Lorsque nous regardons l’Univers lointain, nous voyons des galaxies partout – dans toutes les directions, à des millions, voire des milliards d’années-lumière. Puisqu’il existe deux mille milliards de galaxies que nous pourrions observer, la somme de tout ce qui se trouve au-delà d’elles est plus grande et plus froide que notre imagination la plus folle. L’un des faits les plus intéressants est que toutes les galaxies que nous avons observées suivent (en moyenne) les mêmes règles : plus elles sont éloignées de nous, plus elles s’éloignent rapidement de nous. Cette découverte, faite par Edwin Hubble et ses collègues dans les années 1920, nous a conduit à l’image d’un univers en expansion. Mais que se passe-t-il s’il s’agrandit ? La science le sait, et maintenant vous le saurez aussi.
À première vue, cette question peut paraître une question de bon sens. Parce que tout ce qui se dilate est généralement constitué de matière et existe dans l’espace et le temps de l’Univers. Mais l’Univers lui-même est un espace et un temps contenant de la matière et de l’énergie en lui-même. Lorsque nous disons que « l’Univers est en expansion », nous entendons l’expansion de l’espace lui-même, qui éloigne les galaxies individuelles et les amas de galaxies les unes des autres. Le plus simple serait d'imaginer une boule de pâte avec des raisins secs à l'intérieur, cuite au four, explique Ethan Siegel.
Un modèle « en chignon » en expansion de l'Univers, dans lequel les distances relatives augmentent à mesure que l'espace s'étend
Cette pâte est le tissu de l'espace et les raisins secs sont des structures connectées (comme des galaxies ou des amas de galaxies). Du point de vue de n'importe quel raisin sec, tous les autres raisins secs s'en éloigneront, et plus ils s'éloignent, plus vite. Seulement dans le cas de l'Univers, le four et l'air à l'extérieur de la pâte n'existent pas, il n'y a que de la pâte (l'espace) et des raisins secs (la matière).
Ce ne sont pas seulement les galaxies en retrait qui créent le redshift, mais plutôt l'espace qui nous sépare
Comment savons-nous que cet espace s’étend et que les galaxies ne s’éloignent pas ?
Si vous voyez des objets s'éloigner de vous dans toutes les directions, il n'y a qu'une seule raison qui peut expliquer cela : l'espace entre vous et ces objets s'agrandit. Vous pouvez également supposer que vous êtes près du centre de l’explosion et que de nombreux objets sont simplement plus éloignés et s’éloignent plus rapidement car ils ont reçu plus d’énergie de l’explosion. Si tel était le cas, nous pourrions le prouver de deux manières :
- À de plus grandes distances et à des vitesses élevées, il y aura moins de galaxies car, avec le temps, elles se disperseront considérablement dans l'espace.
- La relation entre le redshift et la distance prendra une forme spécifique à de plus grandes distances, qui sera différente de la forme si le tissu spatial était en expansion.
Lorsque nous regardons à de grandes distances, nous constatons que plus loin dans l’Univers, la densité des galaxies est plus élevée que celles plus proches de nous. Ceci est cohérent avec une image dans laquelle l’espace est en expansion, car regarder plus loin équivaut à regarder dans le passé, où l’expansion a été moindre. Nous constatons également que les galaxies lointaines ont un rapport redshift/distance cohérent avec l'expansion de l'espace, et pas du tout si les galaxies s'éloignaient simplement rapidement de nous. La science peut répondre à cette question de deux manières différentes, et les deux réponses soutiennent l’expansion de l’univers.
L’Univers s’est-il toujours étendu au même rythme ?
Nous l’appelons la constante de Hubble, mais elle n’est constante que dans l’espace et non dans le temps. L’univers s’étend actuellement plus lentement que par le passé. Quand on parle de vitesse d’expansion, on parle de vitesse par unité de distance : environ 70 km/s/Mpc aujourd’hui. (Mpc est un mégaparsec, soit environ 3 260 000 années-lumière). Mais le taux d’expansion dépend des densités de toutes les différentes choses présentes dans l’univers, y compris la matière et les radiations. À mesure que l'Univers s'étend, la matière et le rayonnement qu'il contient deviennent moins denses, et à mesure que la densité diminue, le taux d'expansion diminue également. L’Univers s’est étendu plus rapidement dans le passé et ralentit depuis le Big Bang. La constante de Hubble est un terme inapproprié ; elle devrait être appelée paramètre de Hubble.
Le destin lointain de l’univers offre différentes possibilités, mais si l’énergie noire est vraiment constante comme le suggèrent les données, nous suivrons la courbe rouge.
L’Univers s’étendra-t-il pour toujours ou s’arrêtera-t-il un jour ?
Plusieurs générations d'astrophysiciens et de cosmologistes se sont interrogées sur cette question, à laquelle on ne peut répondre qu'en déterminant le taux d'expansion de l'Univers et tous les types (et quantités) d'énergie qui y sont présents. Nous avons déjà mesuré avec succès la quantité de matière ordinaire, de rayonnement, de neutrinos, de matière noire et d’énergie noire, ainsi que le taux d’expansion de l’Univers. D’après les lois de la physique et ce qui s’est passé dans le passé, il semble que l’univers s’étendra pour toujours. Bien que la probabilité que cela se produise ne soit pas de 100 % ; si quelque chose comme l’énergie noire se comporte différemment dans le futur par rapport au passé et au présent, toutes nos conclusions devront être reconsidérées.
Les galaxies se déplacent-elles plus vite que la vitesse de la lumière ? N'est-ce pas interdit ?
De notre point de vue, l'espace entre nous et le point lointain s'agrandit. Plus il s’éloigne de nous, plus il nous semble qu’il s’éloigne rapidement. Même si le taux d'expansion était infime, un objet distant franchirait un jour le seuil de toute limite de vitesse, car le taux d'expansion (vitesse par unité de distance) se multiplierait plusieurs fois avec une distance suffisante. OTO approuve ce scénario. La loi selon laquelle rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière s’applique uniquement au mouvement d’un objet dans l’espace, et non à l’expansion de l’espace lui-même. En réalité, les galaxies elles-mêmes se déplacent à des vitesses de quelques milliers de kilomètres par seconde seulement, bien en dessous de la limite de 300 000 km/s fixée par la vitesse de la lumière. C'est l'expansion de l'Univers qui provoque la récession et le redshift, et non le véritable mouvement de la galaxie.
Il existe environ 2 000 milliards de galaxies dans l’univers observable (cercle jaune). Nous ne pourrons jamais rattraper les galaxies qui se trouvent à moins d’un tiers de cette frontière en raison de l’expansion de l’Univers. Seulement 3 % du volume de l’Univers est ouvert à l’exploration humaine.
L’expansion de l’Univers est une conséquence nécessaire du fait que la matière et l’énergie remplissent l’espace-temps, qui obéit aux lois de la relativité générale. Tant qu'il y a de la matière, il y a aussi une attraction gravitationnelle, donc soit la gravité gagne et tout se contracte à nouveau, soit la gravité perd et l'expansion gagne. Il n’y a pas de centre d’expansion et il n’y a rien en dehors de l’espace qui s’étend ; c'est le tissu même de l'Univers qui est en expansion. Le plus intéressant est que même si nous quittions la Terre à la vitesse de la lumière aujourd'hui, nous ne pourrions visiter que 3 % des galaxies de l'Univers observable ; 97 % d’entre eux sont déjà hors de notre portée. L'univers est complexe.
Il y a à peine cent ans, les scientifiques ont découvert que la taille de notre Univers augmentait rapidement.
Il y a à peine cent ans, les idées sur l’Univers étaient basées sur la mécanique newtonienne et la géométrie euclidienne. Même quelques scientifiques, comme Lobatchevski et Gauss, qui acceptaient (seulement à titre d'hypothèse !) la réalité physique de la géométrie non euclidienne, considéraient l'espace extérieur comme éternel et immuable.
Alexeï Levine
En 1870, le mathématicien anglais William Clifford a eu l’idée très profonde que l’espace peut être courbé de manière inégale en différents points et qu’avec le temps, sa courbure peut changer. Il a même admis que de tels changements étaient en quelque sorte liés au mouvement de la matière. Plusieurs années plus tard, ces deux idées ont constitué la base de la théorie de la relativité générale. Clifford lui-même n'a pas vécu assez longtemps pour voir cela - il est mort de tuberculose à l'âge de 34 ans, 11 jours avant la naissance d'Albert Einstein.
Redshift
Les premières informations sur l’expansion de l’Univers ont été fournies par l’astrospectrographie. En 1886, l’astronome anglais William Huggins remarqua que les longueurs d’onde de la lumière des étoiles étaient légèrement décalées par rapport aux spectres terrestres des mêmes éléments. Sur la base de la formule de la version optique de l'effet Doppler, dérivée en 1848 par le physicien français Armand Fizeau, la vitesse radiale d'une étoile peut être calculée. De telles observations permettent de suivre le mouvement d'un objet spatial.
Il y a à peine cent ans, les idées sur l’Univers étaient basées sur la mécanique newtonienne et la géométrie euclidienne. Même quelques scientifiques, comme Lobatchevski et Gauss, qui assumaient (seulement à titre d’hypothèse !) la réalité physique de la géométrie non euclidienne, considéraient l’espace extra-atmosphérique comme éternel et immuable. En raison de l’expansion de l’Univers, il n’est pas facile de juger de la distance aux galaxies lointaines. La lumière arrivée 13 milliards d’années plus tard de la galaxie A1689-zD1, située à 3,35 milliards d’années-lumière (A), « rougit » et s’affaiblit à mesure qu’elle voyage dans l’espace en expansion, et la galaxie elle-même s’éloigne (B). Il transportera des informations sur la distance en redshift (13 milliards d'années-lumière), en taille angulaire (3,5 milliards d'années-lumière), en intensité (263 milliards d'années-lumière), alors que la distance réelle est de 30 milliards d'années-lumière. années.
Un quart de siècle plus tard, cette opportunité fut exploitée d'une manière nouvelle par Vesto Slifer, employé de l'observatoire de Flagstaff en Arizona, qui, depuis 1912, étudiait les spectres des nébuleuses spirales avec un télescope de 24 pouces doté d'un bon spectrographe. Pour obtenir une image de haute qualité, la même plaque photographique a été exposée pendant plusieurs nuits, le projet a donc avancé lentement. De septembre à décembre 1913, Slipher étudia la nébuleuse d'Andromède et, grâce à la formule Doppler-Fizeau, arriva à la conclusion qu'elle se rapprochait de la Terre de 300 km chaque seconde.
En 1917, il publia des données sur les vitesses radiales de 25 nébuleuses, qui montraient d'importantes asymétries dans leurs directions. Seules quatre nébuleuses se sont approchées du Soleil, les autres se sont enfuies (et certaines très rapidement).
Slifer n'a pas recherché la gloire et n'a pas fait la promotion de ses résultats. Par conséquent, ils ne sont devenus connus dans les cercles astronomiques que lorsque le célèbre astrophysicien britannique Arthur Eddington a attiré l'attention sur eux.
En 1924, il publie une monographie sur la théorie de la relativité, qui comprend une liste des vitesses radiales de 41 nébuleuses trouvées par Slipher. Les quatre mêmes nébuleuses décalées vers le bleu y étaient présentes, tandis que les 37 autres avaient des raies spectrales décalées vers le rouge. Leurs vitesses radiales variaient entre 150 et 1 800 km/s et étaient en moyenne 25 fois supérieures aux vitesses connues des étoiles de la Voie lactée à cette époque. Cela suggère que les nébuleuses participent à des mouvements différents de ceux des luminaires « classiques ».
Îles spatiales
Au début des années 1920, la plupart des astronomes pensaient que les nébuleuses spirales étaient situées à la périphérie de la Voie lactée et qu’au-delà, il n’y avait rien d’autre qu’un espace vide et sombre. Certes, au XVIIIe siècle, certains scientifiques ont vu des amas d'étoiles géants dans des nébuleuses (Emmanuel Kant les appelait des univers insulaires). Cependant, cette hypothèse n'était pas populaire, car il était impossible de déterminer de manière fiable les distances aux nébuleuses.
Ce problème a été résolu par Edwin Hubble, en travaillant sur le télescope à réflexion de 100 pouces de l'observatoire du mont Wilson en Californie. En 1923-1924, il découvre que la nébuleuse d'Andromède est constituée de nombreux objets lumineux, dont des étoiles variables de la famille des Céphéides. On savait déjà à l'époque que la période de changement de leur luminosité apparente est liée à la luminosité absolue et que les Céphéides conviennent donc pour calibrer les distances cosmiques. Avec leur aide, Hubble a estimé la distance jusqu'à Andromède à 285 000 parsecs (selon les données modernes, elle est de 800 000 parsecs). On estimait alors que le diamètre de la Voie lactée était d'environ 100 000 parsecs (en réalité il est trois fois plus petit). Il s’ensuit qu’Andromède et la Voie Lactée doivent être considérées comme des amas d’étoiles indépendants. Hubble a rapidement identifié deux autres galaxies indépendantes, ce qui a finalement confirmé l'hypothèse des « univers insulaires ».
Pour être honnête, il convient de noter que deux ans avant Hubble, la distance jusqu'à Andromède avait été calculée par l'astronome estonien Ernst Opik, dont le résultat - 450 000 parsecs - était plus proche du bon. Cependant, il a utilisé un certain nombre de considérations théoriques qui n'étaient pas aussi convaincantes que les observations directes de Hubble.
En 1926, Hubble avait mené une analyse statistique des observations de quatre cents « nébuleuses extragalactiques » (terme qu’il a longtemps utilisé, évitant de les appeler galaxies) et avait proposé une formule permettant de relier la distance à une nébuleuse à sa luminosité apparente. Malgré les énormes erreurs de cette méthode, de nouvelles données ont confirmé que les nébuleuses sont réparties plus ou moins uniformément dans l'espace et sont situées bien au-delà des limites de la Voie Lactée. Il ne fait désormais plus aucun doute que l’espace ne se limite pas à notre Galaxie et à ses plus proches voisins.
Créateurs de mode spatiale
Eddington s'est intéressé aux résultats de Slipher avant même que la nature des nébuleuses spirales ne soit finalement clarifiée. À cette époque, il existait déjà un modèle cosmologique qui, dans un certain sens, prédisait l’effet identifié par Slipher. Eddington y a beaucoup réfléchi et, bien sûr, n'a pas manqué l'occasion de donner aux observations de l'astronome de l'Arizona une consonance cosmologique.
La cosmologie théorique moderne a débuté en 1917 avec deux articles révolutionnaires présentant des modèles de l'univers basés sur la relativité générale. L'un d'eux a été écrit par Einstein lui-même, l'autre par l'astronome néerlandais Willem de Sitter.
Les lois de Hubble
Edwin Hubble a découvert empiriquement la proportionnalité approximative des redshifts et des distances galactiques, qu'il a transformée en une proportionnalité entre vitesses et distances à l'aide de la formule Doppler-Fizeau. Nous avons donc affaire ici à deux modèles différents.
Hubble ne savait pas comment ils étaient liés les uns aux autres, mais que dit la science actuelle à ce sujet ?
Comme Lemaître l’a également montré, la corrélation linéaire entre les redshifts cosmologiques (causés par l’expansion de l’Univers) et les distances n’est en aucun cas absolue. En pratique, elle n'est bien observée que pour des déplacements inférieurs à 0,1. Ainsi, la loi empirique de Hubble n'est pas exacte, mais approximative, et la formule Doppler-Fizeau n'est valable que pour de petits déplacements du spectre.
Mais la loi théorique reliant la vitesse radiale des objets distants à la distance qui les sépare (avec un coefficient de proportionnalité sous la forme du paramètre de Hubble V=Hd) est valable pour tout redshift. Cependant, la vitesse V qui y apparaît n'est pas du tout la vitesse des signaux physiques ou des corps réels dans l'espace physique. Il s’agit du taux d’augmentation des distances entre les galaxies et les amas de galaxies, provoqué par l’expansion de l’Univers. Nous ne pourrions le mesurer que si nous étions capables d'arrêter l'expansion de l'Univers, d'étirer instantanément des rubans à mesurer entre les galaxies, de lire les distances qui les séparent et de les diviser en intervalles de temps entre les mesures. Naturellement, les lois de la physique ne le permettent pas. Par conséquent, les cosmologistes préfèrent utiliser le paramètre H de Hubble dans une autre formule, qui inclut le facteur d'échelle de l'Univers, qui décrit précisément le degré de son expansion à diverses époques cosmiques (puisque ce paramètre change avec le temps, sa valeur moderne est désignée par H0 ). L’Univers s’étend désormais à un rythme accéléré, de sorte que la valeur du paramètre Hubble augmente.
En mesurant les redshifts cosmologiques, nous obtenons des informations sur l’étendue de l’expansion de l’espace. La lumière de la galaxie, qui nous est parvenue avec un redshift cosmologique z, l'a quittée alors que toutes les distances cosmologiques étaient 1+z fois plus petites qu'à notre époque. Des informations supplémentaires sur cette galaxie, telles que sa distance actuelle ou sa vitesse de retrait de la Voie lactée, ne peuvent être obtenues qu'à l'aide d'un modèle cosmologique spécifique. Par exemple, dans le modèle d'Einstein-de Sitter, une galaxie avec z = 5 s'éloigne de nous à une vitesse égale à 1,1 s (la vitesse de la lumière). Mais si vous faites une erreur courante et égalisez simplement V/c et z, alors cette vitesse s'avérera cinq fois supérieure à la vitesse de la lumière. L’écart, comme nous le voyons, est grave.
Dépendance de la vitesse des objets distants sur le redshift selon STR, GTR (dépend du modèle et de l'heure, la courbe montre l'heure actuelle et le modèle actuel). Aux petits déplacements, la dépendance est linéaire.
Einstein, dans l'air du temps, croyait que l'Univers dans son ensemble était statique (il essaya de le rendre également infini dans l'espace, mais ne parvint pas à trouver les conditions aux limites correctes pour ses équations). En conséquence, il a construit un modèle d'univers fermé, dont l'espace a une courbure positive constante (et donc un rayon fini constant). Le temps dans cet Univers, au contraire, s'écoule comme Newton, dans une direction et à la même vitesse. L'espace-temps de ce modèle est courbé en raison de la composante spatiale, tandis que la composante temporelle n'est en aucun cas déformée. La nature statique de ce monde fournit un « insert » spécial dans l’équation principale, qui empêche l’effondrement gravitationnel et agit ainsi comme un champ anti-gravité omniprésent. Son intensité est proportionnelle à une constante spéciale, qu'Einstein a appelée universelle (maintenant appelée constante cosmologique).
Le modèle cosmologique de l'expansion de l'Univers proposé par Lemaître était très en avance sur son temps. L'univers de Lemaître commence avec le Big Bang, après quoi l'expansion ralentit d'abord puis commence à s'accélérer.
Le modèle d'Einstein a permis de calculer la taille de l'Univers, la quantité totale de matière et même la valeur de la constante cosmologique. Pour ce faire, nous n’avons besoin que de la densité moyenne de matière cosmique, qui, en principe, peut être déterminée à partir d’observations. Ce n'est pas un hasard si Eddington admirait ce modèle et l'avait utilisé dans la pratique par Hubble. Cependant, il est détruit par l’instabilité, ce qu’Einstein n’a tout simplement pas remarqué : au moindre écart du rayon par rapport à la valeur d’équilibre, le monde d’Einstein s’agrandit ou subit un effondrement gravitationnel. Ce modèle n’a donc aucun rapport avec l’Univers réel.
Monde vide
De Sitter a également construit, comme il le croyait lui-même, un monde statique de courbure constante, mais pas positive, mais négative. Il contient la constante cosmologique d’Einstein, mais est totalement dépourvu de matière. Lorsque des particules tests de masse arbitrairement petite sont introduites, elles se dispersent et vont à l’infini. De plus, le temps s'écoule plus lentement à la périphérie de l'univers de De Sitter qu'en son centre. De ce fait, les ondes lumineuses provenant de grandes distances arrivent avec un décalage vers le rouge, même si leur source est stationnaire par rapport à l'observateur. Ainsi, dans les années 1920, Eddington et d’autres astronomes se demandaient si le modèle de de Sitter avait quelque chose en commun avec la réalité reflétée dans les observations de Slipher.
Ces soupçons ont été confirmés, quoique de manière différente. La nature statique de l'univers de De Sitter s'est avérée imaginaire, puisqu'elle était associée à un choix infructueux du système de coordonnées. Après avoir corrigé cette erreur, l’espace de Sitter s’est avéré plat, euclidien, mais non statique. Grâce à la constante cosmologique antigravitationnelle, il se dilate tout en conservant une courbure nulle. En raison de cette expansion, les longueurs d'onde des photons augmentent, ce qui entraîne le déplacement des raies spectrales prédit par de Sitter. Il convient de noter que c’est ainsi que s’explique aujourd’hui le redshift cosmologique des galaxies lointaines.
Des statistiques à la dynamique
L’histoire des théories cosmologiques ouvertement non statiques commence avec deux articles du physicien soviétique Alexander Friedman, publiés dans la revue allemande Zeitschrift fur Physik en 1922 et 1924. Friedman a calculé des modèles d'univers avec une courbure positive et négative variable dans le temps, qui sont devenus le fonds d'or de la cosmologie théorique. Cependant, les contemporains n’ont guère remarqué ces travaux (Einstein a même d’abord considéré le premier article de Friedman comme mathématiquement erroné). Friedman lui-même croyait que l'astronomie ne dispose pas encore d'un arsenal d'observations permettant de décider lequel des modèles cosmologiques est le plus cohérent avec la réalité, et s'est donc limité aux mathématiques pures. Peut-être qu'il aurait agi différemment s'il avait lu les résultats de Slifer, mais cela ne s'est pas produit.
Le plus grand cosmologiste de la première moitié du XXe siècle, Georges Lemaître, pensait différemment. Chez lui, en Belgique, il soutient sa thèse de mathématiques, puis, au milieu des années 1920, il étudie l'astronomie - à Cambridge sous la direction d'Eddington et à l'Observatoire de Harvard sous la direction de Harlow Shapley (aux États-Unis, où il prépare une deuxième thèse au MIT, il a rencontré Slifer et Hubble). Dès 1925, Lemaître fut le premier à montrer que la nature statique du modèle de de Sitter était imaginaire. À son retour dans son pays natal en tant que professeur à l'Université de Louvain, Lemaitre a construit le premier modèle d'un univers en expansion avec une base astronomique claire. Sans exagération, ces travaux constituent une avancée révolutionnaire dans la science spatiale.
Révolution universelle
Dans son modèle, Lemaître a retenu une constante cosmologique avec une valeur numérique einsteinienne. Par conséquent, son univers commence dans un état statique, mais au fil du temps, en raison des fluctuations, il s'engage sur la voie d'une expansion constante à un rythme croissant. A ce stade, il conserve une courbure positive, qui diminue à mesure que le rayon augmente. Lemaître a inclus dans son univers non seulement la matière, mais aussi le rayonnement électromagnétique. Ni Einstein ni de Sitter, dont Lemaître connaissait l'œuvre, ni Friedman, dont il savait quelque chose à l'époque, ne l'ont fait.
Coordonnées associées
Dans les calculs cosmologiques, il est pratique d'utiliser des systèmes de coordonnées associés, qui se développent à l'unisson avec l'expansion de l'Univers. Dans un modèle idéalisé, où les galaxies et les amas de galaxies ne participent à aucun mouvement propre, les coordonnées qui les accompagnent ne changent pas. Mais la distance entre deux objets à un instant donné est égale à leur distance constante en coordonnées associées, multipliée par la valeur du facteur d'échelle pour cet instant. Cette situation peut être facilement illustrée sur un globe gonflable : la latitude et la longitude de chaque point ne changent pas, et la distance entre n'importe quelle paire de points augmente avec l'augmentation du rayon.
L’utilisation de coordonnées comobiles nous aide à comprendre les différences profondes entre la cosmologie de l’univers en expansion, la relativité restreinte et la physique newtonienne. Ainsi, dans la mécanique newtonienne, tous les mouvements sont relatifs et l’immobilité absolue n’a aucune signification physique. Au contraire, en cosmologie, l'immobilité dans les coordonnées mobiles est absolue et, en principe, peut être confirmée par des observations. La théorie de la relativité restreinte décrit des processus dans l'espace-temps, à partir desquels les composantes spatiales et temporelles peuvent être isolées d'une infinité de façons à l'aide des transformations de Lorentz. L’espace-temps cosmologique, au contraire, se décompose naturellement en un espace incurvé en expansion et en un seul temps cosmique. Dans ce cas, la vitesse de retrait des galaxies lointaines peut être plusieurs fois supérieure à la vitesse de la lumière.
Lemaître, de retour aux États-Unis, a suggéré que les redshifts des galaxies lointaines sont dus à l'expansion de l'espace, qui « étend » les ondes lumineuses. Il l’a maintenant prouvé mathématiquement. Il a également démontré que les petits redshifts (des unités beaucoup plus petites) sont proportionnels aux distances jusqu'à la source de lumière, et que le coefficient de proportionnalité ne dépend que du temps et contient des informations sur le taux d'expansion actuel de l'Univers. Puisque la formule Doppler-Fizeau impliquait que la vitesse radiale d'une galaxie est proportionnelle à son redshift, Lemaître arrive à la conclusion que cette vitesse est également proportionnelle à sa distance. Après avoir analysé les vitesses et distances de 42 galaxies de la liste de Hubble et pris en compte la vitesse intragalactique du Soleil, il a établi les valeurs des coefficients de proportionnalité.
Un travail méconnu
Lemaitre a publié ses travaux en 1927 en français dans la revue peu lue Annals of the Brussels Scientific Society. On pense que c’est la principale raison pour laquelle elle est passée pratiquement inaperçue (même auprès de son professeur Eddington). Certes, à l’automne de la même année, Lemaître a pu discuter de ses découvertes avec Einstein et a appris de lui les résultats de Friedman. Le créateur de la Relativité Générale n’avait aucune objection technique, mais il ne croyait absolument pas à la réalité physique du modèle de Lemètre (tout comme il n’avait pas accepté auparavant les conclusions de Friedman).
Graphiques Hubble
Pendant ce temps, à la fin des années 1920, Hubble et Humason ont découvert une corrélation linéaire entre les distances de 24 galaxies et leurs vitesses radiales, calculée (principalement par Slipher) à partir des redshifts. Hubble en conclut que la vitesse radiale d'une galaxie est directement proportionnelle à sa distance. Le coefficient de cette proportionnalité est désormais noté H0 et s'appelle le paramètre de Hubble (selon les dernières données, il dépasse légèrement 70 (km/s)/mégaparsec).
L'article de Hubble décrivant la relation linéaire entre les vitesses et les distances galactiques a été publié au début de 1929. Un an plus tôt, le jeune mathématicien américain Howard Robertson, à la suite de Lemaitre, dérivait cette dépendance du modèle d'un Univers en expansion, que Hubble connaissait peut-être. Cependant, son célèbre article ne mentionnait ce modèle ni directement ni indirectement. Hubble a ensuite exprimé des doutes sur le fait que les vitesses apparaissant dans sa formule décrivent réellement les mouvements des galaxies dans l'espace, mais il s'est toujours abstenu de donner une interprétation spécifique. Il a vu le sens de sa découverte dans la démonstration de la proportionnalité des distances galactiques et des redshifts, laissant le reste aux théoriciens. Par conséquent, avec tout le respect que je dois à Hubble, il n'y a aucune raison de le considérer comme le découvreur de l'expansion de l'Univers.
Et pourtant, il s'agrandit !
Néanmoins, Hubble a ouvert la voie à la reconnaissance de l'expansion de l'Univers et du modèle de Lemaître. Déjà en 1930, des maîtres de la cosmologie comme Eddington et de Sitter lui rendaient hommage ; Un peu plus tard, les scientifiques ont remarqué et apprécié le travail de Friedman. En 1931, à l'instigation d'Eddington, Lemaitre traduit son article en anglais (avec de petites coupures) pour le Monthly News of the Royal Astronomical Society. La même année, Einstein partageait les conclusions de Lemaître et, un an plus tard, avec de Sitter, il construisait un modèle d’univers en expansion avec un espace plat et un temps courbe. Ce modèle, en raison de sa simplicité, est depuis longtemps très populaire parmi les cosmologistes.
Dans la même année 1931, Lemaître publie une brève description (et sans aucune mathématique) d'un autre modèle de l'Univers, combinant cosmologie et mécanique quantique. Dans ce modèle, le moment initial est l’explosion de l’atome primaire (Lemaitre l’appelait aussi quantique), qui a donné naissance à la fois à l’espace et au temps. Puisque la gravité ralentit l’expansion de l’Univers nouveau-né, sa vitesse diminue – peut-être presque jusqu’à zéro. Lemaître a ensuite introduit une constante cosmologique dans son modèle, ce qui a forcé l'Univers à entrer dans un régime stable d'expansion accélérée. Il a donc anticipé à la fois l’idée du Big Bang et les modèles cosmologiques modernes prenant en compte la présence d’énergie noire. Et en 1933, il identifia la constante cosmologique à la densité énergétique du vide, à laquelle personne n'avait jamais pensé auparavant. C’est tout simplement étonnant à quel point ce scientifique, certainement digne du titre de découvreur de l’expansion de l’Univers, était en avance sur son temps !
MOSCOU, 26 janvier - RIA Novosti. Un groupe indépendant de scientifiques a confirmé que l’Univers s’étend effectivement encore plus vite que ne le montrent les calculs basés sur les observations de « l’écho » du Big Bang, selon une série de cinq articles acceptés pour publication dans la revue Monthly Notices of the Royal. Société d'astronomie.
"Les écarts dans le taux actuel d'expansion de l'Univers et ce que montrent les observations du Big Bang ont non seulement été confirmés, mais également renforcés par de nouvelles données sur la façon dont les galaxies lointaines courbent la lumière. Ces écarts peuvent être générés par une "nouvelle physique" au-delà de l'univers. Modèle standard de la cosmologie, en particulier une autre forme d'énergie noire», a déclaré Frédéric Coubrin de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse).
Sombres naissances de l'Univers
En 1929, le célèbre astronome Edwin Hubble a prouvé que notre Univers ne reste pas immobile, mais s'étend progressivement, observant le mouvement des galaxies loin de nous. À la fin du XXe siècle, les astrophysiciens ont découvert, en observant les supernovae du premier type, que celle-ci ne se dilate pas à vitesse constante, mais avec accélération. La raison en est, comme le croient aujourd'hui les scientifiques, l'énergie noire - une substance mystérieuse qui agit sur la matière comme une sorte d'« antigravité ».
En juin dernier, le prix Nobel Adam Reiss et ses collègues, qui ont découvert le phénomène, ont calculé le taux d'expansion exact de l'Univers actuel à l'aide d'étoiles variables céphéides situées dans des galaxies proches, dont la distance peut être calculée avec une ultra-haute précision.
Cette clarification a donné un résultat extrêmement inattendu : il s'est avéré que deux galaxies, séparées par une distance d'environ 3 millions d'années-lumière, s'envolent à une vitesse d'environ 73 kilomètres par seconde. Ce chiffre est sensiblement plus élevé que les données obtenues à l'aide des télescopes orbitaux WMAP et Planck - 69 kilomètres par seconde, et il ne peut pas être expliqué en utilisant nos idées existantes sur la nature de l'énergie noire et le mécanisme de la naissance de l'Univers.
Riess et ses collègues ont suggéré qu'il existait également une troisième substance « sombre » - le « rayonnement sombre » (rayonnement sombre), qui provoquait une accélération plus rapide que les prédictions théoriques des premiers jours de l'Univers. Une telle déclaration n'est pas passée inaperçue et la collaboration H0LiCOW, qui comprend des dizaines d'astronomes de tous les continents de la planète, a commencé à tester cette hypothèse en observant les quasars, les noyaux actifs de galaxies lointaines.
Jeu de bougies et lentilles cosmiques
Les quasars, grâce au trou noir géant en leur centre, courbent la structure de l'espace-temps d'une manière particulière, amplifiant la lumière traversant son environnement, comme une lentille géante.
Si deux quasars sont placés l'un à côté de l'autre pour les observateurs sur Terre, une chose intéressante se produit : la lumière du quasar le plus éloigné sera divisée lorsqu'elle traversera la lentille gravitationnelle du premier noyau galactique. De ce fait, nous verrons non pas deux, mais cinq quasars, dont quatre seront de légères « copies » d’un objet plus éloigné. Plus important encore, chaque copie représentera une « photographie » du quasar à différents moments de sa vie en raison du temps différent qu’il a fallu à sa lumière pour s’échapper de la lentille gravitationnelle.
La durée de ce temps, comme l'expliquent les scientifiques, dépend du taux d'expansion de l'Univers, ce qui permet de le calculer en observant un grand nombre de quasars distants. C’est ce qu’ont fait les participants de H0LiCOW, en recherchant des quasars « doubles » similaires et en observant leurs « copies ».
Au total, Kubrin et ses collègues ont trouvé trois de ces « poupées matriochka » quasar et les ont étudiées en détail à l’aide des télescopes orbitaux Hubble et Spitzer et d’un certain nombre de télescopes au sol dans les îles hawaïennes et au Chili. Ces mesures, selon les chercheurs, ont permis de mesurer la constante de Hubble à la distance cosmologique « moyenne » avec un niveau d’erreur de 3,8 %, ce qui est plusieurs fois meilleur que les résultats obtenus précédemment.
Ces calculs ont montré que l'Univers s'étend à une vitesse d'environ 71,9 kilomètres par seconde, ce qui correspond généralement au résultat obtenu par Riess et ses collègues à des distances cosmologiques « proches », et plaide en faveur de l'existence d'un tiers « sombre ». substance qui a accéléré l'univers dans sa jeunesse. Une autre possibilité pour expliquer les divergences avec les données est que l’Univers n’est pas réellement plat, mais ressemble à une sphère ou à un « accordéon ». Il est également possible que la quantité ou les propriétés de la matière noire aient changé au cours des 13 derniers milliards d'années, entraînant une croissance plus rapide de l'univers.
Quoi qu'il en soit, les scientifiques envisagent d'étudier une centaine d'autres quasars similaires afin de vérifier la fiabilité des données obtenues et de comprendre comment expliquer un comportement aussi inhabituel de l'Univers, qui ne rentre pas dans les théories cosmologiques standards.
En analysant les résultats des observations des galaxies et du rayonnement cosmique du fond micro-ondes, les astronomes sont arrivés à la conclusion que la répartition de la matière dans l'Univers (la région de l'espace étudié dépassait 100 Mpc de diamètre) est homogène et isotrope, c'est-à-dire ne dépend pas de la position et direction dans l'espace (voir Cosmologie) . Et de telles propriétés de l'espace, selon la théorie de la relativité, entraînent inévitablement un changement dans le temps des distances entre les corps remplissant l'Univers, c'est-à-dire l'Univers doit s'étendre ou se contracter, et les observations indiquent une expansion.
L'expansion de l'Univers diffère considérablement de l'expansion ordinaire de la matière, par exemple de l'expansion d'un gaz dans un cylindre. Le gaz, en se dilatant, modifie la position du piston dans le cylindre, mais le cylindre reste inchangé. Dans l’Univers, il y a une expansion de tout l’espace dans son ensemble. Par conséquent, la question dans quelle direction l’expansion se produit n’a plus de sens dans l’Univers. Cette expansion s'effectue à très grande échelle. Au sein des systèmes stellaires, des galaxies, des amas et des superamas de galaxies, l'expansion ne se produit pas. De tels systèmes liés gravitationnellement sont isolés de l’expansion générale de l’Univers.
La conclusion selon laquelle l'Univers est en expansion est confirmée par les observations du décalage vers le rouge dans le spectre des galaxies.
Supposons que des signaux lumineux soient envoyés depuis un certain point de l'espace à deux instants et observés à un autre point de l'espace.
En raison d'un changement d'échelle de l'Univers, c'est-à-dire d'une augmentation de la distance entre les points d'émission et d'observation de la lumière, le deuxième signal doit parcourir une plus grande distance que le premier. Et comme la vitesse de la lumière est constante, le deuxième signal est retardé ; l'intervalle entre les signaux au point d'observation sera plus grand qu'au point de départ. Plus la distance entre la source et l'observateur est grande, plus le retard est important. Un étalon naturel de fréquence est la fréquence du rayonnement lors des transitions électromagnétiques dans les atomes. En raison de l’effet décrit de l’expansion de l’Univers, cette fréquence diminue. Ainsi, lors de l'observation du spectre d'émission d'une galaxie lointaine, toutes ses raies devraient être décalées vers le rouge par rapport aux spectres de laboratoire. Ce phénomène de redshift est l'effet Doppler (voir Vitesse radiale) issu de la « diffusion » mutuelle des galaxies et est observé dans la réalité.
L'ampleur du décalage vers le rouge est mesurée par le rapport entre la fréquence de rayonnement modifiée et celle d'origine. Plus la distance à la galaxie observée est grande, plus le changement de fréquence est important.
Ainsi, en mesurant le décalage vers le rouge des spectres, il s'avère possible de déterminer la vitesse v des galaxies avec laquelle elles s'éloignent de l'observateur. Ces vitesses sont liées à des distances appelées constantes de Hubble.
La détermination précise de la valeur se heurte à de grandes difficultés. Sur la base d'observations à long terme, la valeur actuellement acceptée est .
Cette valeur correspond à une augmentation de la vitesse de récession galactique égale à environ 50-100 km/s pour chaque mégaparsec de distance.
La loi de Hubble permet d'estimer les distances aux galaxies situées à des distances énormes à partir du redshift des raies mesurées dans leur spectre.
La loi de la récession des galaxies est dérivée d'observations effectuées depuis la Terre (ou, pourrait-on dire, depuis notre Galaxie), et décrit ainsi la distance entre les galaxies et la Terre (notre Galaxie). On ne peut cependant pas en conclure que c'est la Terre (notre Galaxie) qui est au centre de l'expansion de l'Univers. Des constructions géométriques simples nous convainquent que la loi de Hubble est valable pour un observateur situé dans l'une des galaxies participant à la récession.
La loi d'expansion de Hubble indique que la matière dans l'Univers avait autrefois des densités très élevées. Le temps qui nous sépare de cet état peut être classiquement appelé l'âge de l'Univers. Elle est déterminée par la valeur
Puisque la vitesse de la lumière est finie, l’âge fini de l’Univers correspond à la région finie de l’Univers que l’on peut actuellement observer. De plus, les parties observables les plus éloignées de l’Univers correspondent aux premiers instants de son évolution. À ces moments-là, diverses particules élémentaires pourraient naître et interagir dans l’Univers. En analysant les processus survenus avec la participation de telles particules dans la première seconde de l'expansion de l'Univers, la cosmologie théorique trouve, sur la base de la théorie des particules élémentaires, des réponses aux questions de savoir pourquoi il n'y a pas d'antimatière dans l'Univers et même pourquoi l'Univers est en expansion.
De nombreuses prédictions de la théorie sur les processus physiques des particules élémentaires concernent des régions énergétiques inaccessibles dans les conditions de laboratoire terrestre modernes, par exemple dans les accélérateurs.
Cependant, avant la première seconde de l'expansion de l'Univers, des particules dotées d'une telle énergie auraient dû exister. Les physiciens considèrent donc l’Univers en expansion comme un laboratoire naturel de particules élémentaires.
Dans ce laboratoire, vous pouvez réaliser des « expériences de pensée », analyser comment l'existence d'une particule particulière affecterait les processus physiques dans l'Univers, comment telle ou telle prédiction de la théorie se manifesterait dans les observations astronomiques.
La théorie des particules élémentaires est invoquée pour expliquer la « masse cachée » de l’Univers. Pour expliquer comment les galaxies se sont formées, comment elles se déplacent dans les amas de galaxies et bien d'autres caractéristiques de la répartition de la matière visible, il s'avère nécessaire de supposer que plus de 80 % de la masse de l'Univers est cachée sous forme de matière invisible. particules à faible interaction. À cet égard, les neutrinos ayant une masse au repos non nulle, ainsi que les nouvelles particules hypothétiques, sont largement discutés en cosmologie.
Lorsque l’astrophysicien Edwin Hubble a déterminé, il y a près d’un siècle, que l’Univers s’étendait uniformément dans toutes les directions, cette découverte a été une véritable surprise. Puis, au milieu des années 1990, une autre chose inattendue est devenue claire : il s’avère que l’Univers s’étend de plus en plus vite, c’est-à-dire avec une accélération. La raison en était considérée comme les propriétés répulsives d’une substance appelée « énergie noire ».
Aujourd’hui, grâce au télescope spatial Hubble, les astrophysiciens de la NASA ont déterminé que l’Univers se développe plus rapidement que prévu. On ne sait toujours pas comment interpréter cette découverte, mais la constante de Hubble devra être reconsidérée.
"Cette découverte inattendue pourrait être un indice important pour comprendre quels sont les 95 % de la masse de l'univers qui n'émettent pas de lumière, y compris l'énergie noire, la matière noire et le rayonnement sombre", a expliqué l'auteur principal de l'étude et lauréat du prix Nobel. du Space Telescope Institute et de l’Université Johns Hopkins.
Le soi-disant « rayonnement sombre » dont parle le lauréat du prix Nobel est probablement l’une des formes hypothétiques de l’énergie noire.
Les scientifiques proposent plusieurs explications à ce qui se passe. Peut-être que l’énergie noire éloigne les galaxies plus que prévu. Ou bien l’espace primitif pourrait contenir un nouveau type de particule élémentaire appelée « rayonnement sombre », ce qui signifie que davantage d’énergie provenant du rayonnement sombre devrait être ajoutée à la formule de l’expansion de l’Univers après le Big Bang.
Une troisième possibilité est que la matière noire, la forme invisible de matière qui constitue la majeure partie de la masse de notre Univers, présente des caractéristiques étranges et inattendues. Après tout, la théorie de la gravité d’Einstein est peut-être incomplète.
Adam Riess et ses collègues ont développé une nouvelle technique pour estimer le taux d'expansion de l'Univers en 2005. Une technologie innovante nous permet de mieux déterminer la distance aux galaxies lointaines.
La méthode comprend trois étapes, illustrées dans le diagramme. Il s’agit de rechercher des galaxies contenant des supernovae de type Ia et des étoiles céphéides. Les cyphéides palpitent dans des proportions précises par rapport à leur luminosité intrinsèque, qui peut être comparée à leur luminosité apparente pour estimer avec précision la distance. Les supernovae de type Ia, quant à elles, sont formées par des explosions de naines blanches et sont suffisamment brillantes pour être observées à une distance relativement grande.
Au cours d'une période de dix ans, les scientifiques ont mesuré environ 2 400 Céphéides dans 19 galaxies, estimé leur luminosité apparente, mesuré avec précision leur luminosité réelle et calculé la distance jusqu'à environ 300 supernovae de type Ia dans des galaxies lointaines.
Jusqu'à présent, l'estimation la plus fiable de la constante de Hubble était de 67,80 ± 0,77 (km/s)/Mpc, c'est-à-dire qu'à l'ère moderne, deux galaxies séparées par une distance de 1 mégaparsec s'éloignent en moyenne à une vitesse de ~ 68 km/s.
Selon de nouvelles mesures, la constante de Hubble est de 73,2 (km/s)/Mpc, c'est-à-dire que deux galaxies séparées par une distance de 1 mégaparsec s'éloignent en moyenne à une vitesse d'environ 73 km/s.
La méthode proposée est plus précise que les méthodes précédentes : le taux d'expansion est déterminé avec une erreur de 2,4 %. Mais même en tenant compte de cette erreur, la nouvelle constante de Hubble est nettement plus grande que l'ancienne.
Les résultats de l’étude décennale seront publiés dans un prochain numéro Le journal d'astrophysique.
Calculer la vraie valeur de la constante de Hubble n’est pas une tâche facile. Par exemple, l'analyse de la rémanence du Big Bang réalisée par la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) et les résultats des observations de la mission satellite Planck de l'Agence spatiale européenne ont donné des résultats opposés : selon la trajectoire prévue, le taux d'expansion du Big Bang L'univers devrait maintenant être 5% et 9% inférieur à la valeur obtenue de la constante de Hubble.
Des recherches plus approfondies aideront à clarifier et à mesurer avec plus de précision la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent sur différentes périodes de temps.
"Nous savons si peu de choses sur les parties sombres de l'Univers qu'il est très important de mesurer la force avec laquelle elles ont été attirées et repoussées tout au long de l'histoire cosmique", a déclaré Lucas Macri, l'un des auteurs de l'article scientifique.
Avant le lancement du télescope Hubble, les estimations du taux d’expansion de l’Univers différaient de deux ordres de grandeur. Les mesures effectuées à la fin des années 1990 ont permis de réduire l'erreur à 10 %. Désormais, les scientifiques du groupe Supernova H0 pour l'équation d'état (SH0ES) travaillent sur de nouvelles méthodes de calcul qui réduiront l'erreur à 1 %.
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