Décalage vers le rouge et photons "fatigués"

Plus un photon nous arrive de loin, plus celui-ci voit sa longueur d'onde décalée vers le rouge : L'effet n'est perceptible qu'à distance cosmologique (un z de 0.5 correspond à 9 milliards d'années lumière).

J'ai encore lu tout récemment que ce décalage vers le rouge est équivalent à une "perte d'énergie" pour ces photons ("La réalité cachée" de Green).

Mes connaissances en théorie de l'électro-magnétisme sont limitée, mais je me demande où va cette énergie perdue ? Dissipation dans l'espace ? Est elle vraiment perdue ? N'y a-t-il pas un problème de conservation de l'énergie ?

Je ne pense pas qu'il y a vraiment une perte d'énergie. L'espace se dilate et c'est cette dilatation qui étire les longueurs d'ondes.

Le redshift des photons qui arrivent de très loin est du à la dilatation de l'espace provoquée par l'expansion de l'univers (c'est bien différent de l'effet Doppler).

Avec E=h.v on a bien une perte d'énergie... mais si on en crois wikipedia " l'expansion cosmologique provoque une perte réelle d'énergie, et le principe de conservation d'énergie doit être vu comme une loi de portée locale, qui ne s'applique pas à un niveau global dans un univers gouverné par les lois de la relativité générale "

http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9calage_vers_le_rouge

E=hc/λ

Apparemment les scientifiques n'ont aucune certitude sur ce phénomène et on ne sait pas encore dire si le redshift observé provient bien d'une perte d'énergie, h et c restant constants dans le temps, ou si h ou c varient dans le temps et, conservation de l'énergie aidant, λ augmente.

Bref, ce n'est pas sur Webastro qu'on saura dire qui a tort ou raison vu que ce problème n'est toujours pas scientifiquement résolu !

Le temps nous apparaît plus long dans les mêmes proportions que l'allongement de longueur d'onde. Par exemple, les courbes de lumière des supernovae lointaines nous apparaissent à la fois à une longueur d'onde plus grande (plus rouge) et semblent durer plus longtemps que des supernovae proches. L'énergie du photon n’apparaît pas la même, mais elle n'est pas mesurée avec la même base de temps.

Si tu regardes le système dans son ensemble (émetteur plus récepteur) il n'y a pas de perte d'énergie.

Le temps nous apparaît plus long dans les mêmes proportions que l'allongement de longueur d'onde. Par exemple, les courbes de lumière des supernovae lointaines nous apparaissent à la fois à une longueur d'onde plus grande (plus rouge) et semblent durer plus longtemps que des supernovae proches. L'énergie du photon n’apparaît pas la même, mais elle n'est pas mesurée avec la même base de temps.

 

Si tu regardes le système dans son ensemble (émetteur plus récepteur) il n'y a pas de perte d'énergie.

Intérressant, as tu une source à nous faire partager par rapport à ca ?

Le temps nous apparaît plus long dans les mêmes proportions que l'allongement de longueur d'onde. Par exemple, les courbes de lumière des supernovae lointaines nous apparaissent à la fois à une longueur d'onde plus grande (plus rouge) et semblent durer plus longtemps que des supernovae proches. L'énergie du photon n’apparaît pas la même, mais elle n'est pas mesurée avec la même base de temps.

 

Si tu regardes le système dans son ensemble (émetteur plus récepteur) il n'y a pas de perte d'énergie.

Oui, mais au niveau global, il y a bien perte d'énergie en cours de route.

Ce que confirme Apricot avec son extrait. Je trouve cela assez surprenant : On dirait comme une convention ad hoc pour sauver la loi de conservation de l'énergie.

C'est bien plus compliqué que ça. Comme je le disais, rien n'est sur. La conservation de l'énergie peut se faire de plein de façons différentes : variation de la vitesse de la lumiere, variation de la constante de Planck, ou bien l'énergie n'est pas si constante que cela et pourrait elle aussi diminuer à grande échelle...

Les recherches ont lieu encore en ce moment et rien ne permet de conclure en quoi que ce soit. Au stade actuel des recherches, dire que l'énergie décroît est tout aussi hasardeux que de soutenir que l'énergie ne décroît pas.

C'est bien plus compliqué que ça. Comme je le disais, rien n'est sur. La conservation de l'énergie peut se faire de plein de façons différentes : variation de la vitesse de la lumiere, variation de la constante de Planck, ou bien l'énergie n'est pas si constante que cela et pourrait elle aussi diminuer à grande échelle...

 

Les recherches ont lieu encore en ce moment et rien ne permet de conclure en quoi que ce soit. Au stade actuel des recherches, dire que l'énergie décroît et tout aussi hasardeux que de soutenir que l'énergie ne décroît pas.

Cela confirme que j'avais raison de me poser des questions à ce sujet, en somme que ce n'est pas trivial. C'est juste ce que j'avais envie d'entendre.

bonsoir,

très intéressant fil

d'ailleurs me vient une question (j'espère pas trop saugrenue): sachant que l'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde et que celle-ci augmente avec la distance parcourue (j'espère pas trop me tromper) vu la dilatation de l'espace: n'y-a-t-il pas un point à partir duquel l'énergie sera si petite qu'au niveau quantique celle-ci sera "perdue" à notre échelle, ou quelque effet dans ce genre ??

-- edit -- en somme, après avoir relu le fil, c'est globalement la question initiale, je n'espère plus

Eh bien, l'énergie de l'ensemble des photons décroît. Lorsqu'elle sera tombée à zéro à force d'expansion, on sera revenu au stade précédant l'apparition de l'univers : il n'y avait rien, pas d'énergie non plus. Ainsi le principe de conservation de l'énergie sera-t-il bel et bien respecté, et à l'échelle la plus large possible par conséquent, après une simple fluctuation dite "univers".

Pour recevoir mon billet d'avion pour Stockholm, je communiquerai mon adresse en MP.

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Déjà proposé, dommage ! (Tryon, Guth, Hawking etc...)

Tiens, un petit exemple. J'envoie un photon à une capsule spatiale qui s'éloigne. Le cosmonaute le voit avec une longueur plus grande que celle à laquelle je l'ai envoyée. Il y a perte d'énergie ? Non, voilà pourquoi :

Maintenant le cosmonaute s'équipe d'un miroir pour réfléchir mon photon. Je le reçois en retour mais sa longueur d'onde a augmenté. Là c'est clair, il y a perte d'énergie, mon photon au retour est moins énergétique que celui que j'avais envoyé ? Non, parce que le photon a transmis à la capsule un peu de son énergie, il y a déposé son "impulsion" : c'est le principe de la voile solaire, il a (très légèrement) accéléré l'éloignement de la capsule par sa "pression de radiation". L'énergie qu'il a perdue quand je le reçois en retour est égale à celle qu'il a donnée à la capsule pour accélérer sa vitesse.

Tiens, un petit exemple. J'envoie un photon à une capsule spatiale qui s'éloigne. Le cosmonaute le voit avec une longueur plus grande que celle à laquelle je l'ai envoyée. Il y a perte d'énergie ? Non, voilà pourquoi :

 

Maintenant le cosmonaute s'équipe d'un miroir pour réfléchir mon photon. Je le reçois en retour mais sa longueur d'onde a augmenté. Là c'est clair, il y a perte d'énergie, mon photon au retour est moins énergétique que celui que j'avais envoyé ? Non, parce que le photon a transmis à la capsule un peu de son énergie, il y a déposé son "impulsion" : c'est le principe de la voile solaire, il a (très légèrement) accéléré l'éloignement de la capsule par sa "pression de radiation". L'énergie qu'il a perdue quand je le reçois en retour est égale à celle qu'il a donnée à la capsule pour accélérer sa vitesse.

Je ne vois pas le rapport avec la problématique, il doit y avoir une subtilité qui m'échappe...

Dans ton exemple il y a une interaction qui "autorise" cette perte d'énergie. Alors que le redshift est le produit de l'expansion de l'espace, sans interaction.

Smith, tu peux mesurer le décalage vers le rouge d'un photon sans le détruire ?

Smith, tu peux mesurer le décalage vers le rouge d'un photon sans le détruire ?

OK, le capteur qui mesure le Z détruit le photon, mais il mesure le décalage indiquant une énergie plus faible (au degré de précision d'incertitude permis par la MQ). Je ne te suis toujours pas

C'est peut être parce qu'il me manque certaines bases évidentes pour toi, surtout ne vas pas croire que je suis infirmatif ou vindicatif

Smith, t'inquiètes, il m'arrive aussi de raconter des âneries plus qu'à mon tour :)

Mais là, il me semble que j'ai bon : ton capteur en mesurant le photon le détruit et prend son impulsion. D'ailleurs imagine que ton copain passe à côté de toi à très grande vitesse et chope le photon que tu allais capturer, il va mesurer un décalage différent de celui que tu aurais mesuré s'il ne t'était pas passé devant mais en même temps il ne reçoit pas la même impulsion donc son énergie cinétique n'est pas modifiée comme la tienne l'aurait été.

Mais au final, dans les deux cas, l'énergie apparemment perdue par le photon se retrouve dans l'énergie cinétique du capteur.

Smith, t'inquiètes, il m'arrive aussi de raconter des âneries plus qu'à mon tour :)

 

Mais là, il me semble que j'ai bon : ton capteur en mesurant le photon le détruit et prend son impulsion. D'ailleurs imagine que ton copain passe à côté de toi à très grande vitesse et chope le photon que tu allais capturer, il va mesurer un décalage différent de celui que tu aurais mesuré s'il ne t'était pas passé devant mais en même temps il ne reçoit pas la même impulsion donc son énergie cinétique n'est pas modifiée comme la tienne l'aurait été.

 

Mais au final, dans les deux cas, l'énergie apparemment perdue par le photon se retrouve dans l'énergie cinétique du capteur.

Mais si le capteur de mon copain est installé un milliard d'AL après moi, il va recevoir l'impulsion d'un photon moins énergétique (car avec un Z encore plus élevé car la longueur d'onde aura encore diminué), non ? Où passe l'énergie entre moi et lui ?

C'est peut être là qu'il me manque des bases : Tous les photons voyagent à c, mais j'ai l'a priori de penser que tous ne sont pas aussi énergétiques (ne transportent pas tous la même quantité d'énergie) ; je me trompe ?

Que ton copain soit à 1 milliard d'années ou juste à côté ne change rien. Ce qui change c'est la vitesse de ton copain par rapport à la source que ce soit une vitesse due à l'expansion ou due à son mouvement propre, autrement dit seul compte le décalage spectral auquel le récepteur voit la source du photon.

L'énergie d'un photon est directement proportionnelle à sa fréquence h x fréquence, h étant la constante de Planck (ou aussi à l'inverse de sa longueur d'onde).

Un photon rouge (autour de 0,6 µm de longueur d'onde) a une énergie d'environ 2 eV (électron-volt) il est capable de faire "monter" un électron de 2V dans un champ électrique. Un photon jaune à 0,5 µm est un peu plus énergétique 2,5 eV.

Le photon ne perd pas d'énergie pendant son "transport" même du fait de l'expansion : l'énergie d'un photon du fond diffus cosmologique s'il voyage depuis 13,5 milliards d'années ou s'il a été capturé le lendemain de son émission aura la même énergie s'il est absorbé avec le même décalage spectral.

Que ton copain soit à 1 milliard d'années ou juste à côté ne change rien. Ce qui change c'est la vitesse de ton copain par rapport à la source que ce soit une vitesse due à l'expansion ou due à son mouvement propre, autrement dit seul compte le décalage spectral auquel le récepteur voit la source du photon.

 

L'énergie d'un photon est directement proportionnelle à sa fréquence h x fréquence, h étant la constante de Planck (ou aussi à l'inverse de sa longueur d'onde).

 

Un photon rouge (autour de 0,6 µm de longueur d'onde) a une énergie d'environ 2 eV (électron-volt) il est capable de faire "monter" un électron de 2V dans un champ électrique. Un photon jaune à 0,5 µm est un peu plus énergétique 2,5 eV.

 

Le photon ne perd pas d'énergie pendant son "transport" même du fait de l'expansion : l'énergie d'un photon du fond diffus cosmologique s'il voyage depuis 13,5 milliards d'années ou s'il a été capturé le lendemain de son émission aura la même énergie s'il est absorbé avec le même décalage spectral.

Tu devrais lire ça : http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9calage_vers_le_rouge#D.C3.A9calage_vers_le_rouge_cosmologique_et_conservation_de_l.27.C3.A9nergie

(un z de 0.5 correspond à 9 milliards d'années lumière).

 

Bonjour,

Peux tu me donner ta source pour cette distance,merci,çà me parait un peu

énorme non?.

Jean-Pierre

Tu devrais lire ça : http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9calage_vers_le_rouge#D.C3.A9calage_vers_le_rouge_cosmologique_et_conservation_de_l.27.C3.A9nergie

Intéressant comme discussion, mais je crois que le capteur n'a pas vraiment d'influence sur les lois de l'univers, la loi de conservation de l'énergie chère à la physique n'est valable que localement (l'interaction avec le capteur correspond donc à ce cas de figure). Le problème c'est que la longueur d'onde (une distance !) qui dicte quelle sera l'énergie du photo (E=hv) peut varier puisque les distances ne sont plus constantes mais c'est juste un changement d’échelle dans l'univers comme on le ferait sur un tracé sur une feuille de papier dont on agrandi l’échelle, le tracé reste le même (conservation locale de ses propriétés dont la tangente) mais vu depuis le tracé d'origine (notre référentiel) les longueurs ne sont plus les mêmes.

Bonjour,

 

Peux tu me donner ta source pour cette distance,merci,çà me parait un peu

énorme non?.

 

Jean-Pierre

La relation distance - z, c'est ça :

z=0.5, ça fait à peu près 5 milliards d'AL. Et 9 milliards, ça nous donne un z de 1,5.

la loi de conservation de l'énergie chère à la physique n'est valable que localement

Un autre exemple, un photon émis à la surface des étoiles voit sa fréquence diminuée quand il arrive sur nos capteurs du fait du champ gravitationnel à la surface de l'étoile. Le photon aurait perdu de l'énergie ? Mais alors qu'est-elle devenue ?

Si maintenant on envoie, de chez nous, un photon sur la surface de l'étoile il sera absorbé avec une fréquence (et donc une énergie) plus élevée que celle à laquelle nous l'avons émis. D'où provient ce surcroît d'énergie ?

Si maintenant on place un miroir à la surface de l'étoile (un peu difficile, j'en conviens, c'est une expérience de pensée ) le photon va nous revenir après son aller-retour à la même fréquence que celle à laquelle nous l'avons émis à la seule condition que notre distance avec l'étoile ne varie pas. Y a donc plus de mystère ...

Bonjour,

 

Peux tu me donner ta source pour cette distance,merci,çà me parait un peu

énorme non?.

 

Jean-Pierre

Ma source est un tableau en annexe du livre de F.Combes "Mystères de la formation des galaxies".

La relation distance - z, c'est ça :

z=0.5, ça fait à peu près 5 milliards d'AL. Et 9 milliards, ça nous donne un z de 1,5.

 

Le tableau de F.Combes donne 5.13 milliards d'années de remontée dans le temps, mais 9 milliards d'AL de distance-luminosité, pour z=0.5.

Je peux me tromper mais j'imagine que c'est l'effet d'expansion : La lumière émise il y a 5 milliards d'années correspond à un objet maintenant situé à 9 milliards d'AL. Eric, j'ai bon ?

La relation distance - z, c'est ça :

z=0.5, ça fait à peu près 5 milliards d'AL. Et 9 milliards, ça nous donne un z de 1,5.

Merci Eric,c'est déjà moins que ce qu'avait écrit Smith.

Jean-Pierre

C'est bien pour cela que j'ai pris un exemple où le photon était absorbé dans le repère qui l'avait émis. Ceci dit la conservation de la masse, énergie et impulsion est à la base de toute physique, faut peut-être pas s'assoir dessus trop rapidement ...

 

Un autre exemple, un photon émis à la surface des étoiles voit sa fréquence diminuée quand il arrive sur nos capteurs du fait du champ gravitationnel à la surface de l'étoile. Le photon aurait perdu de l'énergie ? Mais alors qu'est-elle devenue ?

 

Si maintenant on envoie, de chez nous, un photon sur la surface de l'étoile il sera absorbé avec une fréquence (et donc une énergie) plus élevée que celle à laquelle nous l'avons émis. D'où provient ce surcroît d'énergie ?

 

Si maintenant on place un miroir à la surface de l'étoile (un peu difficile, j'en conviens, c'est une expérience de pensée ) le photon va nous revenir après son aller-retour à la même fréquence que celle à laquelle nous l'avons émis à la seule condition que notre distance avec l'étoile ne varie pas. Y a donc plus de mystère ...

Oui je vois de quoi tu parles, le photon a sa propre énergie (lumineuse hv) et en plus une certaines énergie potentielle liée à la gravitation du fait de l'influence de l'astre massif (une étoile), l'addition des deux est constante mais à l'approche de l'astre massif l’énergie potentielle est convertie en énergie lumineuse et inversement mais la somme des deux ne varie pas principe de conservation oblige... mais alors en quoi cela explique le redshift des photons émis à de grande distance ???

mais alors en quoi cela explique le redshift des photons émis à de grande distance ??

Ma source est un tableau en annexe du livre de F.Combes "Mystères de la formation des galaxies".

 

Le tableau de F.Combes donne 5.13 milliards d'années de remontée dans le temps, mais 9 milliards d'AL de distance-luminosité, pour z=0.5.

 

Je peux me tromper mais j'imagine que c'est l'effet d'expansion : La lumière émise il y a 5 milliards d'années correspond à un objet maintenant situé à 9 milliards d'AL. Eric, j'ai bon ?

Oui, c'est ça, exact (on parle de distance comobile); j'ai trouvé un graphe plus détaillé que le mien, avec les 4 types de distances :

http://www.atlasoftheuniverse.com/

Distance de luminosité (DL): exprime la distance d’un objet en analysant la luminosité.

Distance angulaire (DA): exprime la distance d’un objet au moment où sa lumière a été émise.

Distance Comobile (DC): exprime la distance actuelle d’un objet.

Distance propre de propagation des photons (DT): exprime le temps mis par la lumière pour nous atteindre.

Bonjour,

Merci Eric,c'est déjà moins que ce qu'avait écrit Smith.

 

Jean-Pierre

Il faut faire attention à ce qu'on appelle distance. L'expansion de l'univers fait que la notion de distance entre 2 objets A et B n'est pas définie de manière unique.

- Le temps mis par la lumière pour aller du point A au point B permet de définir une distance (c'est la distance que l'on utilise communément quand on dit qu'un objet se situe à x années-lumière de la Terre)

- La distance comobile, c'est à dire la distance qui sépare à un instant donné deux objets, est une autre définition.

- On peut aussi mesurer une distance de luminosité qui est déduite du flux de photon reçu. Cette mesure de distance est affectée par l'expansion de l'univers qui fait qu'un objet très lointain brille beaucoup moins dans un univers en expansion que dans un univers statique. C'est cette distance que l'on utilise quand on mesure es supernovae Ia.

- La taille angulaire d'un objet fourni également une mesure de la distance. Quand on observe une galaxie très lointaine, on perçoit sa dimension angulaire telle qu'elle était au moment où elle a émis les photons que nous recevons.

- Enfin le décalage vers le rouge fourni aussi une autre mesure de la distance.

C'est en comparant les diverses distances mesurées pour des objets donnés que l'on détermine les paramètres cosmologiques.

Pour avoir une idée des ordres de grandeur, on peut utiliser le "calculateur cosmologique" : http://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html

Par exemple, pour un objet situé à z=0.5, la lumière a mis 5 milliards d'AL a nous parvenir, la distance comobile est de 6.1 milliards d'AL, la distance de "dimension angulaire" est de 4.1 milliards d'AL et la distance de luminosité est de 9.2 milliards d'AL.

Dominique