres.

Voir aussi Cosmologie alternative


Oui:

  1. Distribution des données de la supernova 1a
  2. Mesures WMAP du CMB
  3. Relevé du ciel galactique de Sloan (catalogue des galaxies)

L'important est que ces résultats non seulement disent la même chose, mais ils se correspondent aussi.


Il n'y a pas d'autres méthodes raisonnablement directes, mais il existe certainement des méthodes indirectes. Premièrement, dans la réponse de @Alex Hajnal, les températures plus élevées du CMB mesurées plus loin sont une très bonne mesure indirecte.

Une autre preuve indirecte, que personne n'a encore remarquée, est qu'à mesure que nous regardons de plus en plus loin, l'univers semble de plus en plus jeune, et de moins en moins comme ce que nous voyons dans notre quartier. Vous êtes à peu près obligé d'expliquer cela scientifiquement en disant que l'univers a commencé il y a environ 10 milliards d'années, et que les étoiles et les galaxies n'ont commencé à se former qu'à ce moment-là. (Ce n'est pas spécifiquement la preuve d'un Big Bang, mais cela élimine la plupart des alternatives. Le modèle Steady State, par exemple, est falsifié.) Il est très très difficile d'expliquer ce que nous voyons sauf comme étant dû à un univers en expansion à partir d'un état dense chaud env. dix10 il y a des années.

Des preuves plus indirectes proviennent de la relativité générale, une théorie de l'espace, du temps et de la gravité qui est très bien vérifié - il est testé depuis un siècle maintenant et contesté par d'innombrables autres théories, et seul GR a réussi tous les tests expérimentaux. GR prédit de manière robuste qu'un univers statique est impossible et qu'il doit être en expansion ou en contraction. Il s'agit d'une preuve indirecte provenant principalement d'expériences locales.

Des preuves plus indirectes proviennent des calculs de nucléosynthèse qui montrent que les rapports H/He/Li que nous observons dans les étoiles les plus anciennes et les moins évoluées sont exactement ce que nous prédisons en appliquant les propriétés mesurées des noyaux à une boule de feu Big Ban.

Il y a donc beaucoup de science autre que les changements rouges qui indiquent que l'univers s'étend à partir d'un état initial très chaud et dense que même sans l'observation des changements rouges, nous serions finalement forcés à cette conclusion.


En plus des preuves circonstancielles fournies par les autres réponses, une forte vérification des galaxies s'éloignant les unes des autres est donnée par le fait que nous voyons des processus physiques - tels que le temps de déclin de la luminosité des supernovae - augmenter, plus il s'éloigne est. Pour une source avec un redshift de $z$, le montant de cette dilatation du temps est observé comme $(1+z)$, exactement en accord avec ce que l'on attend de la relativité générale dans un univers en expansion.

C'est-à-dire une supernova observée avec un décalage vers le rouge de $1$ met deux fois plus de temps à décliner en tant que supernova locale.

Notez cependant qu'il ne s'agit pas d'une vérification de l'expansion de l'Univers, seulement des galaxies qui s'éloignent les unes des autres. Si l'Univers était statique, mais que les galaxies bougeaient à travers l'espace, vous observeriez les processus dilatés par le même facteur, comme prédit par spécial relativité. Il existe cependant d'autres preuves que les galaxies ne se déplacent pas dans un espace statique, mais se trouvent plutôt plus ou moins immobiles dans un espace en expansion.


OK, cette réponse implique des décalages vers le rouge, mais écoutez-moi.

Sous la relativité générale, plusieurs mécanismes peuvent créer des décalages vers le rouge : expansion de l'espace, objets se déplaçant par rapport à un observateur (c'est-à-dire nous) et lumière sortant bien de la gravité. Cette dernière option sort du cadre de cette question et la première est exclue de l'examen à la demande de l'auteur de la question. Cela ne laisse que la deuxième option (mouvement relatif, alias l'effet Doppler relativiste) à l'étude ; ce changement peut être (et a été) testé ici sur Terre et il a été démontré qu'il existe.

Un décalage vers le rouge est observé dans tous les objets apparemment distants (faible, faible métallicité, etc.). À partir du décalage vers le rouge des spectres observés dans un objet donné, nous pouvons déterminer à quelle vitesse il s'éloigne de nous. Par exemple, un objet avec un décalage vers le rouge mesuré de $z=0,5$ s'éloigne de nous à environ la moitié de la vitesse de la lumière. Jusqu'ici tout va bien. Le problème survient lorsque nous observons des objets avec $z>1$. Beaucoup de ces objets ont été trouvés ; le détenteur du record actuel est GN-z11 avec un décalage vers le rouge de $z=11.09$. En d'autres termes, si seulement un changement relativiste était en jeu, cet objet s'éloignerait de nous à plus de 11 fois la vitesse de la lumière.

Étant donné qu'aucun objet ayant une masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière, il est clair que les décalages vers le rouge observés ne peuvent pas être causés par un mouvement relativiste. Puisqu'il n'y a pas de mécanismes connus au-delà des trois énumérés ci-dessus qui peuvent provoquer des décalages vers le rouge dans les spectres (comparer l'extinction), la seule explication correspondant à ces observations est l'expansion de l'espace. En bref, le fait que des décalages vers le rouge supraluminiques soient observés du tout est la preuve que l'espace s'agrandit.


Existe-t-il d'autres preuves de l'expansion de l'univers en dehors du décalage vers le rouge ? - Astronomie

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

  • Décrivez la découverte selon laquelle les galaxies s'éloignent à mesure que l'univers évolue
  • Expliquer comment utiliser la loi de Hubble pour déterminer les distances aux galaxies éloignées
  • Décrire les modèles de la nature d'un univers en expansion
  • Expliquer la variation de la constante de Hubble

Nous arrivons maintenant à l'une des découvertes les plus importantes jamais faites en astronomie : le fait que l'univers est en expansion. Avant de décrire comment s'est faite la découverte, rappelons que les premiers pas dans l'étude des galaxies sont intervenus à une époque où les techniques de spectroscopie faisaient également de grands progrès. Les astronomes utilisant de grands télescopes pouvaient enregistrer le spectre d'une étoile ou d'une galaxie faible sur des plaques photographiques, guidant leurs télescopes afin qu'ils restent pointés sur le même objet pendant de nombreuses heures et captent plus de lumière. Les spectres de galaxies résultants contenaient une mine d'informations sur la composition de la galaxie et les vitesses de ces grands systèmes stellaires.


Redshift

Des expériences de laboratoire ici sur Terre ont déterminé que chaque élément du tableau périodique n'émet des photons qu'à certaines longueurs d'onde (déterminées par l'état d'excitation des atomes).

Redshift et la loi de Hubble
Pour les objets très éloignés (au-delà d'environ 1 milliard d'années-lumière), aucune des méthodes ci-dessus ne fonctionne. Les scientifiques doivent passer de l'observation directe à l'utilisation d'observations en conjonction avec une théorie.

Redshift
Qu'est-ce que Redshift?
Les astronomes peuvent en apprendre davantage sur le mouvement des objets cosmiques en examinant la façon dont leur couleur change au fil du temps ou en quoi elle diffère de ce que nous nous attendions à voir.

peut être utilisé pour estimer la distance d'un objet à la Terre.

est le déplacement du spectre d'un objet astronomique vers des longueurs d'onde plus longues (rouges).

et comparez-le à votre valeur.

En 1842, Christian Doppler a souligné qu'une longueur d'onde observée est affectée par le mouvement entre la source émettrice et l'observateur.

les devis sont uniquement disponibles au CDS via ftp anonyme à cdsarc.u-strasbg.fr (130.79.128.5) ou via
Mesures d'utilisation actuelles À propos des mesures d'article Retour à l'article .

En 1976, W. Tifft a affirmé que les galaxies de l'amas de Coma avaient des vitesses qui étaient des multiples entiers de 72 km s-1. En étudiant les émissions HI des galaxies, le quantum a ensuite été révisé à 36 km s-1. Ces affirmations ont été accueillies avec scepticisme.

Le concept de photométrie

s. La liste des articles fournis ci-dessous n'est pas exhaustive cependant, elle couvre le développement de la technique jusqu'à environ 1996. - S.D.J. Gwyn
1. Mesure directe du changement de vitesse .

s partout dans l'Univers.

révèle comment un objet dans l'espace (étoile/planète/galaxie) se déplace par rapport à nous. Il permet aux astronomes de mesurer une distance pour les objets les plus éloignés (et donc les plus anciens) de notre univers.
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Le décalage vers le rouge cosmologique

Depuis sa découverte il y a près de 65 ans, le décalage vers le rouge cosmologique est resté l'une des "preuves" les plus convaincantes que notre univers est en expansion. Les étapes menant à sa découverte sont bien connues. Peu de temps après que Christian Doppler ait découvert que le mouvement produit des décalages de fréquence en 1842, les astronomes ont lancé un programme spectroscopique agressif pour mesurer les vitesses des étoiles et des planètes à l'aide de leurs décalages Doppler. Cela s'est poursuivi tout au long des premières décennies du 20e siècle, culminant dans les travaux de Vesto Slipher, Edwin Hubble et Milton Humason sur les nébuleuses en spirale, des objets distinctement non stellaires qui semblaient également afficher des étoiles. comme les décalages Doppler. Tant que des vitesses de quelques centaines de kilomètres par seconde seulement étaient mesurées, personne ne doutait que les changements de fréquence pour les nébuleuses spirales indiquaient un mouvement relatif tout comme ils l'avaient fait pour les étoiles et les planètes.
Mais, au cours des années 1920 et 30, des nébuleuses spirales avec des décalages Doppler de plus de 34 000 kilomètres par seconde ont été découvertes. Dans une lettre de Hubble au cosmologue néerlandais Willem De Sitter en 1931, il a fait part de ses inquiétudes concernant ces vitesses en disant « nous utilisons le terme « vitesses apparentes » afin de souligner la caractéristique empirique de la corrélation. L'interprétation, nous pensons, devrait être laissée à vous et aux très rares autres personnes compétentes pour discuter de la question avec autorité. Malgré cette mise en garde, le fait est que les décalages vers le rouge mesurés pour les galaxies lointaines ressemblaient à décalages Doppler. Les termes "vitesse de récession" et "vitesse d'expansion" ont été rapidement mis en service par les astronomes du télescope, et par les vulgarisateurs, pour décrire la base physique du décalage vers le rouge.

Alors que les astronomes exploraient l'univers à de plus grandes profondeurs, les galaxies et les quasars semblaient s'éloigner à des vitesses de plus en plus rapides. Cela semble être une conséquence tout à fait naturelle de la sortie de matière du big bang. Comme un feu d'artifice étincelant par une chaude soirée d'été, nous nous imaginons debout sur l'un de ces cendres galactiques, regardant les autres se précipiter devant nous dans le vide sombre de l'espace infini. À y regarder de plus près, cependant, cette image mentale intuitivement convaincante et séduisante est à la fois inadéquate et trompeuse.

Les mystères de la relativité

La cosmologie du Big Bang est basée sur la théorie de la relativité générale d'Einstein.C'est une théorie transcendant à la fois la mécanique de Newton et la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, nous introduisant à des concepts qui n'existent pas dans les théories plus anciennes. Ces concepts ne sont pas non plus facilement compréhensibles par notre bon sens qui a été affiné par l'évolution organique pour ne voir le monde qu'à travers un ensemble étroit de lunettes.

Par exemple, la relativité restreinte est basée sur le postulat difficile à comprendre selon lequel la vitesse de la lumière est absolument constante lorsqu'elle est mesurée dans des cadres de référence se déplaçant à une vitesse constante. De là émerge le concept d'« espace-temps » qui devient alors l'arène de tous les phénomènes impliquant la dilatation du temps, la contraction des longueurs et le Twin Paradox. Au-delà de la relativité restreinte se trouve le paysage incomparablement plus étranger de la relativité générale. Les champs gravitationnels deviennent maintenant des courbures géométriques de l'espace-temps. Cela n'a pas d'analogue en relativité restreinte, car c'est un espace-temps parfaitement plat qui reste à l'écart de toute influence sur lui de la matière ou de l'énergie.

Tout comme la constance de la vitesse de la lumière a conduit au Twin Paradox, la courbure de l'espace-temps conduit à son propre ménage de phénomènes particuliers. L'un d'eux implique le ralentissement des horloges en présence d'un fort champ gravitationnel. En relation avec cela, il y a le « décalage gravitationnel vers le rouge » qui se produit lorsque la fréquence de la lumière envoyée par la surface d'un corps est déplacée vers des fréquences plus basses pendant le trajet jusqu'à l'observateur. Ce décalage vers le rouge n'est pas lié au fameux décalage Doppler puisque l'observateur n'est pas en mouvement par rapport au corps émettant le signal lumineux !

Un deuxième phénomène prédit par la relativité générale qui n'a pas non plus d'analogue en relativité restreinte est le décalage vers le rouge cosmologique. En termes simples, le décalage vers le rouge cosmologique se produit parce que la courbure de l'espace-temps était plus petite dans le passé lorsque l'univers était plus jeune qu'il ne l'est maintenant. Les ondes lumineuses s'étirent en cours de route entre le moment où elles ont été émises il y a longtemps et le moment où elles sont détectées par nous aujourd'hui.

Le décalage Doppler et la cosmologie

Il est tentant d'appeler les décalages vers le rouge cosmologiques des décalages Doppler. Ce choix d'interprétation a, dans les années qui ont suivi, conduit à une méconnaissance malheureuse de la cosmologie du big bang, obscurcissant l'une de ses beautés les plus mystérieuses. Comme l'ont noté avec un soupçon de frustration des cosmologues tels que Steven Weinberg et Jaylant Narlikar et John Wheeler, « la fréquence de la lumière est également affectée par le champ gravitationnel de l'univers, et il n'est ni utile ni strictement correct d'interpréter les changements de fréquence. de lumière…en termes d'effet Doppler relativiste spécial.”.

En désignant les décalages vers le rouge cosmologiques comme des décalages Doppler, nous insistons sur le fait que notre intuition newtonienne sur le mouvement s'applique toujours sans changement significatif à l'arène cosmologique. Le résultat de cette réflexion est que les quasars actuellement détectés à des décalages vers le rouge de Z = 4,0 devraient être interprétés comme se déplaçant à une vitesse supérieure à V = Z x c ou 4 fois la vitesse de la lumière. C'est, bien sûr, assez absurde, car nous savons tous qu'aucun objet physique ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Pour éviter de telles vitesses apparemment absurdes, de nombreux vulgarisateurs utilisent la formule Doppler relativiste spéciale pour montrer que les quasars ne se déplacent vraiment pas plus vite que la lumière. L'argument étant que pour les grandes vitesses, la relativité restreinte remplace la physique newtonienne comme cadre correct pour interpréter le monde. En utilisant une formule spéciale d'addition de vitesse relativiste, le quasar dont nous venons de parler a une vitesse de 92 % de la vitesse de la lumière. Bien que nous ayons maintenant le sentiment que la Raison est revenue à notre description de l'univers, en fait, nous n'avons remplacé qu'une explication incomplète par une autre. Le calcul de la vitesse des quasars présuppose désormais que la relativité restreinte (une théorie de l'espace-temps plat) est applicable même aux échelles cosmologiques où la relativité générale prédit que la courbure de l'espace-temps devient importante. Cela équivaut à un arpenteur faisant une carte de l'état de Californie, et ne tenant pas compte de la courbure de la terre !

L'adoption de la formule Doppler relativiste spéciale par de nombreux éducateurs a conduit à une cosmologie "hybride" particulière qui tente de décrire la cosmologie du big bang en utilisant la relativité générale, mais qui est toujours fermement embourbée dans le ruberik de la relativité restreinte. Par exemple, sous l'entrée ‘redshift’ dans l'Encyclopedia of Astronomy de Cambridge, il est explicitement reconnu que le décalage vers le rouge n'est pas un décalage Doppler, mais moins de deux paragraphes plus tard, la formule Doppler relativiste spéciale est introduite pour montrer comment les quasars se déplacent. plus lent que la vitesse de la lumière ! Il est également courant que les vulgarisateurs de la cosmologie décrivent comment "l'espace lui-même s'étend" tout en continuant à décrire l'expansion de l'univers comme un mouvement régi par les restrictions de la relativité restreinte. Que se passe-t-il ici ?

La relativité générale à la rescousse

En adoptant la relativité générale comme guide approprié, de telles contradictions sont éliminées. La relativité générale nous amène à plusieurs conclusions puissantes sur notre cosmos : 1) la relativité restreinte est inapplicable pour décrire l'univers plus vaste 2) les concepts de distance et de mouvement ne sont pas absolument définis et 3) l'espace-temps préexistant n'est pas défini. Chacune de ces conclusions est aussi contre-intuitive que le Twin Paradox ou que le dualisme particule/onde de la mécanique quantique. Comme l'a dit un jour le physicien Nobel John Wheeler : « Si vous n'êtes pas complètement confus par la mécanique quantique, vous ne la comprenez pas » On peut en dire autant de la relativité générale.

La première conclusion signifie que nous ne pouvons pas faire confiance même aux connaissances durement acquises de la relativité restreinte pour représenter avec précision la « grande image » de l'univers. La relativité générale doit remplacer la relativité restreinte en cosmologie car elle refuse un rôle particulier aux observateurs se déplaçant à vitesse constante, étendant la relativité restreinte dans l'arène des observateurs accélérés. Il nie également une signification particulière à l'espace-temps plat de la relativité restreinte en le reléguant à un domaine microscopique au sein d'une plus grande possibilité géométrique. Tout comme la physique newtonienne a cédé la place à la relativité restreinte pour décrire le mouvement à grande vitesse, la relativité restreinte cède également la place à la relativité générale. Cela signifie que la formule Doppler relativiste spéciale ne doit pas, en fait, ne peut pas être utilisée pour quantifier la vitesse de quasars distants. Nous n'avons pas le choix en la matière si nous voulons maintenir l'intégrité logique des deux théories.

Distance et mouvement

La deuxième conclusion est particulièrement bouleversante car si nous ne pouvons pas définir ce que nous entendons par distance, comment pouvons-nous alors discuter en termes significatifs du « mouvement » des quasars distants, ou d'une loi de Hubble interprétée comme une relation distance/vitesse ? Dans une petite région de l'espace-temps, nous pouvons certainement définir le mouvement comme nous l'avons toujours fait parce que l'espace a une géométrie statique et plate. Lorsqu'un corps se déplace du point x au point y dans un intervalle de temps, T, nous disons qu'il se déplace à une vitesse de S = (x – y)/T. Il existe également des moyens expérimentaux spécifiques de mesurer x, y et T pour former le guillemet S en utilisant des horloges et des règles. La caractéristique essentielle derrière ces mesures est que rien n'arrive à la géométrie de l'espace pendant l'expérience pour modifier les résultats du processus de mesure.

Dans le cadre cosmologique qui, selon nous, est décrit avec précision par la relativité générale, nous n'avons aucun de ces luxes ! Les astronomes ne peuvent pas attendre des millions d'années pour mesurer les mouvements propres des quasars. Ils ne peuvent pas, comme les officiers de la patrouille routière, faire rebondir les faisceaux radar sur des galaxies lointaines pour établir leurs distances ou vitesses relatives. Contrairement à toutes les autres formes de mouvement précédemment observées, le « mouvement cosmologique » ne peut pas être observé directement. Cela ne peut être déduit qu'à partir d'observations du décalage vers le rouge cosmologique, que la relativité générale NOUS DIT alors que l'univers est en expansion.

Dans la cosmologie du big bang, les galaxies sont situées à des positions fixes dans l'espace. Ils peuvent exécuter de petites danses autour de ces positions en fonction de la relativité restreinte et des champs gravitationnels locaux, mais le véritable "mouvement" réside dans l'expansion littérale de l'espace entre eux ! Ce n'est pas une forme de mouvement qu'aucun humain n'a jamais expérimenté. Il n'est donc pas surprenant que notre intuition chancelle devant son implication et cherche d'autres interprétations moins radicales pour elle, y compris la relativité restreinte. Mais même le langage exotique et les énigmes de la relativité restreinte ne peuvent pas nous aider. Au lieu de cela, nous sommes obligés d'interroger les mathématiques de la relativité générale elle-même pour tous les repères qu'elle peut fournir. Ce faisant, nous nous retrouvons cependant avec une énigme aussi profonde que celle du Twin Paradox, et tout aussi difficile à expliquer.

Deux galaxies situées en permanence aux positions (x1 , y1 , z1 ) et ( x2 , y2 , z2 ) à un moment donné se trouvent à un milliard d'années-lumière l'une de l'autre. Puis, quelques milliards d'années plus tard, alors qu'elles sont situées aux mêmes coordonnées, elles se retrouvent à 3 milliards d'années-lumière l'une de l'autre. Les galaxies n'ont pas bougé, néanmoins, leurs séparations ont augmenté. En fait, lorsque l'univers n'avait qu'un an, les séparations entre ces galaxies augmentaient à 300 fois la vitesse de la lumière ! L'espace peut s'étendre plus rapidement que la vitesse de la lumière en relativité générale, car l'espace ne représente ni la matière ni l'énergie. Les déplacements qui résultent de sa dilatation produisent un tout nouveau type de mouvement pour lequel même nos intuitions spéciales entraînées de manière relativiste restent profondément silencieuses. Comme ce monsieur de Main a dit un jour “Vous ne pouvez pas y arriver [à la relativité générale] d'ici [la relativité restreinte]”. Dans la mesure où la relativité générale a été testée et jugée correcte, nous n'avons d'autre choix que d'accepter ses conséquences pour argent comptant.

Espace, temps et matière

La dernière conclusion tirée de la cosmologie relativiste générale est que, contrairement à la relativité restreinte, il n'est pas physiquement significatif de parler d'un espace-temps existant indépendamment de la matière et de l'énergie. Dans la cosmologie du big bang, l'espace et le temps sont apparus à côté de la matière et de l'énergie au « temps zéro ». Si notre univers contient plus qu'une densité critique de matière et d'énergie, son espace-temps est à jamais fini et délimité, sous une forme analogue à une sphère. Au-delà de cette frontière, l'espace et le temps n'existent tout simplement pas. En fait, la relativité générale permet à la conservation de l'énergie d'être suspendue afin que la matière et l'énergie puissent être créées littéralement à partir du néant de l'espace-temps courbe. La relativité générale fournit un moyen de ‘démarrage’ la création !

La cosmologie du big bang est un modèle à la fois profondément beau et inquiétant pour notre univers, sa forme et son destin. Il contient de nombreuses surprises qui n'ont pas encore été complètement élaborées. Mais une caractéristique de l'univers en évolution semble absolument claire, le big bang n'était pas un grand feu d'artifice, mais un événement d'un ordre complètement différent. Cela ressemblait plus à un film à bulles de savon en expansion sur lequel des grains de poussière galactiques sont emportés pour le trajet. Ce film représente la totalité de tout l'espace et de la matière de notre univers, et il se dilate dans un mystérieux vide primordial qui est lui-même vide d'espace, de dimension, de temps ou de matière.

À l'avenir, on espère que le glas aura enfin sonné pour les derniers vestiges de la pensée plus ancienne. Avec l'interprétation Doppler du décalage vers le rouge cosmologique enfin reconsidérée et rejetée, nous serons enfin en mesure d'embrasser la beauté et le mystère essentiels de l'expansion cosmique tels qu'ils ont été initialement envisagés par ses découvreurs.


Question d'univers en expansion

Si je comprends bien, l'expansion de l'univers signifie que tout s'éloigne de tout. Cependant, nous voyons de nombreux exemples de collisions de galaxies. Quelle est l'explication à cela ?

Si cela a déjà été discuté, n'hésitez pas à simplement poster un lien.

#2 GregLee1

Tout ne s'éloigne pas de tout, mais les distances entre les choses augmentent. Deux choses peuvent encore s'approcher et entrer en collision, c'est juste qu'elles doivent parcourir de plus en plus de terrain pour le faire, à mesure que la distance entre elles augmente.

#3 Monsieur T

Tout ne s'éloigne pas de tout, mais les distances entre les choses augmentent. Deux choses peuvent encore s'approcher et entrer en collision, c'est juste qu'elles doivent parcourir de plus en plus de terrain pour le faire, à mesure que la distance entre elles augmente.

Ma question est : est-ce que tout l'espace s'agrandit ?

Est-ce que l'espace entre moi et le sol ou la Terre et la lune

Si tout l'espace se dilate et que les masses liées gravitationnellement sont toujours affectées par cette expansion, alors cela n'ajoute-t-il pas un terme (un infiniment petit) aux équations de mouvement/gravitation ?

ou l'espace ne s'étend-il que dans les zones où la force de gravité est extrêmement faible ?

#4

Cette question ne peut trouver de réponse que s'il devient possible de mesurer "l'espace" quantitativement. Je ne pense pas que cela puisse être fait, mais si c'est possible, j'aimerais le voir.

Sinon, vous pouvez poser une question différente : l'espace est-il en expansion ou est-ce que davantage de « quanta d'espace » sont créés ? Je ne pense pas que ce soit la même question.

#5 maugi88

La compréhension que l'univers est en expansion a été dérivée d'études sur le ralentissement gravitationnel de l'expansion de l'univers. Je ne suis pas sûr et quelqu'un s'il vous plaît expliquer, mais ce sont les données de décalage vers le rouge qui ont montré que dans l'ensemble, l'univers accélère et ne ralentit pas. Est-ce correct?

Ceci, comme cela a été dit, ne signifie pas que les groupes et amas de galaxies s'étendent loin de leurs membres individuels mais d'autres groupes. Andromède entrera en collision et consommera notre galaxie dans plusieurs millions d'années. (J'aimerais voir la vue de cela remplir le ciel)

Ma question est la suivante, similaire à celle de Tony : les données qui décrivent un univers qui s'étend loin de nous, pourraient également signifier qu'il se contracte vers quelqu'un d'autre. Comme on l'a demandé, l'univers pourrait-il s'étendre ici mais se contracter là-bas ?

Édité par maugi88, le 18 septembre 2014 - 16:24.

#6 GregLee1

Tout ne s'éloigne pas de tout, mais les distances entre les choses augmentent. Deux choses peuvent encore s'approcher et entrer en collision, c'est juste qu'elles doivent parcourir de plus en plus de terrain pour le faire, à mesure que la distance entre elles augmente.

Ma question est : est-ce que tout l'espace s'agrandit ?

Ma compréhension (dérivé de vulgarisations) est : oui, tout l'espace s'étend. Il peut y avoir des forces compensatoires, telles que la gravité, qui amènent néanmoins des objets à s'approcher les uns des autres.

#7 champ d'application

rien que des billes se déplaçant sur un disque plat en rotation.

#8 GregLee1

La course de la reine rouge à travers le miroir est parfois utilisée pour illustrer un tel concours comme celui entre la gravité, tendant à minimiser la distance entre les objets, et l'expansion de l'espace :

— Eh bien, dans notre pays, dit Alice, encore un peu haletante, tu arriverais généralement ailleurs, si tu cours très vite depuis longtemps, comme nous l'avons fait.

« Une sorte de pays lent ! dit la reine. "Maintenant, ici, tu vois, ça prend toute la course que tu peux faire, pour rester au même endroit. Si tu veux aller ailleurs, tu dois courir au moins deux fois plus vite que ça!"

Édité par GregLee1, 18 septembre 2014 - 17:02.

#9 MitchisMitch

Donc tout l'espace est en expansion, même l'espace entre les électrons et les protons ? Cela signifierait-il que les objets physiques deviennent plus gros ? Ou qu'ils doivent "courir" comme dans l'exemple ci-dessus, pour rester à la même distance l'un de l'autre ?

#10 GregLee1

Donc tout l'espace est en expansion, même l'espace entre les électrons et les protons ? Cela signifierait-il que les objets physiques deviennent plus gros ? Ou qu'ils doivent "courir" comme dans l'exemple ci-dessus, pour rester à la même distance l'un de l'autre ?

Je ne sais pas, mais j'en doute. L'ancien modèle de l'atome comme quelque chose comme un petit système solaire semblerait impliquer que les espaces au sein de l'atome s'étendraient, mais je ne sais pas si la théorie quantique a une notion d'espace intra-atomique, ou, si c'est le cas, ce que c'est.

#11 maugi88

L'espace entre les protons et les électrons s'agrandit ? Hein?

#12 stephen63

Si vous souscrivez à la théorie du Big Rip, l'énergie noire finira par vaincre les forces fondamentales qui maintiennent les atomes ensemble. Ai-je raison de dire que jusqu'à ce que ce point soit atteint, la structure des atomes restera la même ?

Modifié par stephen63, le 19 septembre 2014 - 08:12.

#13 GJJim

Donc tout l'espace est en expansion, même l'espace entre les électrons et les protons ? Cela signifierait-il que les objets physiques deviennent plus gros ? Ou qu'ils doivent "courir" comme dans l'exemple ci-dessus, pour rester à la même distance l'un de l'autre ?

Je ne sais pas, mais j'en doute. L'ancien modèle de l'atome comme quelque chose comme un petit système solaire semblerait impliquer que les espaces au sein de l'atome s'étendraient, mais je ne sais pas si la théorie quantique a une notion d'espace intra-atomique, ou, si c'est le cas, ce que c'est.

Les "particules" élémentaires sont des champs quantiques avec une certaine densité d'énergie. Il y a un énorme problème non résolu (un facteur de

10 120 ) en physique où la densité d'énergie calculée du vide ne correspond pas à la densité d'énergie que nous tirons d'autres mesures à grande échelle. Jusqu'à ce que nous trouvions une explication rationnelle à cet écart, il est inutile de spéculer sur l'effet de l'expansion de "l'espace" dans le monde quantique.

#14 WestTx

*tout* n'est pas en expansion. Les forces de liaison sont plus fortes que la force d'expansion de l'espace. La gravité, la force électromagnétique, la force atomique faible et la force atomique forte sont chacune plus fortes que la force qui élargit l'espace (énergie noire ?). Par conséquent, nous, atomes, roches, etc. sommes liés par ces forces qui sont plus fortes. Du moins c'est comme ça que je le comprends.

#15 Dave Mitsky

Je crois que Les a bien expliqué la situation. Voir http://math.ucr.edu/. g_universe.html et http://www.astro.ucl. ogy_faq.html#SS pour plus d'informations.

#16 GregLee1

Les forces de liaison sont plus fortes que la force d'expansion de l'espace.

Et cela signifie que l'espace ne s'étend pas à cette échelle ? Il y a quelque chose d'étrange dans ce raisonnement. Voici une analogie :

Si je prends du poids, mon tour de taille se dilate, ce qui a tendance à faire déchirer mon pantalon puis à tomber. Mais j'ai une ceinture très solide, que j'utilise pour empêcher le pantalon de se déchirer, et il reste en place. Alors la force de ma ceinture m'a-t-elle empêché de grossir ?

Un symptôme de l'expansion de l'espace est la distance croissante entre les objets, mais juste parce que, dans un cas particulier, un facteur étranger empêche les objets de devenir plus éloignés, il ne s'ensuit pas que l'espace ne s'étend pas.

#17 maugi88

L'expansion de l'univers n'équivaut pas au niveau moléculaire. Cela signifierait qu'à terme les molécules de l'acier seraient suffisamment éloignées les unes des autres pour qu'elles soient transparentes.

#18 WestTx

Les forces de liaison sont plus fortes que la force d'expansion de l'espace.

Et cela signifie que l'espace ne s'étend pas à cette échelle ? Il y a quelque chose d'étrange dans ce raisonnement. Voici une analogie :

Si je prends du poids, mon tour de taille se dilate, ce qui a tendance à faire déchirer mon pantalon puis à tomber. Mais j'ai une ceinture très solide, que j'utilise pour empêcher le pantalon de se déchirer, et il reste en place. Alors la force de ma ceinture m'a-t-elle empêché de grossir ?

Un symptôme de l'expansion de l'espace est la distance croissante entre les objets, mais juste parce que, dans un cas particulier, un facteur étranger empêche les objets de devenir plus éloignés, il ne s'ensuit pas que l'espace ne s'étend pas.

Je ne suis pas sûr de comprendre ta question mais. dans votre analogie, vous semblez confondre volume et masse. Votre ceinture arrêtera votre expansion car elle est plus forte que le corps bombé, mais elle ne vous empêchera pas de prendre de la masse.

Oui, l'espace s'étend, mais tout n'est pas en expansion dans l'espace.

#19 GregLee1

Ainsi, dans le contexte des théories actuelles, il est irréfutable d'essayer de dire si "l'espace" (c'est-à-dire l'espace-temps)

s'étend au niveau atomique, car les théories actuelles sont insuffisantes pour répondre à la question.

La "sagesse conventionnelle" est qu'il n'en est rien, la présence de matière suffit à l'arrêter localement.

Comment la présence de matière peut-elle arrêter l'expansion de l'espace ? La présence de matière peut empêcher les objets de s'éloigner les uns des autres, mais ce n'est pas la même chose que d'empêcher l'espace de s'étendre, n'est-ce pas ? Je ne comprends pas la "sagesse conventionnelle".

#20 llanité

Les forces de liaison sont plus fortes que la force d'expansion de l'espace.

Et cela signifie que l'espace ne s'étend pas à cette échelle ? Il y a quelque chose d'étrange dans ce raisonnement. Voici une analogie :

Si je prends du poids, mon tour de taille se dilate, ce qui a tendance à faire déchirer mon pantalon puis à tomber. Mais j'ai une ceinture très solide, que j'utilise pour empêcher le pantalon de se déchirer, et il reste en place. Alors la force de ma ceinture m'a-t-elle empêché de grossir ?

Un symptôme de l'expansion de l'espace est la distance croissante entre les objets, mais juste parce que, dans un cas particulier, un facteur étranger empêche les objets de devenir plus éloignés, il ne s'ensuit pas que l'espace ne s'étend pas.

Au risque de dépasser la technique, dans le contexte des théories existantes au niveau atomique - la mécanique quantique

(QM) et le modèle standard de la physique des particules - ces théories sont ce qu'on appelle dépendant de l'arrière-plan. Il

est simplement *supposé* que le fond d'espace-temps dans lequel les interactions de particules ont lieu est plat et statique,

c'est-à-dire sans expansion. Les théories qui tentent d'incorporer la gravité au niveau quantique, la théorie des cordes et

La gravité quantique à boucle (LQG) dépend également du bruit de fond. Ils incorporent la gravité comme un boson

interaction médiatisée (graviton) à longue portée se déroulant sur un fond d'espace-temps plat et statique.

La mécanique quantique inclut la relativité restreinte (SR), car l'arrière-plan de la SR est le Minkowski

métrique, qui est plate et statique.

La relativité générale (GR), quant à elle, est fond indépendant, c'est vraiment une théorie de l'arrière-plan -

espace-temps - et décrit comment l'espace-temps se courbe en présence de matière. Cela conduit aussi à la conclusion

qu'un espace-temps statique est instable, il finira par se contracter ou s'étendre. Observations de galaxies

ont montré de façon concluante que l'espace-temps s'étend à des échelles cosmologiques.

Le problème est que lorsque vous essayez de combiner GR & QM, vous vous retrouvez avec un non-sens mathématique, et tout

diverge à l'infini, et les techniques de renormalisation utilisées en QM ne fonctionnent plus.

Ainsi, dans le contexte des théories actuelles, il est irréfutable d'essayer de dire si "l'espace" (c'est-à-dire l'espace-temps)

s'étend au niveau atomique, car les théories actuelles sont insuffisantes pour répondre à la question.

La "sagesse conventionnelle" est que non, la présence de matière suffit à l'arrêter localement,

et l'expansion globale de l'espace-temps se produit principalement dans le vide entre les amas de galaxies, qui

sont exempts de matière dans la mesure où ils sont virtuellement indiscernables de l'« espace libre » théorique.

C'est la meilleure réponse à la question que j'ai jamais lu. Merci.

#21 Mxplx2

#22 GregLee1

Dans le manuel Principes de la cosmologie physique par P. J. E. Peebles, considéré comme le niveau d'études supérieur définitif

manuel sur le sujet, il indique (c'est nous qui soulignons) :

L'expansion de l'univers signifie que la distance physique appropriée entre une paire de

galaxies augmente avec le temps, c'est-à-dire que les galaxies s'éloignent les unes des autres. Un système lié gravitationnellement

ne s'étend pas, et nous verrons que l'instabilité gravitationnelle tend à rassembler les galaxies dans de plus en plus

systèmes massifs qui rompre avec l'expansion générale pour former une hiérarchie de clusters. le

la loi d'expansion homogène fait référence à des galaxies suffisamment éloignées les unes des autres pour que les irrégularités locales soient ignorées.

La FAQ mentionnée ci-dessus dit "Pour les techniciens, Cooperstock et al. calculent que l'influence de l'expansion cosmologique sur l'orbite de la Terre autour du Soleil équivaut à une croissance d'une partie seulement par septillon sur l'âge du système solaire. " (http://www.astro.ucl. ogy_faq.html#SS) Cela semble entrer en conflit avec l'affirmation que vous citez : « Un système lié à la gravitation ne s'étend pas. »

#23 GregLee1

Si espace-temps ("l'espace" est vraiment un concept archaïque de la mécanique newtonienne) peut s'étendre indépendamment de la matière, comme

vous semblez dire, alors pourquoi voyons-nous une relation décalage vers le rouge/distance avec les galaxies ?

Je pense à l'expansion comme à une force exercée sur des objets qui les séparent. La force peut être opposée à d'autres forces, comme la gravité, qui rapproche les objets. Ce n'est pas parce que les objets sont tirés dans une direction l'un vers l'autre qu'ils ne sont pas également écartés. Que les objets s'approchent réellement les uns des autres ou s'envolent doit dépendre de l'amplitude comparative des forces opposées. Je ne vois pas pourquoi il y a une implication sur l'observabilité du décalage vers le rouge, qui ne serait pas déterminé par les forces attractives ou répulsives en soi, mais plutôt par la vitesse qui en résulte.


Conclusion

L'univers dans lequel nous vivons est plein de mystères. La théorie la plus acceptée de son origine et de sa fin, la théorie du Big Bang, explique comment l'univers s'est étendu d'un cosmos ponctuel à celui qui s'est étendu à une immensité inimaginable.

Il est toujours en expansion, mais tout comme une courbe parabolique (bien que non symétrique), il se terminera comme un objet ponctuel.

Avons-nous dépassé vos attentes?
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Redshift et extension universelle

Corrigez-moi si je me trompe, mais la seule preuve réelle montrant que l'univers est en expansion (et accélère son expansion) est d'observer les supernovae dites "à bougie standard" qui ont toujours la même luminosité et d'observer que plus elles sont éloignées, plus rouge décalé leur lumière est, et comme le décalage rouge indique qu'un objet s'éloigne de nous, nous supposons que l'univers entier est en expansion, est-ce une description précise ?

N'est-il pas également tout aussi plausible qu'il existe une sorte d'influence électromagnétique sur certaines propriétés de la lumière qui, sur de longues échelles de temps, rendra la lumière plus décalée vers le rouge ?

En d'autres termes, nous supposons que l'univers est en expansion parce que plus un objet est éloigné, plus il est décalé vers le rouge, et en ayant une telle construction théorique, nous supposons que la lumière est inchangée, que les propriétés de la lumière sont constantes (I' Je ne fais pas référence à la vitesse de la lumière ici), ce que je remets en question, c'est que, lorsque la lumière traverse l'espace pendant des milliards d'années, on devrait s'attendre à ce qu'elle subisse des interférences dans sa longueur d'onde.

Et si cette notion peut être étayée par la compréhension actuelle, n'invaliderait-elle pas quelque peu l'ensemble du modèle cosmologique lambda cdm, et en fait la théorie du big bang elle-même ?


Existe-t-il d'autres preuves de l'expansion de l'univers en dehors du décalage vers le rouge ? - Astronomie

Le Groupe Local de Galaxies (Voie Lactée, Andromède, etc.) se déplace vers le Superamas Local. Dans le même temps, nos voisines Galaxies s'éloignent-elles de la Voie Lactée ? Est-ce que le Groupe Local s'étend comme un tout en même temps que l'autre univers s'étend ?

Nos voisins galactiques les plus proches, à savoir le Groupe Local, se composent principalement de notre galaxie, la galaxie d'Andromède, les Grands et Petits Nuages ​​de Magellan ainsi qu'une trentaine de petites galaxies à l'intérieur

1-2 Mpc de chez nous. Les deux plus grandes galaxies, la Voie lactée et l'Andromède, se rapprochent l'une de l'autre à environ 119 km/s au lieu de s'étendre avec le reste de l'univers car l'attraction gravitationnelle entre les deux est plus forte. En fait, l'ensemble du Groupe Local s'effondre sous l'attraction gravitationnelle, et dans environ 3 milliards d'années, la Voie Lactée et Andromède entreront en collision ! Ahhhh !

À plus grande échelle, le groupe local se dirige vers le superamas local à environ 600 km/s, mais il ne se dirige pas tout droit vers le centre du superamas local comme prévu. En fait, nous voyons des "mouvements particuliers", ou des mouvements dans des directions différentes de celles auxquelles nous nous attendrions en fonction de l'expansion de l'univers, dans de nombreuses structures de l'univers local, des galaxies proches aux plus grands amas de galaxies. En construisant des cartes de ces mouvements particuliers dans l'univers relativement local (vous pouvez voir un exemple de ce travail ici), les astronomes peuvent avoir une meilleure idée de la façon dont la masse est distribuée dans l'univers local, car c'est l'attraction gravitationnelle entre ces objets qui les empêche de se séparer à mesure que l'univers s'étend.

Il s'agit d'une page très amusante sur la structure de l'univers qui vous permet de voir différentes structures, des étoiles voisines les plus proches à l'univers entier.

Cette page a été mise à jour pour la dernière fois le 28 janvier 2019

A propos de l'auteur

Lisa Wei

Lisa est diplômée de Cornell en mai 2004 avec un baccalauréat en astronomie. Pendant son séjour ici, elle a étudié les traînées de gel sur Mars et les sous-structures de l'amas de la Vierge. Elle est maintenant étudiante diplômée en astronomie à l'Université du Maryland.


Non, l'univers ne peut pas s'étendre différemment dans différentes directions

Plus nous regardons loin, plus nous remontons dans le temps vers un Univers moins évolué que nous voyons, mais nous voyons . [+] ceci d'une manière qui révèle que l'Univers est le même à un très haut degré dans toutes les directions.

Utilisateur de Wikipédia Pablo Carlos Budassi

Plus tôt ce mois-ci, une nouvelle étude est sortie affirmant quelque chose de choquant : peut-être que l'Univers s'étendait à des rythmes différents dans des directions différentes. Ils ont examiné plus de 800 amas de galaxies émettant des rayons X, mesuré leur température, leur luminosité et leur décalage vers le rouge, et en ont déduit à quelle distance ils étaient comparés à la vitesse à laquelle ils semblaient s'éloigner de nous.

Étonnamment, ils ont constaté qu'une direction était cohérente avec un taux d'expansion plus rapide que la moyenne tandis qu'une direction différente, pas parfaitement décalée, était cohérente avec un taux d'expansion plus lent que la moyenne, ces deux directions différant de la moyenne d'environ 10 % chacun. Malheureusement, cette interprétation est déjà exclue par un ensemble d'observations bien meilleur : du fond diffus cosmologique (CMB), également connu sous le nom de lueur résiduelle du Big Bang. Voici comment nous savons que l'Univers ne s'étend pas différemment dans différentes directions.

Si vous regardez de plus en plus loin, vous regardez aussi de plus en plus loin dans le passé. Le plus éloigné . [+] que nous pouvons voir dans le temps est de 13,8 milliards d'années : notre estimation de l'âge de l'Univers. C'est l'extrapolation aux temps les plus reculés qui a conduit à l'idée du Big Bang. Bien que tout ce que nous observons soit cohérent avec le cadre du Big Bang, ce n'est pas quelque chose qui pourra jamais être prouvé.

L'histoire commence dans les années 1920. La relativité générale d'Einstein venait de renverser la gravité newtonienne en tant que théorie sur le comportement de la masse, de l'énergie, de l'espace et du temps dans notre univers. Non seulement la Relativité Générale a-t-elle pu reproduire tous les succès de la gravité newtonienne, mais elle a réussi là où Newton ne le pouvait pas : en expliquant les particularités de l'orbite de Mercure. Lorsque l'éclipse de 1919 a définitivement démontré qu'Einstein (et non Newton) avait donné les bonnes prédictions, la révolution scientifique était terminée.

Mais la Relativité Générale nous dit seulement quelles équations gouvernent l'Univers, elles ne nous disent pas quelles conditions s'appliquent réellement à l'Univers. Dans les années 1920, divers scientifiques ont déterminé comment l'Univers se comporterait s'il était uniformément plein de matière et d'énergie, et ils ont dérivé les équations de l'Univers en expansion. Lorsque les données critiques sont arrivées, elles correspondaient explicitement à ces prédictions, l'Univers lui-même était en expansion.

Les observations originales de 1929 de l'expansion de Hubble de l'Univers, suivies par la suite . [+] des observations plus détaillées, mais aussi incertaines. Le graphique de Hubble montre clairement la relation redshift-distance avec des données supérieures à celles de ses prédécesseurs et concurrents, les équivalents modernes vont beaucoup plus loin. Notez que des vitesses particulières restent toujours présentes, même à de grandes distances, mais que la tendance générale est ce qui est important.

Robert P. Kirshner (D), Edwin Hubble (L)

Mais ce que signifiait cette expansion était encore sujet à interprétation. De nombreuses explications alternatives pourraient expliquer ce fait observable que le Big Bang est celui que nous connaissons le mieux aujourd'hui car il correspond si bien à l'ensemble des données, mais ce n'était pas gagné d'avance. Le Big Bang diffère des autres explications possibles en émettant l'hypothèse que l'Univers est grand et en expansion aujourd'hui parce qu'il a évolué à partir d'un passé plus petit et plus dense.

Cette idée conduit à un certain nombre de prédictions remarquables, notamment :

  • un Univers où les étoiles et les galaxies apparaissent pour la première fois à un moment donné dans le passé, et s'agglutinent et se regroupent plus sévèrement plus tard en raison de la gravitation,
  • un Univers qui était plus chaud dans le passé, avec une lumière de longueur d'onde plus courte, menant à une époque où l'Univers s'est d'abord refroidi pour former des atomes neutres,
  • et une période encore plus précoce et plus chaude où les noyaux atomiques ne pouvaient pas se former, ce qui a conduit à la prédiction de la formation des premiers noyaux à partir de la fusion de protons et de neutrons bruts.

Un Univers où les électrons et les protons sont libres et entrent en collision avec des transitions de photons vers un neutre. [+] transparent aux photons lorsque l'Univers se dilate et se refroidit. On voit ici le plasma ionisé (L) avant l'émission du CMB, suivi de la transition vers un Univers neutre (R) transparent aux photons. La lumière, une fois qu'elle arrête de se diffuser, se diffuse simplement et se déplace vers le rouge à mesure que l'Univers s'étend, pour finalement se retrouver dans la partie micro-ondes du spectre.

Dans les années 1960, une équipe d'astrophysiciens de Princeton avait mis au point un test d'observation pour ce deuxième point : mesurer quand l'Univers a formé pour la première fois des atomes neutres. Si l'Univers avait vraiment une origine chaude et dense à partir de laquelle il s'est dilaté et refroidi, alors les premiers protons (et d'autres noyaux atomiques) auraient essayé de se lier aux électrons qui existaient, mais le rayonnement énergétique du jeune Univers aurait explosé il à part.

Ce n'est que lorsque l'Univers s'étend suffisamment qu'il n'y a plus assez de photons de haute énergie pour ioniser ces atomes que des atomes neutres peuvent se former de manière stable : un processus nécessitant des centaines de milliers d'années. Une fois que ces atomes neutres se forment, ces photons restants voyagent simplement à travers l'Univers, avec une longueur d'onde trop longue pour interagir avec ces atomes. Au cours des milliards d'années écoulées depuis, ils devraient se déplacer vers le rouge jusqu'à la partie micro-ondes du spectre : un fond diffus cosmologique (CMB). Avec le bon équipement - un radiomètre Dicke, mis au point par le chef de groupe Bob Dicke - ils pouvaient enfin le détecter.

D'après les observations originales de Penzias et Wilson, le plan galactique en a émis. [+] sources astrophysiques de rayonnement (au centre), mais au-dessus et au-dessous, tout ce qui restait était un fond de rayonnement uniforme et presque parfait. La température et le spectre de ce rayonnement ont maintenant été mesurés, et l'accord avec les prédictions du Big Bang est extraordinaire. Si nous pouvions voir la lumière des micro-ondes avec nos yeux, tout le ciel nocturne ressemblerait à l'ovale vert illustré, avec une température constante partout de 2,7255 K.

Malheureusement, ils n'en auraient jamais l'occasion. Ils ont été ramassés sans ménagement par la découverte fortuite du rayonnement CMB par Arno Penzias et Bob Wilson. En utilisant l'antenne Holmdel Horn, ils ont trouvé un "bourdonnement" constant à faible énergie d'un signal partout dans le ciel, de jour comme de nuit. Il y avait un excès du Soleil et du plan galactique, mais c'était tout à part ça, le rayonnement était le même partout. Après quelques mois, tout le monde a rassemblé les morceaux, c'était en effet la lueur restante du Big Bang.

Mais ce n'était aussi que le début de ce qui allait se transformer en une incroyable richesse d'informations scientifiques. Toutes sortes d'informations sur l'Univers sont codées dans le CMB. Tout d'abord, le Big Bang prédit que le CMB posséderait le spectre d'un corps noir parfait, avec un spectre d'énergie très spécifique que les observations sur de nombreuses longueurs d'onde différentes devraient confirmer. Lorsque les données décisives sont arrivées, cette prédiction a été confirmée sans ambiguïté.

La prédiction unique du modèle du Big Bang est qu'il y aurait une lueur résiduelle de rayonnement. [+] imprégnant tout l'Univers dans toutes les directions. Le rayonnement ne serait que de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, aurait la même amplitude partout et obéirait à un spectre de corps noir parfait. Ces prédictions ont été étayées de manière spectaculaire, éliminant de la viabilité des alternatives telles que la théorie de l'état stable.

NASA / Goddard Space Flight Center / COBE (principal) Princeton Group, 1966 (en médaillon)

Deuxièmement, en raison de la façon dont l'Univers s'agglomère et se regroupe, nous nous attendons à ce que les galaxies individuelles soient tirées dans des directions aléatoires en fonction de l'influence gravitationnelle à proximité des régions surdenses et sous-denses qui les entourent. Ces mouvements ont été détectés pour d'autres galaxies, correspondant à des échelles allant de quelques centaines à quelques milliers de kilomètres par seconde.

Mais le CMB nous donne une chance de mesurer notre propre mouvement par rapport à ce cadre de référence : nous devrions voir un "dipôle cosmique" où une direction semble plus bleue (ou plus chaude) et la direction opposée semble plus rouge (ou plus froide). Ces directions chaudes et froides doivent être parfaitement orientées à 180 degrés les unes par rapport aux autres. A la fin des années 1970, cette direction a été détectée, correspondant à un mouvement cumulé actuellement autour de 370 km/s, et a depuis été vérifiée avec une précision spectaculaire.

La lueur résiduelle du Big Bang est de 3,36 millikelvins plus chaude dans une direction (rouge) que . [+] moyenne, et 3,36 millikelvin plus frais dans (le bleu) l'autre que la moyenne. Cela est dû à notre mouvement total dans l'espace par rapport au cadre de repos du fond diffus cosmologique, qui correspond à environ 0,1% de la vitesse de la lumière dans une direction particulière.

Delabrouille, J. et al.Astron.Astrophys. 553 (2013) A96

Ce mouvement crée une énorme différence de température dans le CMB : environ 0,0033 K plus chaud dans la direction "bleue" et environ 0,0033 K plus froid dans la direction "rouge" que la température moyenne de 2,725 K. Cela peut sembler un peu dramatique d'appeler un La différence de température d'une partie sur 800 est énorme, mais c'est quand on la compare au reste des fluctuations de température dans le CMB : celles qui ont une origine cosmique.

L'Univers, comme nous le savons depuis longtemps, n'aurait pas pu naître parfaitement lisse. Cela nécessitait des fluctuations de graines de deux variétés :

  • les régions surdenses, qui attireront préférentiellement la matière et deviendront des étoiles, des galaxies et la structure à grande échelle de l'Univers,
  • et les régions sous-denses, qui céderont préférentiellement leur matière aux régions environnantes, plus denses.

Ce n'est que dans les années 1990 que nous avons vu ces fluctuations pour la première fois, et elles sont d'environ un facteur de

100 plus faible que le dipôle cosmique.

COBE, le premier satellite CMB, a mesuré les fluctuations à des échelles de 7° seulement. WMAP a pu mesurer . [+] résolutions jusqu'à 0,3° dans cinq bandes de fréquences différentes, avec Planck mesurant jusqu'à seulement 5 minutes d'arc (0,07°) dans neuf bandes de fréquences différentes au total. Tous ces observatoires spatiaux ont détecté le fond diffus cosmologique, confirmant qu'il ne s'agissait pas d'un phénomène atmosphérique. L'échelle sur ces diagrammes correspond à des fluctuations de l'ordre de quelques dizaines de microkelvins, un écart incroyablement petit par rapport à l'isotropie parfaite.

NASA/COBE/DMR NASA/WMAP équipe scientifique ESA et la collaboration Planck

Ce sont les fluctuations de température qui fixent les limites de toute sorte d'expansion anisotrope (c'est-à-dire différente dans différentes directions). Il est tout à fait possible que l'Univers ne s'étende pas uniformément dans toutes les directions, mais les limites de la non-uniformité de l'expansion sont fixées par la force des fluctuations de température que nous voyons dans différentes directions.

Si vous vouliez traduire les données que nous avons de COBE, WMAP et du satellite Planck en limites sur la vitesse à laquelle différentes directions pourraient s'étendre, cela correspond à des différences d'environ

0,1 km/s/Mpc du taux d'expansion moyen, un chiffre bien plus précis que notre capacité actuelle à mesurer réellement le taux d'expansion.

C'est pourquoi le papier radiographique du début du mois, qui affirmait des différences de

Si l'expansion de l'Univers était vraiment anisotrope, cela ne représenterait que des différences de . [+] mouvement qui correspondait à

0,1 km/s. Ce signal inféré, qui n'est clairement pas un dipôle dans la nature, est tout simplement trop grand pour être cohérent avec une interprétation de l'expansion anisotrope.

Université de Bonn/K. Migkas et al. arXiv : 2004.03305

Cela ne signifie pas pour autant que ce n'était pas un bon article, ou que les données et le résultat ne sont pas potentiellement intéressants. Bien sûr, il est possible que la méthode soit fondamentalement défectueuse, ce dont beaucoup dans la communauté se méfient. Il est également possible que les données soient mal interprétées. Ce sont les erreurs systématiques et les incertitudes qui empoisonnent l'analyse scientifique, en particulier dans les premiers stades.

Mais il est également possible qu'il y ait un effet réel, et nous voyons des amas de galaxies se comporter différemment dans différentes directions. Cela ne peut pas être dû au fait que l'Univers s'étend différemment dans différentes directions, mais cela pourrait être dû au fait qu'il existe des mouvements cosmiques à grande échelle qui affectent les galaxies différemment dans différentes directions. Tout comme nous nous dirigeons vers

À 370 km/s par rapport au CMB, ces galaxies et amas de galaxies pourraient connaître des écoulements en vrac similaires qui sont en effet différents dans des directions différentes.

Les flux des galaxies et des amas de galaxies proches (comme indiqué par les « lignes » des flux) sont cartographiés . [+] avec le champ de masse à proximité. Les plus grandes surdensités (en rouge) et sous-densités (en noir) sont dues à de très petites différences gravitationnelles au début de l'Univers, et pourraient être la cause d'amas de rayons X ayant des propriétés différentes dans différentes directions.

Helene M. Courtois, Daniel Pomarède, R. Brent Tully, Yehuda Hoffman, Denis Courtois, de « Cosmographie de l'univers local » (2013)

Dans toute entreprise scientifique, il est important de tenir compte des résultats que vos observations et expériences vous donnent, même s'ils défient ce que vous attendiez d'eux. Mais il est également important d'interpréter vos résultats de manière responsable : vous ne pouvez pas ignorer l'ensemble écrasant de preuves et de données - en particulier lorsque ces données sont encore de meilleure qualité que les vôtres - pour tirer vos conclusions.

Dans ce cas particulier, il existe des preuves préliminaires que les amas de galaxies peuvent présenter des propriétés différentes dans certaines directions par rapport à d'autres, et c'est intéressant. Que ce soit en raison de la méthode utilisée, des données recueillies et analysées, ou des mouvements réels à travers l'Univers, la meilleure question sera de répondre à une science plus nombreuse et meilleure tout au long des années 2020. Mais cela ne peut certainement pas être parce que l'Univers s'étend différemment dans différentes directions. Déjà, depuis plusieurs décennies, les preuves ont été suffisamment bonnes pour exclure complètement cette possibilité.


Contenu

L'histoire du sujet a commencé avec le développement au XIXe siècle de la mécanique ondulatoire et l'exploration des phénomènes associés à l'effet Doppler. L'effet porte le nom de Christian Doppler, qui a offert la première explication physique connue du phénomène en 1842. [1] L'hypothèse a été testée et confirmée pour les ondes sonores par le scientifique néerlandais Christophorus Buys Ballot en 1845. [2] Doppler a correctement prédit que le phénomène devrait s'appliquer à toutes les vagues, et en particulier suggéré que les couleurs variables des étoiles pourraient être attribuées à leur mouvement par rapport à la Terre. [3] Avant que cela ne soit vérifié, cependant, il a été découvert que les couleurs stellaires étaient principalement dues à la température d'une étoile, et non au mouvement. Ce n'est que plus tard que le Doppler a été confirmé par des observations vérifiées de décalage vers le rouge.

Le premier décalage vers le rouge Doppler a été décrit par le physicien français Hippolyte Fizeau en 1848, qui a souligné que le décalage des raies spectrales observées dans les étoiles était dû à l'effet Doppler. L'effet est parfois appelé « effet Doppler-Fizeau ». En 1868, l'astronome britannique William Huggins fut le premier à déterminer la vitesse d'une étoile s'éloignant de la Terre par cette méthode. [4] En 1871, le redshift optique a été confirmé lorsque le phénomène a été observé dans les raies de Fraunhofer utilisant la rotation solaire, environ 0,1 Å dans le rouge. [5] En 1887, Vogel et Scheiner découvrent le effet Doppler annuel, le changement annuel du décalage Doppler des étoiles situées près de l'écliptique en raison de la vitesse orbitale de la Terre. [6] En 1901, Aristarkh Belopolsky a vérifié le redshift optique en laboratoire à l'aide d'un système de miroirs rotatifs. [7]

La première occurrence du terme décalage vers le rouge dans l'impression (sous cette forme avec trait d'union) semble être par l'astronome américain Walter S. Adams en 1908, dans lequel il mentionne "Deux méthodes d'enquête sur cette nature du décalage vers le rouge nébulaire". [8] Le mot n'apparaît sans trait d'union que vers 1934 par Willem de Sitter, indiquant peut-être que jusqu'alors son équivalent allemand, Rotverschiebung, était plus couramment utilisé. [9]

À partir d'observations en 1912, Vesto Slipher a découvert que la plupart des galaxies spirales, alors principalement considérées comme des nébuleuses spirales, présentaient des décalages vers le rouge considérables. Slipher rapporte pour la première fois sa mesure dans le volume inaugural du Bulletin de l'observatoire Lowell. [10] Trois ans plus tard, il écrit une critique dans le journal Astronomie populaire. [11] Il y déclare que "la première découverte que la grande spirale d'Andromède avait la vitesse tout à fait exceptionnelle de -300 km(/s) a montré les moyens alors disponibles, capables d'étudier non seulement les spectres des spirales mais leurs vitesses comme bien." [12] Slipher a rapporté les vitesses de 15 nébuleuses en spirale réparties sur toute la sphère céleste, toutes sauf trois ayant des vitesses "positives" (c'est-à-dire de récession) observables. Par la suite, Edwin Hubble a découvert une relation approximative entre les décalages vers le rouge de ces "nébuleuses" et les distances qui les séparent avec la formulation de sa loi éponyme de Hubble. [13] Ces observations ont corroboré le travail d'Alexander Friedmann de 1922, dans lequel il a dérivé les équations de Friedmann-Lemaître. [14] Ils sont aujourd'hui considérés comme des preuves solides d'un univers en expansion et de la théorie du Big Bang. [15]

Le spectre de la lumière provenant d'une source (voir l'illustration du spectre idéalisé en haut à droite) peut être mesuré. Pour déterminer le décalage vers le rouge, on recherche des caractéristiques dans le spectre telles que des raies d'absorption, des raies d'émission ou d'autres variations d'intensité lumineuse. Si elles sont trouvées, ces caractéristiques peuvent être comparées à des caractéristiques connues dans le spectre de divers composés chimiques trouvés dans des expériences où ce composé est situé sur Terre. Un élément atomique très courant dans l'espace est l'hydrogène. Le spectre de la lumière originellement sans caractéristiques qui traversait l'hydrogène montrera un spectre de signature spécifique à l'hydrogène qui présente des caractéristiques à intervalles réguliers. S'il était limité aux raies d'absorption, il ressemblerait à l'illustration (en haut à droite). Si le même modèle d'intervalles est observé dans un spectre observé à partir d'une source distante mais se produisant à des longueurs d'onde décalées, il peut également être identifié comme de l'hydrogène. Si la même raie spectrale est identifiée dans les deux spectres, mais à des longueurs d'onde différentes, le décalage vers le rouge peut être calculé à l'aide du tableau ci-dessous. Déterminer le redshift d'un objet de cette manière nécessite une plage de fréquence ou de longueur d'onde. Pour calculer le décalage vers le rouge, il faut connaître la longueur d'onde de la lumière émise dans le repère de repos de la source : en d'autres termes, la longueur d'onde qui serait mesurée par un observateur situé à côté et se déplaçant avec la source. Étant donné que dans les applications astronomiques, cette mesure ne peut pas être effectuée directement, car cela nécessiterait de voyager jusqu'à l'étoile distante d'intérêt, la méthode utilisant les raies spectrales décrite ici est utilisée à la place. Les décalages vers le rouge ne peuvent pas être calculés en examinant des caractéristiques non identifiées dont la fréquence d'image de repos est inconnue, ou avec un spectre sans caractéristiques ou un bruit blanc (fluctuations aléatoires dans un spectre). [17]

Le décalage vers le rouge (et le décalage vers le bleu) peut être caractérisé par la différence relative entre les longueurs d'onde (ou fréquence) observées et émises d'un objet. En astronomie, il est d'usage de se référer à ce changement en utilisant une quantité sans dimension appelée z . Si λ représente la longueur d'onde et F représente la fréquence (note, si = cc est la vitesse de la lumière), alors z est défini par les équations : [18]

Calcul du redshift, z
Basé sur la longueur d'onde Basé sur la fréquence
z = λ o b s v − λ e m i t λ e m i t >-lambda _ >> >>>> z = f e m i t − f o b s v f o b s v >-f_ >> >>>>
1 + z = λ o b s v λ e m i t >> >>>> 1 + z = f e m i t f o b s v >> >>>>

Après z est mesurée, la distinction entre redshift et blueshift est simplement une question de savoir si z est positif ou négatif. Par exemple, l'effet Doppler se déplace vers le bleu ( z < 0 ) sont associés à des objets approchant (se rapprochant) de l'observateur avec la lumière se déplaçant vers des énergies plus élevées. Inversement, l'effet Doppler se déplace vers le rouge ( z > 0 ) sont associés à des objets s'éloignant (s'éloignant) de l'observateur avec la lumière se déplaçant vers des énergies plus basses. De même, les décalages vers le bleu gravitationnels sont associés à la lumière émise par une source résidant dans un champ gravitationnel plus faible comme observé à partir d'un champ gravitationnel plus fort, tandis que le décalage vers le rouge gravitationnel implique les conditions opposées.

En relativité générale, on peut dériver plusieurs formules de cas particuliers importantes pour le décalage vers le rouge dans certaines géométries spatio-temporelles spéciales, comme résumé dans le tableau suivant. Dans tous les cas, l'ampleur du décalage (la valeur de z ) est indépendant de la longueur d'onde. [19]

Pour un mouvement complètement dans la direction radiale ou de la ligne de visée :


Pour un mouvement complètement dans le sens transversal :

Effet Doppler Modifier

longueur d'onde de 575 nm) la bille apparaît verdâtre (décalage vers le bleu

longueur d'onde de 565 nm) s'approchant de l'observateur, devient orange (décalage vers le rouge

longueur d'onde de 585 nm) lors de son passage et redevient jaune lorsque le mouvement s'arrête. Pour observer un tel changement de couleur, l'objet devrait se déplacer à environ 5 200 km/s, soit environ 75 fois plus vite que le record de vitesse de la sonde spatiale artificielle la plus rapide.

Si une source de lumière s'éloigne d'un observateur, alors redshift ( z > 0 ) se produit si la source se déplace vers l'observateur, alors blueshift ( z < 0 ) se produit. Ceci est vrai pour toutes les ondes électromagnétiques et s'explique par l'effet Doppler. Par conséquent, ce type de redshift est appelé le décalage vers le rouge Doppler. Si la source s'éloigne de l'observateur avec une vitesse v , ce qui est bien inférieur à la vitesse de la lumière ( vc ), le redshift est donné par

c est la vitesse de la lumière. Dans l'effet Doppler classique, la fréquence de la source n'est pas modifiée, mais le mouvement de récession provoque l'illusion d'une fréquence plus basse.

Un traitement plus complet du redshift Doppler nécessite de considérer les effets relativistes associés au mouvement des sources proches de la vitesse de la lumière. Une dérivation complète de l'effet peut être trouvée dans l'article sur l'effet Doppler relativiste. En bref, les objets se déplaçant près de la vitesse de la lumière connaîtront des écarts par rapport à la formule ci-dessus en raison de la dilatation temporelle de la relativité restreinte qui peut être corrigée en introduisant le facteur de Lorentz γ dans la formule Doppler classique comme suit (pour le mouvement uniquement dans la ligne de visée) :

Ce phénomène a été observé pour la première fois dans une expérience de 1938 réalisée par Herbert E. Ives et G.R. Stilwell, appelée l'expérience Ives-Stilwell. [21]

Étant donné que le facteur de Lorentz ne dépend que de l'amplitude de la vitesse, cela fait que le décalage vers le rouge associé à la correction relativiste est indépendant de l'orientation du mouvement de la source. En revanche, la partie classique de la formule dépend de la projection du mouvement de la source dans la ligne de visée qui donne des résultats différents pour différentes orientations. Si θ est l'angle entre la direction du mouvement relatif et la direction d'émission dans le cadre de l'observateur [22] (l'angle zéro est directement éloigné de l'observateur), la forme complète de l'effet Doppler relativiste devient :

et pour le mouvement uniquement dans la ligne de mire ( θ = 0° ), cette équation se réduit à :

Pour le cas particulier où la lumière se déplace à angle droit ( θ = 90° ) à la direction du mouvement relatif dans le cadre de l'observateur, [23] le redshift relativiste est connu sous le nom de redshift transversal, et un redshift :

est mesuré, même si l'objet ne s'éloigne pas de l'observateur. Même lorsque la source se déplace vers l'observateur, s'il existe une composante transversale au mouvement, il existe une certaine vitesse à laquelle la dilatation annule simplement le décalage vers le bleu attendu et à une vitesse plus élevée, la source qui s'approche sera décalée vers le rouge. [24]

Agrandissement de l'espace Modifier

Au début du vingtième siècle, Slipher, Wirtz et d'autres ont effectué les premières mesures des décalages vers le rouge et vers le bleu des galaxies au-delà de la Voie lactée. Ils ont d'abord interprété ces décalages vers le rouge et vers le bleu comme étant dus à des mouvements aléatoires, mais plus tard Lemaître (1927) et Hubble (1929), en utilisant des données antérieures, ont découvert une corrélation à peu près linéaire entre les décalages vers le rouge croissants et les distances des galaxies. Lemaître s'est rendu compte que ces observations pouvaient s'expliquer par un mécanisme de production de décalages vers le rouge observé dans les solutions de Friedmann aux équations de la relativité générale d'Einstein. La corrélation entre les décalages vers le rouge et les distances est requise par tous ces modèles qui ont une expansion métrique de l'espace. [15] En conséquence, la longueur d'onde des photons se propageant à travers l'espace en expansion est étirée, créant le décalage vers le rouge cosmologique.

Il existe une distinction entre un décalage vers le rouge dans le contexte cosmologique par rapport à celui observé lorsque des objets proches présentent un décalage vers le rouge local à effet Doppler. Plutôt que les décalages vers le rouge cosmologiques étant une conséquence des vitesses relatives qui sont soumises aux lois de la relativité restreinte (et donc soumis à la règle selon laquelle deux objets séparés localement ne peuvent avoir des vitesses relatives l'un par rapport à l'autre plus rapides que la vitesse de la lumière), les photons augmentent plutôt en longueur d'onde et en décalage vers le rouge en raison d'une caractéristique globale de l'espace-temps à travers lequel ils voyagent. Une interprétation de cet effet est l'idée que l'espace lui-même est en expansion. [25] En raison de l'expansion croissante à mesure que les distances augmentent, la distance entre deux galaxies éloignées peut augmenter à plus de 3 × 10 8 m/s, mais cela n'implique pas que les galaxies se déplacent plus vite que la vitesse de la lumière à leur emplacement actuel (ce qui est interdit par la covariance de Lorentz).

Dérivation mathématique Modifier

Les conséquences observationnelles de cet effet peuvent être dérivées en utilisant les équations de la relativité générale qui décrivent un univers homogène et isotrope.

Pour dériver l'effet de décalage vers le rouge, utilisez l'équation géodésique pour une onde lumineuse, qui est

  • ds est l'intervalle d'espace-temps
  • dt est l'intervalle de temps
  • docteur est l'intervalle spatial
  • c est la vitesse de la lumière
  • une est le facteur d'échelle cosmique dépendant du temps
  • k est la courbure par unité de surface.

Pour un observateur observant la crête d'une onde lumineuse à une position r = 0 et heure t = tà présent , la crête de l'onde lumineuse a été émise à la fois t = tensuite dans le passé et une position éloignée r = R . L'intégration sur le trajet dans l'espace et dans le temps que l'onde lumineuse parcourt donne :

En général, la longueur d'onde de la lumière n'est pas la même pour les deux positions et temps considérés en raison des propriétés changeantes de la métrique. Lorsque l'onde a été émise, elle avait une longueur d'onde λensuite . La prochaine crête de l'onde lumineuse a été émise à la fois

L'observateur voit la prochaine crête de l'onde lumineuse observée avec une longueur d'onde λà présent arriver à un moment

Étant donné que la crête suivante est à nouveau émise par r = R et est observé à r = 0 , l'équation suivante peut s'écrire :

Le membre de droite des deux équations intégrales ci-dessus est identique, ce qui signifie

A l'aide de la manip suivante :

Pour de très petites variations dans le temps (sur la période d'un cycle d'une onde lumineuse), le facteur d'échelle est essentiellement une constante ( une = uneà présent aujourd'hui et une = uneensuite précédemment). Cela donne

qui peut être réécrit comme

En utilisant la définition du redshift fournie ci-dessus, l'équation

Est obtenu. Dans un univers en expansion comme celui que nous habitons, le facteur d'échelle augmente de façon monotone au fil du temps, ainsi, z est positif et les galaxies lointaines apparaissent décalées vers le rouge.

En utilisant un modèle de l'expansion de l'univers, le décalage vers le rouge peut être lié à l'âge d'un objet observé, le soi-disant relation temps cosmique-décalage vers le rouge. Notons un rapport de densité comme Ω0 :

avec ρcritique la densité critique délimitant un univers qui finit par craquer d'un univers qui s'étend simplement. Cette densité est d'environ trois atomes d'hydrogène par mètre cube d'espace. [26] Aux grands redshifts, 1 + z >0 −1 , on trouve :

H0 est la constante de Hubble actuelle, et z est le décalage vers le rouge. [27] [28] [29]

Distinguer les effets cosmologiques et locaux Modifier

Pour les redshifts cosmologiques de z < 0,01 décalages vers le rouge et le bleu Doppler supplémentaires dus aux mouvements particuliers des galaxies les unes par rapport aux autres provoquent une large dispersion par rapport à la loi de Hubble standard. [30] La situation résultante peut être illustrée par le Expanding Rubber Sheet Universe, une analogie cosmologique commune utilisée pour décrire l'expansion de l'espace. Si deux objets sont représentés par des roulements à billes et l'espace-temps par une feuille de caoutchouc qui s'étire, l'effet Doppler est provoqué par le roulement des billes sur la feuille pour créer un mouvement particulier. Le décalage vers le rouge cosmologique se produit lorsque les roulements à billes sont collés à la tôle et que la tôle est étirée. [31] [32] [33]

Les décalages vers le rouge des galaxies comprennent à la fois une composante liée à la vitesse de récession due à l'expansion de l'univers, et une composante liée au mouvement particulier (décalage Doppler). [34] Le redshift dû à l'expansion de l'univers dépend de la vitesse de récession d'une manière déterminée par le modèle cosmologique choisi pour décrire l'expansion de l'univers, ce qui est très différent de la façon dont le redshift Doppler dépend de la vitesse locale. [35] Décrivant l'origine de l'expansion cosmologique du décalage vers le rouge, le cosmologiste Edward Robert Harrison a déclaré : « La lumière quitte une galaxie, qui est stationnaire dans sa région locale de l'espace, et est finalement reçue par des observateurs qui sont stationnaires dans leur propre région locale de l'espace. Entre la galaxie et l'observateur, la lumière voyage à travers de vastes régions de l'espace en expansion. En conséquence, toutes les longueurs d'onde de la lumière sont étirées par l'expansion de l'espace. C'est aussi simple que cela. l'augmentation de la longueur d'onde de l'émission à l'absorption de la lumière ne dépend pas du taux de changement de une(t) [ici une(t) est le facteur d'échelle de Robertson-Walker] aux moments d'émission ou d'absorption, mais à l'augmentation de une(t) pendant toute la période allant de l'émission à l'absorption." [37]

La littérature populaire utilise souvent l'expression "décalage vers le rouge Doppler" au lieu de "décalage vers le rouge cosmologique" pour décrire le décalage vers le rouge des galaxies dominé par l'expansion de l'espace-temps, mais le décalage vers le rouge cosmologique n'est pas trouvé en utilisant l'équation Doppler relativiste [38] qui est plutôt caractérisée par des la relativité donc v > c est impossible alors qu'en revanche, v > c est possible pour les redshifts cosmologiques car l'espace qui sépare les objets (par exemple, un quasar de la Terre) peut s'étendre plus vite que la vitesse de la lumière. [39] Plus mathématiquement, le point de vue selon lequel "les galaxies lointaines reculent" et le point de vue selon lequel "l'espace entre les galaxies est en expansion" sont liés en changeant les systèmes de coordonnées. Exprimer cela précisément nécessite de travailler avec les mathématiques de la métrique de Friedmann-Robertson-Walker. [40]

Si l'univers se contractait au lieu de s'étendre, nous verrions des galaxies lointaines décalées vers le bleu d'une quantité proportionnelle à leur distance au lieu d'être décalées vers le rouge. [41]

Décalage vers le rouge gravitationnel Modifier

Dans la théorie de la relativité générale, il y a une dilatation du temps dans un puits gravitationnel. C'est ce qu'on appelle le redshift gravitationnel ou Changement d'Einstein. [42] La dérivation théorique de cet effet découle de la solution de Schwarzschild des équations d'Einstein qui donne la formule suivante pour le décalage vers le rouge associé à un photon se déplaçant dans le champ gravitationnel d'une masse non chargée, non rotative et à symétrie sphérique :

  • g est la constante gravitationnelle,
  • M est la masse de l'objet créant le champ gravitationnel,
  • r est la coordonnée radiale de la source (qui est analogue à la distance classique du centre de l'objet, mais est en fait une coordonnée de Schwarzchild), et
  • c est la vitesse de la lumière.

Ce résultat de décalage vers le rouge gravitationnel peut être dérivé des hypothèses de la relativité restreinte et du principe d'équivalence, la théorie complète de la relativité générale n'est pas requise. [43]

L'effet est très faible mais mesurable sur Terre en utilisant l'effet Mössbauer et a été observé pour la première fois dans l'expérience Pound-Rebka. [44] Cependant, il est significatif près d'un trou noir, et lorsqu'un objet s'approche de l'horizon des événements, le décalage vers le rouge devient infini. C'est également la cause dominante des fluctuations de température à grande échelle angulaire dans le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes (voir effet Sachs-Wolfe). [45]

Le décalage vers le rouge observé en astronomie peut être mesuré car les spectres d'émission et d'absorption des atomes sont distinctifs et bien connus, calibrés à partir d'expériences spectroscopiques en laboratoire sur Terre. Lorsque le décalage vers le rouge de diverses raies d'absorption et d'émission d'un seul objet astronomique est mesuré, z s'avère remarquablement constante. Bien que les objets distants puissent être légèrement flous et les lignes élargies, cela ne s'explique que par le mouvement thermique ou mécanique de la source. Pour ces raisons et d'autres, le consensus parmi les astronomes est que les décalages vers le rouge qu'ils observent sont dus à une combinaison des trois formes établies de décalages vers le rouge de type Doppler. D'autres hypothèses et explications du décalage vers le rouge, telles que la lumière fatiguée, ne sont généralement pas considérées comme plausibles. [46]

La spectroscopie, en tant que mesure, est considérablement plus difficile que la simple photométrie, qui mesure la luminosité des objets astronomiques à travers certains filtres. [47] Lorsque les données photométriques sont toutes disponibles (par exemple, le champ profond de Hubble et le champ ultra-profond de Hubble), les astronomes s'appuient sur une technique pour mesurer les décalages vers le rouge photométriques. [48] ​​En raison des larges gammes de longueurs d'onde dans les filtres photométriques et des hypothèses nécessaires sur la nature du spectre à la source lumineuse, les erreurs pour ces types de mesures peuvent aller jusqu'à δz = 0,5 , et sont beaucoup moins fiables que les déterminations spectroscopiques. [49] Cependant, la photométrie permet au moins une caractérisation qualitative d'un redshift. Par exemple, si un spectre semblable au Soleil avait un décalage vers le rouge de z = 1 , il serait plus brillant dans l'infrarouge plutôt que dans la couleur jaune-vert associée au pic de son spectre de corps noir, et l'intensité lumineuse sera réduite dans le filtre d'un facteur quatre, (1 + z) 2 . Le taux de comptage des photons et l'énergie des photons sont tous deux décalés vers le rouge. (Voir correction K pour plus de détails sur les conséquences photométriques du redshift.) [50]

Observations locales Modifier

Dans les objets proches (au sein de notre galaxie de la Voie lactée), les décalages vers le rouge observés sont presque toujours liés aux vitesses de ligne de visée associées aux objets observés. Les observations de ces décalages vers le rouge et vers le bleu ont permis aux astronomes de mesurer les vitesses et de paramétrer les masses des étoiles en orbite dans des binaires spectroscopiques, une méthode utilisée pour la première fois en 1868 par l'astronome britannique William Huggins. [4] De même, les petits décalages vers le rouge et les décalages vers le bleu détectés dans les mesures spectroscopiques d'étoiles individuelles sont un moyen pour les astronomes de diagnostiquer et de mesurer la présence et les caractéristiques des systèmes planétaires autour d'autres étoiles et ont même effectué des mesures différentielles très détaillées des décalages vers le rouge au cours de la planète. transits pour déterminer des paramètres orbitaux précis. [51] Des mesures finement détaillées des redshifts sont utilisées en héliosismologie pour déterminer les mouvements précis de la photosphère du Soleil. [52] Les redshifts ont également été utilisés pour effectuer les premières mesures des taux de rotation des planètes, [53] des vitesses des nuages ​​interstellaires, [54] de la rotation des galaxies, [19] et de la dynamique d'accrétion sur les étoiles à neutrons et les trous noirs qui présentent à la fois des décalages vers le rouge Doppler et gravitationnels. [55] De plus, les températures de divers objets émetteurs et absorbants peuvent être obtenues en mesurant l'élargissement Doppler - effectivement les décalages vers le rouge et le bleu sur une seule raie d'émission ou d'absorption. [56] En mesurant l'élargissement et les déplacements de la raie de l'hydrogène de 21 centimètres dans différentes directions, les astronomes ont pu mesurer les vitesses de récession du gaz interstellaire, ce qui révèle à son tour la courbe de rotation de notre Voie lactée. [19] Des mesures similaires ont été effectuées sur d'autres galaxies, comme Andromède. [19] En tant qu'outil de diagnostic, les mesures de décalage vers le rouge sont l'une des mesures spectroscopiques les plus importantes réalisées en astronomie.

Observations extragalactiques Modifier

Les objets les plus éloignés présentent des décalages vers le rouge plus importants correspondant au flux de Hubble de l'univers. Le plus grand décalage vers le rouge observé, correspondant à la plus grande distance et le plus loin dans le temps, est celui du rayonnement de fond cosmique à micro-ondes, la valeur numérique de son décalage vers le rouge est d'environ z = 1089 ( z = 0 correspond au temps présent), et il montre l'état de l'univers il y a environ 13,8 milliards d'années [57] et 379 000 ans après les premiers instants du Big Bang. [58]

Les noyaux ponctuels lumineux des quasars ont été les premiers « hauts décalages vers le rouge » ( z > 0.1 ) les objets découverts avant l'amélioration des télescopes ont permis la découverte d'autres galaxies à fort décalage vers le rouge.

Pour les galaxies plus éloignées que le groupe local et l'amas de la Vierge à proximité, mais à moins d'un millier de mégaparsecs, le décalage vers le rouge est approximativement proportionnel à la distance de la galaxie. Cette corrélation a été observée pour la première fois par Edwin Hubble et est devenue la loi de Hubble. Vesto Slipher a été le premier à découvrir des décalages vers le rouge galactiques, vers l'année 1912, tandis que Hubble a corrélé les mesures de Slipher avec des distances qu'il a mesurées par d'autres moyens pour formuler sa loi. Dans le modèle cosmologique largement accepté basé sur la relativité générale, le décalage vers le rouge est principalement le résultat de l'expansion de l'espace : cela signifie que plus une galaxie est éloignée de nous, plus l'espace s'est étendu depuis que la lumière a quitté cette galaxie, donc plus la lumière a été étirée, plus la lumière est décalée vers le rouge, et donc plus elle semble s'éloigner rapidement de nous. La loi de Hubble découle en partie du principe copernicien. [59] Comme on ne sait généralement pas à quel point les objets sont lumineux, la mesure du décalage vers le rouge est plus facile que les mesures de distance plus directes, de sorte que le décalage vers le rouge est parfois converti en une mesure de distance brute en utilisant la loi de Hubble.

Les interactions gravitationnelles des galaxies entre elles et les amas provoquent une dispersion significative dans le tracé normal du diagramme de Hubble. Les vitesses particulières associées aux galaxies superposent une trace grossière de la masse des objets virialisés dans l'univers. Cet effet conduit à des phénomènes tels que les galaxies proches (telles que la galaxie d'Andromède) présentant des décalages vers le bleu lorsque nous tombons vers un barycentre commun, et des cartes de décalage vers le rouge d'amas montrant un effet doigts de dieu dû à la dispersion de vitesses particulières dans une distribution à peu près sphérique. [59] Ce composant supplémentaire donne aux cosmologistes une chance de mesurer les masses d'objets indépendamment du rapport masse-lumière (le rapport de la masse d'une galaxie en masses solaires à sa luminosité en luminosités solaires), un outil important pour mesurer la matière noire. . [60]

La relation linéaire de la loi de Hubble entre la distance et le décalage vers le rouge suppose que le taux d'expansion de l'univers est constant. Cependant, lorsque l'univers était beaucoup plus jeune, le taux d'expansion, et donc la "constante" de Hubble, était plus important qu'aujourd'hui. Pour les galaxies plus éloignées, donc, dont la lumière nous parvient depuis des temps bien plus longs, l'approximation du taux d'expansion constant échoue, et la loi de Hubble devient une relation intégrale non linéaire et dépendante de l'histoire du taux d'expansion depuis l'émission. de la lumière de la galaxie en question. Les observations de la relation décalage vers le rouge-distance peuvent alors être utilisées pour déterminer l'histoire de l'expansion de l'univers et donc le contenu en matière et en énergie.

Alors qu'on a longtemps cru que le taux d'expansion diminuait continuellement depuis le Big Bang, des observations récentes de la relation décalage vers le rouge à l'aide de supernovae de type Ia ont suggéré qu'à une époque relativement récente, le taux d'expansion de l'univers avait commencé à s'accélérer.

Redshifts les plus élevés Modifier

Actuellement, les objets avec les décalages vers le rouge connus les plus élevés sont les galaxies et les objets produisant des sursauts gamma. Les décalages vers le rouge les plus fiables proviennent de données spectroscopiques, et le décalage vers le rouge spectroscopique le plus confirmé d'une galaxie est celui de GN-z11, [61] avec un décalage vers le rouge de z = 11,1 , correspondant à 400 millions d'années après le Big Bang. Le précédent record était détenu par UDFy-38135539 [62] à un redshift de z = 8,6 , correspondant à 600 millions d'années après le Big Bang. Les redshifts Lyman-break sont légèrement moins fiables, dont le plus élevé est la galaxie à lentille A1689-zD1 à un redshift z = 7,5 [63] [64] et le prochain plus élevé étant z = 7,0 . [65] Le sursaut gamma le plus éloigné observé avec une mesure de décalage vers le rouge spectroscopique était GRB 090423, qui avait un décalage vers le rouge de z = 8,2 . [66] Le quasar connu le plus éloigné, ULAS J1342+0928, est à z = 7.54 . [67] [68] La radiogalaxie à décalage vers le rouge la plus connue (TGSS1530) est à un décalage vers le rouge z = 5,72 [69] et le matériau moléculaire de redshift le plus connu est la détection de l'émission de la molécule de CO du quasar SDSS J1148+5251 à z = 6.42 . [70]

Objets extrêmement rouges (ERO) sont des sources de rayonnement astronomique qui émettent de l'énergie dans la partie rouge et proche infrarouge du spectre électromagnétique. Il peut s'agir de galaxies stellaires qui ont un décalage vers le rouge élevé accompagné d'un rougissement dû à la poussière intermédiaire, ou il pourrait s'agir de galaxies elliptiques fortement décalées vers le rouge avec une population stellaire plus ancienne (et donc plus rouge). [71] Les objets encore plus rouges que les ERO sont appelés objets hyper extrêmement rouges (HÉROS). [72]

Le fond diffus cosmologique a un décalage vers le rouge de z = 1089 , correspondant à un âge d'environ 379 000 ans après le Big Bang et à une distance de plus de 46 milliards d'années-lumière. [73] La première lumière encore à observer des plus anciennes étoiles de la population III, peu de temps après la formation initiale des atomes et la fin de l'absorption presque complète du CMB, peut avoir des décalages vers le rouge de l'ordre de 20 < z < 100 . [74] D'autres événements à fort décalage vers le rouge prédits par la physique mais non observables actuellement sont le bruit de fond des neutrinos cosmiques environ deux secondes après le Big Bang (et un décalage vers le rouge supérieur à z > 10 10 ) [75] et le fond des ondes gravitationnelles cosmiques émis directement par l'inflation à un décalage vers le rouge supérieur à z > 10 25 . [76]

En juin 2015, les astronomes ont rapporté des preuves d'étoiles de la population III dans la galaxie Cosmos Redshift 7 à z = 6,60 . De telles étoiles ont probablement existé au tout début de l'univers (c'est-à-dire à un décalage vers le rouge élevé) et ont peut-être commencé à produire des éléments chimiques plus lourds que l'hydrogène qui sont nécessaires à la formation ultérieure des planètes et de la vie telle que nous la connaissons. [77] [78]

Enquêtes Redshift Modifier

Avec l'avènement des télescopes automatisés et les améliorations des spectroscopes, un certain nombre de collaborations ont été réalisées pour cartographier l'univers dans l'espace à décalage vers le rouge. En combinant le décalage vers le rouge avec des données de position angulaire, un levé de décalage vers le rouge cartographie la distribution 3D de la matière dans un champ du ciel. Ces observations sont utilisées pour mesurer les propriétés de la structure à grande échelle de l'univers. La Grande Muraille, un vaste superamas de galaxies de plus de 500 millions d'années-lumière de large, fournit un exemple dramatique d'une structure à grande échelle que les relevés de décalage vers le rouge peuvent détecter. [79]

Le premier relevé de redshift était le CfA Redshift Survey, commencé en 1977 avec la collecte initiale de données achevée en 1982. [80] Plus récemment, le 2dF Galaxy Redshift Survey a déterminé la structure à grande échelle d'une section de l'univers, mesurant les redshifts pendant plus de La collecte de données de 220 000 galaxies a été achevée en 2002, et l'ensemble de données final a été publié le 30 juin 2003. [81] Le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) est en cours depuis 2013 et vise à mesurer les décalages vers le rouge d'environ 3 millions d'objets. [82] SDSS a enregistré des décalages vers le rouge pour des galaxies aussi élevés que 0,8, et a été impliqué dans la détection de quasars au-delà z = 6 . Le DEEP2 Redshift Survey utilise les télescopes Keck avec le nouveau spectrographe "DEIMOS" un suivi du programme pilote DEEP1, DEEP2 est conçu pour mesurer les galaxies faibles avec des redshifts de 0,7 et plus, et il est donc prévu de fournir un complément de redshift élevé à SDSS et 2dF. [83]

Les interactions et phénomènes résumés dans les sujets du transfert radiatif et de l'optique physique peuvent entraîner des décalages dans la longueur d'onde et la fréquence du rayonnement électromagnétique. Dans de tels cas, les décalages correspondent à un transfert d'énergie physique vers la matière ou d'autres photons plutôt que par une transformation entre référentiels. De tels décalages peuvent provenir de phénomènes physiques tels que des effets de cohérence ou la diffusion de rayonnement électromagnétique provenant de particules élémentaires chargées, de particules ou de fluctuations de l'indice de réfraction dans un milieu diélectrique comme cela se produit dans le phénomène radio des siffleurs radio. [19] Alors que de tels phénomènes sont parfois appelés « décalages vers le rouge » et « décalages vers le bleu », en astrophysique, les interactions lumière-matière qui entraînent des déplacements d'énergie dans le champ de rayonnement sont généralement appelées « rougissement » plutôt que « décalage vers le rouge » qui, comme un terme, est normalement réservé aux effets discutés ci-dessus. [19]

Dans de nombreuses circonstances, la diffusion provoque le rougissement du rayonnement car l'entropie entraîne la prédominance de nombreux photons de basse énergie sur quelques photons de haute énergie (tout en conservant l'énergie totale). [19] Sauf peut-être dans des conditions soigneusement contrôlées, la diffusion ne produit pas le même changement relatif de longueur d'onde sur l'ensemble du spectre, c'est-à-dire z est généralement fonction de la longueur d'onde. De plus, la diffusion à partir de supports aléatoires se produit généralement sous de nombreux angles, et z est fonction de l'angle de diffusion. Si une diffusion multiple se produit, ou si les particules de diffusion ont un mouvement relatif, il y a généralement également une distorsion des raies spectrales. [19]

En astronomie interstellaire, les spectres visibles peuvent apparaître plus rouges en raison des processus de diffusion dans un phénomène appelé rougissement interstellaire [19]. une couleur bleue. Ce phénomène est distinct du rougechangementcar les raies spectroscopiques ne sont pas décalées vers d'autres longueurs d'onde dans les objets rougis et il y a une atténuation et une distorsion supplémentaires associées au phénomène en raison de la dispersion des photons dans et hors de la ligne de visée.

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Articles Modifier

  • Odenwald, S. & Fienberg, RT. 1993 "Galaxy Redshifts reconsidéré" dans Sky & Télescope Février 2003 pp31-35 (Cet article est une lecture complémentaire utile pour distinguer les 3 types de redshift et leurs causes.)
  • Lineweaver, Charles H. et Tamara M. Davis, "Les idées fausses sur le Big Bang", Scientifique américain, mars 2005. (Cet article est utile pour expliquer le mécanisme cosmologique de décalage vers le rouge ainsi que pour dissiper les idées fausses concernant la physique de l'expansion de l'espace.)

Livres Modifier

  • Nussbaumer, Harry Lydia Bieri (2009). À la découverte de l'univers en expansion. La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN978-0-521-51484-2.
  • Binney, James Michael Merrifeld (1998). Astronomie Galactique. Presse de l'Université de Princeton. ISBN978-0-691-02565-0.
  • Carroll, Bradley W. et Dale A. Ostlie (1996). Une introduction à l'astrophysique moderne. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN978-0-201-54730-6.
  • Feynman, Richard Leighton, Robert Sands, Matthieu (1989). Conférences Feynman sur la physique. Vol. 1. Addison-Wesley. ISBN978-0-201-51003-4.
  • Grøn, Øyvind Hervik, Sigbjørn (2007). La théorie de la relativité générale d'Einstein. New York : Springer. ISBN978-0-387-69199-2.
  • Kutner, Marc (2003). Astronomie : une perspective physique . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN978-0-521-52927-3.
  • Misner, Charles Thorne, Kip S. Wheeler, John Archibald (1973). Gravitation. San Francisco : W.H. Freeman. ISBN978-0-7167-0344-0.
  • Peebles, P.J.E. (1993). Principes de la cosmologie physique. Presse de l'Université de Princeton. ISBN978-0-691-01933-8.
  • Taylor, Edwin F. Wheeler, John Archibald (1992). Physique de l'espace-temps : Introduction à la relativité restreinte (2e éd.). W.H. Homme libre. ISBN978-0-7167-2327-1.
  • Weinberg, Steven (1971). Gravitation et cosmologie. John Wiley. ISBN978-0-471-92567-5.
  • Voir aussi les manuels de cosmologie physique pour les applications des redshifts cosmologiques et gravitationnels.

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