Quand nous regardons l'Univers lointain, nous voyons des galaxies partout - dans toutes les directions, à des millions et même des milliards d'années-lumière. Puisqu'il y a deux billions de galaxies que nous pourrions observer, la somme de tout ce qui se trouve derrière elles est plus grande et plus fraîche que nos imaginations les plus folles. L'un des faits les plus intéressants est que toutes les galaxies que nous ayons jamais observées obéissent (en moyenne) aux mêmes règles: plus elles sont éloignées de nous, plus vite elles s'éloignent de nous. Cette découverte, faite par Edwin Hubble et ses collègues dans les années 1920, nous a conduit à une image d'un univers en expansion. Mais que se passe-t-il s'il se développe? La science le sait, et maintenant vous le saurez.
Plus nous regardons loin, plus nous regardons dans le temps, en voyant l'Univers encore sous-développé. Mais - seulement si la relativité générale est appliquée à un univers en expansion
Dans quel (où) l'Univers s'étend-il?
À première vue, cette question peut sembler saine. Parce que tout ce qui se développe est généralement composé de matière et existe dans l'espace et le temps de l'univers. Mais l'Univers lui-même est un espace et un temps qui contiennent de la matière et de l'énergie en soi. Lorsque nous disons que «l'univers est en expansion», nous entendons l'expansion de l'espace lui-même, à la suite de laquelle les galaxies individuelles et les amas de galaxies s'éloignent les uns des autres. Le moyen le plus simple serait d'imaginer une boule de pâte avec des raisins secs à l'intérieur, qui est cuite au four, explique Ethan Siegel.
Un modèle d'un «chignon» en expansion de l'Univers, dans lequel les distances relatives augmentent à mesure que l'espace se développe
Cette pâte est le tissu de l'espace, et les points forts sont des structures connexes (comme des galaxies ou des amas de galaxies). Du point de vue de tout raisin sec, tous les autres raisins s'en éloigneront, et plus ils seront éloignés, plus vite. Seulement dans le cas de l'Univers, il n'y a pas de four et d'air à l'extérieur de la pâte, il n'y a que de la pâte (espace) et des raisins secs (substance).
Redshift est créé non seulement par des galaxies en recul, mais plutôt par l'espace entre nous
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Comment savons-nous que cet espace est en expansion et que les galaxies ne reculent pas?
Si vous voyez des objets s'éloigner de vous dans toutes les directions, il n'y a qu'une seule raison qui peut l'expliquer: l'espace entre vous et ces objets se dilate. Vous pouvez également supposer que vous êtes près du centre de l'explosion et que de nombreux objets sont simplement plus éloignés et retirés plus rapidement, car ils ont reçu plus d'énergie d'explosion. Si tel était le cas, nous pourrions le prouver de deux manières:
- À grande distance et à grande vitesse, il y aura moins de galaxies, car avec le temps elles se répandraient fortement dans l'espace;
- Le rapport du décalage vers le rouge et de la distance prendra une forme spécifique à de grandes distances, qui différera de la forme si le tissu de l'espace se dilatait;
Lorsque nous regardons de grandes distances, nous constatons que plus dans l'univers, la densité des galaxies est plus élevée que plus proche de nous. Cela est cohérent avec une image dans laquelle l'espace est en expansion, car regarder plus loin revient à regarder dans le passé où il y avait moins d'expansion. Nous constatons également que les galaxies éloignées ont un rapport de décalage vers le rouge et de distance correspondant à 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 développé au même rythme?
Nous l'appelons la constante de Hubble, mais elle n'est constante que dans l'espace, pas dans le temps. L'univers se développe actuellement plus lentement que par le passé. Quand on parle de taux d'expansion, on parle de vitesse par unité de distance: environ 70 km / s / Mpc aujourd'hui. (Mpc est un mégaparsec, environ 3 260 000 années-lumière). Mais le taux d'expansion dépend de la densité de toutes les différentes choses de l'univers, y compris la matière et le rayonnement. Au fur et à mesure que l'Univers se développe, la matière et les radiations deviennent moins denses et, parallèlement à une diminution de la densité, le taux d'expansion diminue également. L'univers s'est développé plus rapidement dans le passé et a ralenti depuis le Big Bang. La constante de Hubble est un abus de langage, elle devrait être appelée le paramètre Hubble.
Les destins lointains de l'univers offrent différentes possibilités, mais si l'énergie noire est vraiment constante, comme le montrent 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 perplexes sur cette question, et il n'est possible d'y 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. Sur la base des lois de la physique et de ce qui s'est passé dans le passé, il semble que l'univers s'étendra pour toujours. Bien que la probabilité 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 révisées.
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 éloigné s'agrandit. Plus il est loin de nous, plus vite il nous semble, il s'éloigne. Même si le taux d'expansion était minime, un objet éloigné franchirait un jour le seuil de toute vitesse limite, car le taux d'expansion (vitesse par unité de distance) se multiplierait plusieurs fois sur une distance suffisante. GRT approuve ce scénario. La loi selon laquelle rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière ne s'applique qu'au mouvement d'un objet à travers l'espace, pas à l'expansion de l'espace lui-même. En réalité, les galaxies elles-mêmes se déplacent à une vitesse 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 cause la récession et le redshift, pas le vrai mouvement de la galaxie.
Dans l'univers observable (cercle jaune), il y a environ 2 trillions de galaxies. Les galaxies qui sont plus proches d'un tiers de la route de cette frontière, nous ne pourrons jamais les rattraper 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 rétrécit à nouveau, soit la gravité perd et gagne en expansion. Il n'y a pas de centre d'expansion et il n'y a rien en dehors de l'espace qui s'agrandit; c'est le tissu même de l'univers qui se développe. Plus intéressant encore, même si nous quittions la Terre à la vitesse de la lumière aujourd'hui, nous pourrions visiter seulement 3% des galaxies dans l'univers observable; 97% d'entre eux sont déjà hors de notre portée. L'univers est complexe.
Ilya Khel
