Univers Observable et expansion de l'univers

[Egill]

Il est assez aisé de comprendre, quand on a intégré que la vitesse de la lumière est constante et indépassable, que notre univers observable soit fini puisque l'univers est "apparu" (à priori, selon la relativité générale) il y a 13,8 milliards d'années. La lumière des objets qui se trouve au-delà n'a donc pas eu le temps de nous parvenir.  Du coup notre univers observable est censé (c'est là dessus que je veux revenir) faire 13,8 milliards d'années lumière de rayon. Et on peut donc imaginer que cet univers observable, délimité par le fond diffus cosmologique qui représente la première émission de lumière ayant eu lieu dans l'univers, va "s'agrandir" que sa limite va reculer, à mesure que le temps va passer et que la lumière qui ne nous était pas encore parvenue va arriver.

 

Jusque là tout va bien (enfin c'est déjà vertigineux, mais c'est compréhensible).

 

 Mais avec l'idée que l'univers est en expansion, ça me fait des nœuds au cerveau (pas que ça mais ça aussi).

 

J'ai lu (et vu, et entendu) récemment (c'était auparavant quelque chose que je n'avais pas pris en compte) que l'univers observable s'étendait en fait sur une sphère de 46 milliards d'années lumière de rayon.... Car les galaxies les plus lointaines que l'on observe ont certes émis leur lumière alors qu'elles étaient à 13,8 milliards d'années lumière, mais seraient donc aujourd'hui à environ 46 milliards d'années lumière de nous du fait de l'expansion de l'univers.

 

Mais là, ça devient vraiment bizarre... déjà cette différence de distance énorme entre le point d'émission de la lumière et le moment où on l'observe est supérieur aux 13,8 milliards d'années qu'elle a mis à nous parvenir depuis l'origine de l'univers.... Cela veut-il donc dire que cette expansion de l'univers est bien plus rapide que la lumière à cette échelle? (et là glups.... j'ai bien compris que l'expansion de l'univers était une dilatation de l'espace temps en tous points de l'univers et que du coup, comme la gravité, elle n'est pas soumise à cette limite de la vitesse de la lumière... mais glups quand même). Ai-je bien compris si je dis que cette vitesse d'expansion est due au fait que l'univers se dilate en tous points de l'univers et donc que plus la distance est grande entre deux objets, plus ces deux objets sont repoussés loin l'un de l'autre? 

 

Et en plus il parait que ça s'accélère....

 

Ai-je bien compris ces aspects que je viens de citer? Si non, on peut fermer, à moins qu'une bonne âme soit prête à m'éclairer.

 

Si oui.... là c'est la foire aux questions.

 

Cela veut-il dire que notre univers observable, plutôt que de s'agrandir, se réduit en fait? (puisque l'expansion à cette échelle va plus vite que la lumière, les rayons lumineux ne pourraient jamais nous parvenir, et ceux des galaxies lointaines finir par ne plus nous arriver)? Les galaxies les plus lointaines que nous observons vont-elles donc "s'éteindre" pour nous?

 

Comment se fait-il que malgré tout nous percevons les galaxies situées au moment de l'émission de leur lumière à 13,8 milliards d'années lumière alors que l'expansion de l'univers a lieu également entre les rayons lumineux et nous et devrait donc empêcher ces rayons lumineux de nous parvenir (puisque la distance à parcourir s'agrandit en permanence... la lumière à ces échelles n'est-elle pas sur une sorte de tapis roulant inversé?). Il y a le "décalage vers le rouge" des galaxies les plus lointaines, mais comment se fait-il que ces rayons lumineux continuent à nous parvenir alors que l'expansion de l'univers est plus rapide? Pourquoi est-ce la longueur d'onde de la lumière qui est étirée, et pas la distance que doit parcourir cette lumière?

 

Du coup, vu la vitesse de l'expansion de l'univers, comment cela se passe-t-il à petite échelle? La gravité "compense" cette expansion et maintient la cohérence des galaxie? Et au niveau des atomes que se passe-t-il? Les forces comme la gravitation, les forces atomiques fortes et faibles et l’électromagnétisme compense-t-elle cette expansion?

 

Si l'on prend en compte cette expansion, et que l'on remonte le temps, on arrive donc au Big Bang ou peu après... Donc l'univers était bien moins étendu qu'aujourd'hui... donc toute la lumière qui a été émise à ce moment là n'avait pas du tout les mêmes distances à parcourir.... Pourquoi du coup cette barrière des 13,8 milliards d'années lumière? Pourquoi la lumière émise par les objets qui sont au-delà mais qui étaient autrefois dans un univers bien plus compact ne nous parviens pas? 

 

 

En reformulant: pourquoi voyons-nous l'origine ne notre univers (ou quelques instants après) à 13,8 Milliards d'années lumière... parce que ça a eu lieu il y a 13,8 milliards d'années? Mais comme l'univers est en expansion, comment se fait-il que cette correspondance puisse être constatée ? 

 

Autre façon de poser la question: ne dit-on pas que quelques instants après le big bang, celui-ci tenait dans une tête d'épingle?.... imaginons que quelques instants après, sous l'effet de l'expansion, l'univers faisait une taille toujours si petite qu'elle permette à un observateur éventuel d'en voir l'ensemble : à ce moment l'univers observable= l'univers dans son entier.... certains éléments ont donc "disparu" de l'univers observable? a partir de quand?  Y a-t-il un horizon à partir duquel on cesse de voir certains objets parce que les distances deviennent telles que leur lumière n'a plus le temps de nous parvenir?

 

Pour ces dernières questions, qui sont très naïves j'en ai conscience, je me doute que je suis à côté de la plaque. Il y a quelque chose dans le rapport espace/temps que je dois mal faire entrer dans mes réflexions. Mais c'est souvent en décortiquant des réflexions sous forme de question que j'arrive à avancer.... 

 

En tous cas si quelqu'un peut m'éclairer, merci beaucoup.

 

 

 

Modifié 5 décembre 2018 par Egill

['Bruno]

Il y a une erreur importante dans ton raisonnement : l'expansion ne se fait pas à une certaine vitesse, mais à un certain taux (7% par milliard d'années). Ça ne peut pas être une vitesse car les objets proches de nous s'éloignent très lentement, alors que les objets lointains s'éloignent très rapidement.

 

On peut dire que :

− l'univers se dilate (de sorte que toutes les distances augmentent de 7 % par milliard d'années) ;

− l'univers observable se dilate (sa frontière recule d'une année-lumière par an − c'est logique !). (Tiens, ça représente aussi 7 % par milliard d'années...)

 

Après, je trouve trompeur d'appeler « univers observable » la portion présente de l'univers observable. D'ailleurs je crois que les professionnels ne font pas cette confusion.

 

Bref, je te suggère de recommencer ta réflexion en bannissant l'idée (qui n'a pas de sens) que l'expansion se fait à une certaine vitesse. J'ai l'impression qu'alors tes question ne seront plus du tout les mêmes.

 

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Il y a 1 heure, Egill a dit :

Autre façon de poser la question: ne dit-on pas que quelques instants après le big bang, celui-ci tenait dans une tête d'épingle?.... imaginons que quelques instants après, sous l'effet de l'expansion, l'univers faisait une taille toujours si petite qu'elle permette à un observateur éventuel d'en voir l'ensemble : à ce moment l'univers observable= l'univers dans son entier.... certains éléments ont donc "disparu" de l'univers observable? a partir de quand?  Y a-t-il un horizon à partir duquel on cesse de voir certains objets parce que les distances deviennent telles que leur lumière n'a plus le temps de nous parvenir?

 

Ça, se sont de bonnes questions !

 

Si aujourd'hui l'univers est infini (rien ne permet d'exclure cette hypothèse), alors il a toujours été infini, y compris quelques instants après le « big bang », y compris à l'âge de Planck. Étonnant, non ? (Je peux l'expliquer sur un dessin, ça va être dur avec juste des phrases...)

 

Quand l'univers était tout petit, c'était aussi le cas de l'univers observable. Ce dernier pouvait-il englober tout l'univers ? Il me semble que cette question est une des questions qui ont beaucoup embêté les théoriciens (le « problème des horizons ») avant qu'elle ne soit balayée par la théorie de l'inflation (avec l'inflation, l'univers observable est toujours beaucoup plus petit que l'univers entier, même aux tous premiers instants de l'univers).

 

 

[Egill]

 

 

Merci beaucoup pour cette réponse.

Citation

Il y a une erreur importante dans ton raisonnement : l'expansion ne se fait pas à une certaine vitesse, mais à un certain taux (7% par milliard d'années). Ça ne peut pas être une vitesse car les objets proches de nous s'éloignent très lentement, alors que les objets lointains s'éloignent très rapidement.

 

C'est plus ou moins ce que je voulais dire par "Ai-je bien compris si je dis que cette vitesse d'expansion est due au fait que l'univers se dilate en tous points de l'univers et donc que plus la distance est grande entre deux objets, plus ces deux objets sont repoussés loin l'un de l'autre? " mais en effet en prenant comme base une idée de vitesse.

 

Du coup sur une petite distance, les objets s'éloignent lentement... et "lentement" ou "rapidement", ce sont déjà des notions de vitesse... du coup que cette vitesse d'expansion ne soit pas constante et varie selon la distance, d'accord, mais on constate tout de même un éloignement: deux objets se retrouvent éloignés les uns des autres au bout d'un certain temps: n'est-ce pas un mouvement auquel on peut donner une "vitesse" (j'essaye de m'imaginer comment on peut concevoir cela sans notion de vitesse et c'est pas facile....).

 

Mais on peut lire ici et là que l'expansion de l'univers "dépasse la vitesse de la lumière", du coup c'est assez trompeur (certains de ces articles me paraissaient fiables... après il ne s'agit peut-être que d'une facilité de langage).

 

Mais l'essentiel de mes questions ont traits aux objets les plus lointains: même si c'est un taux, cela veut dire que les distances à parcourir pour la lumière sont plus grandes qu'avant.

 

Du coup, "à chaud" (il faut que je prenne le temps d'y repenser plus longuement), je n'ai pas l'impression que ces questions soient résolues ou perdent totalement leur sens:

 

"Comment se fait-il que malgré tout nous percevons les galaxies situées au moment de l'émission de leur lumière à 13,8 milliards d'années lumière alors que l'expansion de l'univers a lieu également entre les rayons lumineux et nous et devrait donc empêcher ces rayons lumineux de nous parvenir (puisque la distance à parcourir s'agrandit en permanence... la lumière à ces échelles n'est-elle pas sur une sorte de tapis roulant inversé?). Il y a le "décalage vers le rouge" des galaxies les plus lointaines, mais comment se fait-il que ces rayons lumineux continuent à nous parvenir alors que les distances s'allongent? Pourquoi est-ce la longueur d'onde de la lumière qui est étirée, et pas la distance que doit parcourir cette lumière?"

 

Même si je comprend bien que cette expansion de l'univers ne remonte pas le temps! on ne verra jamais les galaxies "naître à l'envers". Du coup, ok, les rayons lumineux émis il y a 13,8 M d'années nous parviennent, mais cela ne devrait-il pas s'arrêter à un moment parce que les objets qui les ont émis sont trop loin?

 

Citation

 

− l'univers se dilate (de sorte que toutes les distances augmentent de 7 % par milliard d'années) ;

 

 

 

 

 

Donc dans un milliard d'année (admettons), nous pourrons "voir" jusqu'à 14,8 milliards d'années lumières.

 

 

Mais si actuellement une galaxie est à 13,7 (edit: milliards bien entendu) années lumière, dans 1 milliard d'années, elle serait à 14.66 M d'années lumière du fait de l'expansion (+7% de sa distance actuelle)? Donc toujours visible... Après, quid de l'accélération de l'expansion (car je suppose que sur 1 milliard d'année, ce taux de 7% n'est plus valable?)

 

Parce qu'avec les 7% (c'est cela la constante de Hubble?), je ne trouve pas  les 46 M d'années lumières dont on parle pour l'univers observable présent. Du coup est-ce parce que l'expansion de l'univers était plus rapide autrefois (je crois savoir qu'elle a été très "brutale" dans les moments qui ont suivi le Big Bang). Dans ce cas pourquoi dit-on que cette expansion accélère?

 

si on suit cette logique cela veut également dire que nous verrons toujours cette galaxie telle qu'elle était à son origine puisqu'elle est de plus en plus éloignée à mesure que les limites de l'univers observable recule...

 

Je m'explique: dans 2,2 millions d'années, nous verrons (enfin nos lointains descendants s'ils existent) Andromède telle qu'elle était au XXIème siècle... nous la verrons donc 2,2 millions d'année plus "vieille" que nous ne la voyons aujourd'hui.

 

Mais pour ces galaxies lointaines, pour reprendre mon exemple de "dans 1 milliard d'années": nous ne verrions pas cette galaxie située à 13,7 M d'AL (je passe aux abréviations, vous me pardonnerez) plus vieille d'1 milliard d'années.... puisque les distances auront augmentées avec l'expansion de l'univers et que du coup elle ne situera plus à 13,7 M AL mais à 14.66 M d'AL....

 

Décidément, cette histoire d'expansion de l'univers associée à cet univers observable me pose problème...

 

Bref, faut que j'y reréfléchisse en effet.

 

 

 

Citation

Si aujourd'hui l'univers est infini (rien ne permet d'exclure cette hypothèse), alors il a toujours été infini, y compris quelques instants après le « big bang », y compris à l'âge de Planck. Étonnant, non ? (Je peux l'expliquer sur un dessin, ça va être dur avec juste des phrases...)

 

Plutôt oui.... pas évident à se représenter.... 

 

Du coup toute la matière contenue dans l'univers aurait été colossalement plus denses, mais dans un espace infini? 

 

Du coup, l'histoire de la tête d'épingle serait plus une image pour donner une idée de sa densité plus que de sa taille?

 

Citation

Quand l'univers était tout petit, c'était aussi le cas de l'univers observable. 

 

comment peut-on dire qu'il est tout petit dans le cas où il serait infini? 

 

Et si il était petit, la vitesse de la lumière n'était-elle pas la même? Du coup pourquoi l'univers observable était-il limité si les objets étaient beaucoup plus proches les uns des autres? Sauf si on parle de densités plus que de distances.

 

En effet, si l'univers est infini, on peut imaginer que la matière l'est également et donc que ça ne pose pas de problèmes pour qu'elle soit plus ou moins dense même dans un univers de taille infinie... C'est l'histoire de l'hôtel qui a un nombre infini de chambres (exemple que j'avais vu pour expliquer la notion d'infini en math.... ne pose-t-elle pas problème d'ailleurs cette notion?).

 

Il n'empêche que ça reste extrêmement difficile à concevoir.

 

Imaginer que l'univers était infini au moment de son apparition (ou de son rebond, ou quoi que ce soit d'autre), c'est tout de même assez dingue! 

Modifié 5 décembre 2018 par Egill

['Bruno]

Il y a 1 heure, Egill a dit :

n'est-ce pas un mouvement auquel on peut donner une "vitesse"

 

Oui, mais c'est la vitesse d'un objet par rapport à un autre, pas une « vitesse d'expansion ».

 

Il y a 1 heure, Egill a dit :

Mais l'essentiel de mes questions ont traits aux objets les plus lointains: même si c'est un taux, cela veut dire que les distances à parcourir pour la lumière sont plus grandes qu'avant.

 

OK, si on compare deux endroits extrêmement éloignés, la distance peut croître en effet plus vite que la lumière. Si tu aimes bien les lectures techniques, il y a cet article qui parle de ces questions : https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf , notamment dans les paragraphes 2 et 3. (Je l'ai lu il y a quelques années, j'en ai bavé... et depuis j'ai oublié l'essentiel donc je ne pourrais pas le résumer − d'autant que c'est probablement déjà un résumé.)

 

Pour comprendre cet article, il peut être utile de lire ceci : http://www-cosmosaf.iap.fr/Wright.htm et http://atunivers.free.fr/universe/redshift.html (c'est en français cette fois).

 

Il y a 1 heure, Egill a dit :

comment peut-on dire qu'il est tout petit dans le cas où il serait infini? 

 

Et si il était petit, la vitesse de la lumière n'était-elle pas la même? Du coup pourquoi l'univers observable était-il limité si les objets étaient beaucoup plus proches les uns des autres? Sauf si on parle de densités plus que de distances.

 

« petit » dans le sens où n'importe quelle région de l'espace actuelle était alors concentrée dans une toute petite région. De plus cette phrase ouvrait un nouveau paragraphe et ne faisait plus l'hypothèse de l'univers infini. Quand l'univers était tout petit, il était tout jeune. Par exemple quand l'univers n'était âgé que de 1 million d'années, eh bien l'univers observable ne faisait que 1 millions d'années-lumières de rayon. Mais l'univers pouvait déjà être plus vaste que ça (surtout s'il était infini).

[jpch84]

Imaginons le temps H = big bang

Imaginons H +1 milliard d'années  la Voie lactée existait déjà, ainsi qu'une galaxie G qui se trouvait à 0,9 Mlds années de distance

S'il n'y avait pas d'expansion, très simple, sa lumière aurait mis 0,9 Mlds d'années pour nous parvenir, on l'aurait vu à H + 1,9Mlds

Mais il y a un taux d'expansion de 7%, la galaxie qui se trouvait à H+1 Milliards d'année à 0,9 milliards de distance s'est donc éloignée à cause de l'expansion, aujourd’hui elle se trouve à 13,8 Milliards de distances, et sa lumière vient juste de nous parvenir en 2018.

 

Chaque année qui passe l'univers observable s'agrandit de 1 année en distance d'aujourd'hui.  Mais pas en distance du passé qui était forcément beaucoup plus courte.

 

PS/  raisonnement non garanti, c'était juste une tentative.

 

 

['Bruno]

Si on veut être précis, il s'agrandit de 1 année-lumière en distance luminique (il y a trois types de distances : http://atunivers.free.fr/universe/redshift.html ) Si ce que tu appelles « distance d'aujourd'hui » est la distance comobile, je crois que tu te trompes.

 

(Dans un univers âgé de 15 milliards d'années, l'univers observable fait 15 milliards d'années-lumières de rayon en distance luminique, mais 45 milliards d'années-lumières (ou quelque chose comme ça) en distance comobile. La première distance est définie en fonction du parcours de la lumière, c'est une distance dans l'espace-temps ; la seconde est la distance des astres au présent, c'est une distance dans l'espace présent.)

 

 

[jpch84]

Il est clair que je me fait moi aussi des nœuds au cerveau.

La question que je me pose, que verront les astronomes, avec les mêmes instruments, dans 1 milliard d'années ?

Qu'auraient t'il vu il y a 1 milliards d'années ?

Le même nombres de galaxies, plus, moins ?

 

 

 

[Egill]

Citation

La question que je me pose, que verront les astronomes, avec les mêmes instruments, dans 1 milliard d'années ?

 

a priori les galaxies qui se trouvent entre 13,8 M d'années et 14,8M d'années "apparaîtront".

 

Sauf que, c'est l'objet initial de mon message:

 

Citation

OK, si on compare deux endroits extrêmement éloignés, la distance peut croître en effet plus vite que la lumière. 

 

Comment se fait-il alors, cette expansion s'étant faite pendant que la lumière accomplissait son périple de 13 milliards d'années, que ladite lumière puisse nous parvenir... sachant que la galaxie qui l'a émise s'est "éloigné" (j'ai bien compris qu'elle n'avait pas bougé mais que c'est l'espace entre qui s'est dillaté), que la distance qui nous en sépare a cru plus vite que ladite lumière (d'où mon image de tapis roulant à l'envers).

 

une fois qu'elle nous est parvenu ok. L'espace temps se dilate sur le chemin du "faisceau" de lumière et allonge la longueur d'onde d'où le décalage dans le rouge... Mais alors qu'elle est "en chemin" comme pour les galaxies situées à 13,81 milliards d'années et qui nous parviendra donc dans une dizaine de millions d'années, comment est-il possible qu'elle nous parvienne puisque la distance qui nous en sépare n'a eu de cesse de grandir durant ce long périple....

 

Il faut que je prenne le temps de lire les articles que tu mets en lien, merci beaucoup d'ailleurs.

Modifié 6 décembre 2018 par Egill