Vous pouvez souvent entendre des déclarations d'astrophysiciens et de cosmologues selon lesquelles des régions extrêmement éloignées de l'Univers s'éloignent de nous plus rapidement que la vitesse de la lumière. Mais qu'est-ce que cela signifie exactement? Signifient-ils qu'il y a des objets dans l'univers qui peuvent dépasser l'une des valeurs les plus fondamentales.
La loi la plus fondamentale de la relativité restreinte à un moment donné a conduit Einstein à la réalisation de l'idée la plus révolutionnaire en physique - que rien ne peut bouger plus vite que la lumière. Les particules sans masse dans un vide se déplacent à la vitesse de la lumière, tandis que tout le reste - une particule avec une masse quelque part ou une particule sans masse dans un milieu - se déplacera toujours plus lentement que la vitesse de la lumière. Mais quand il s'agit de l'expansion de l'Univers, on pense souvent que cela se produit plus rapidement que la vitesse de la lumière. Essayons de savoir si c'est le cas.
L'univers tel que nous le voyons aujourd'hui existe depuis environ 13,8 milliards d'années depuis le chaud Big Bang. Mais si vous demandez jusqu'où nous pouvons regarder dans n'importe quelle direction, la réponse n'est pas 13,8 milliards d'années-lumière, mais bien plus. Si vous y réfléchissez, vous pouvez imaginer une distance deux fois plus grande: si un objet émettant de la lumière était à 13,8 milliards d'années-lumière de «nous» il y a 13,8 milliards d'années, alors il émettait très probablement de la lumière, s'éloignant de nous - peut-être même à une vitesse proche de la lumière. Si un objet brillant existait depuis si longtemps et s'éloignait constamment de nous à une vitesse de 299 792 kilomètres par seconde, sa lumière ne nous atteindrait que maintenant, bien que l'objet lui-même soit déjà à 27,6 milliards d'années de nous. Tout cela semble raisonnable, mais cela peut nous conduire à l'hypothèse moins bonne que l'espace lui-même est statique.
L'espace dans lequel nous vivons n'est pas statique - il s'agrandit. De plus, nous pouvons mesurer le taux d'expansion actuel tel qu'il était dans un passé lointain et tel qu'il était à toutes les époques «intermédiaires». Il s'avère que la lumière d'un objet qui n'était qu'à 168 mètres de nous au moment du Big Bang (d'accord, 10-33 secondes après le Big Bang) ne nous atteindrait qu'aujourd'hui, 13,8 milliards d'années plus tard, après un voyage incroyable et un degré d'étirement irréel, et l'objet lui-même serait maintenant à 46,1 milliards d'années de nous.
Evolution de l'Univers à partir du moment du Big Bang, selon le modèle cosmologique standard.
«Aha! vous vous exclamez. "L'espace s'est donc développé plus vite que la vitesse de la lumière!"
N'est-ce pas? Juste pour que quelque chose se déplace plus vite que la lumière, il doit avoir une vitesse: quelque chose qui peut être mesuré, par exemple, des kilomètres par seconde. Mais ce n'est pas ainsi que l'univers se développe.
Au contraire, il se dilate à une vitesse par unité de distance. Ceci est généralement mesuré en kilomètres par seconde par mégaparsec, où un mégaparsec équivaut à environ 3,26 millions d'années-lumière. Si la vitesse d'expansion est de 70 km / s / Mpc, cela signifie qu'en moyenne, un objet situé à 10 Mpc de nous s'éloigne à une vitesse de 700 km / s de notre point de vue, à 200 Mpc - 14000 km / s, et à Dans le cas d'un objet de 5000 Mpc, il nous semblera qu'il s'éloigne à une vitesse de 350 mille km / s.
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Cependant, en résulte-t-il que certains objets se déplacent plus vite que la lumière? Revenons à la probabilité spéciale d'Einstein et réfléchissons à ce que nous voulons dire quand nous disons que rien ne peut voyager plus vite que la lumière. Cela signifie que si vous avez deux objets dans le même événement d'espace-temps - occupant le même espace en même temps - alors ils ne peuvent pas se déplacer l'un par rapport à l'autre plus rapidement que la vitesse de la lumière. Même si l'un d'eux se déplace vers le nord à 99% de la vitesse de la lumière, et l'autre se déplace à la même vitesse vers le sud, leur vitesse ne sera pas de 198% de la vitesse de la lumière l'un par rapport à l'autre, mais sera égale à 99,995% de la vitesse de la lumière. Quelle que soit la vitesse à laquelle chacun d'eux se déplace, ils ne dépasseront jamais la vitesse de la lumière l'un par rapport à l'autre.
L'univers observable peut être de 46 milliards d'années-lumière dans toutes les directions de notre point de vue, mais il y a certainement des régions en dehors de celui-ci que nous ne pouvons pas observer. 46 milliards d'années-lumière n'est que la limite de notre observation.
C'est pourquoi on l'appelle relativité: elle mesure le mouvement relatif entre deux objets au même point dans l'espace et dans le temps. Mais ce type de relativité - la relativité spéciale - définit les règles dans votre domaine de l'espace non en expansion. La relativité générale ajoute une autre couche à cela: le fait que l'espace lui-même est en expansion. En mesurant la quantité de matière ordinaire, de matière noire, d'énergie noire, de neutrinos, de rayonnement et d'autres choses dans l'univers d'aujourd'hui, ainsi que la façon dont la lumière qui nous parvient à différentes distances de l'univers est déplacée vers le spectre rouge en raison de l'expansion, nous pouvons recréer la taille était l'univers à tout moment dans le passé.
Lorsque l'univers avait environ 10 mille ans, sa portion observable était déjà de 10 millions d'années-lumière de diamètre. Quand elle n'avait qu'un an, l'univers observable faisait 100 000 années-lumière. Quand elle n'avait qu'une seconde, elle avait déjà 10 années-lumière de diamètre. Oui, tout semble se développer plus vite que la lumière. Mais à aucun moment, aucune particule ne s'est déplacée plus vite que la lumière par rapport à une autre particule avec laquelle elle interagissait.
Plus la galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne vite de nous et plus sa lumière se déplace vers le spectre rouge, nous obligeant à regarder des ondes toujours plus longues. Au-delà d'une certaine distance, les galaxies deviennent inaccessibles même à la vitesse de la lumière.
Au contraire, l'espace entre les particules s'est dilaté, au cours duquel la distance entre elles a augmenté, et la longueur d'onde de rayonnement dans cet espace a été étirée. Cela a duré plusieurs milliards d'années au cours de l'histoire cosmique et se poursuit aujourd'hui. Même si nous ne pouvons jamais atteindre d'objet au-delà de 15,6 milliards d'années, même si nous nous déplaçons à la vitesse de la lumière (ce qui est par définition impossible), ce n'est pas parce qu'ils s'éloignent plus vite que la lumière, mais parce que l'espace entre les différents points continue de s'étendre.
Le principal point à retenir est que l'espace ne se dilate pas à une vitesse particulière, mais plutôt à un certain rythme: à une vitesse par unité de distance. En conséquence, plus l'objet que vous regardez est éloigné, plus l'expansion affecte la distance qui vous sépare. Plus un objet est éloigné de vous, plus il apparaîtra rouge et plus vite il s'éloignera de votre point de vue. Mais est-ce plus rapide que la lumière? Pour mesurer cela, vous devez être dans la même zone. Rien ne bouge plus vite que la lumière par rapport à votre emplacement, et cela peut être dit de n'importe quel endroit de l'univers à tout moment. L'espace se dilate, mais pas plus vite que la lumière, de plus, cette expansion n'a pas de vitesse.
Vladimir Guillen
