Comment se fait-il que la taille de l'univers soit supérieure à son âge?
Nous savons que l'âge de l'Univers est de 13,8 milliards d'années, mais la taille de l'Univers observé est de 46 milliards d'années-lumière. Comment est-ce possible?
La nature exige que nous ne dépassions pas la vitesse de la lumière. Tout le reste est facultatif.
- Robert Brolt
L'une des découvertes les plus étonnantes du 20e siècle est due à l'étude d'énormes nébuleuses spirales dispersées dans le ciel nocturne.
Il est rapidement devenu évident que ces objets sont des galaxies similaires à notre Voie lactée, située à des milliers d'années-lumière de nous. De plus, la plupart d'entre eux s'éloignent de nous. Ce qui est encore plus intéressant, c'est que plus une galaxie est loin de nous, plus elle s'éloigne (en moyenne) plus vite. Quelques années plus tard, le mécanisme et la loi régissant ce phénomène ont été découverts.
Il n'y a eu aucune difficulté avec la loi: vous mesurez la vitesse de la galaxie sur la base du décalage spectral et estimez la distance à celle-ci en utilisant diverses méthodes, y compris des bougies standard. En conséquence - bien que vous ayez encore des erreurs - vous recevrez des données sur l'élimination des galaxies et sur la vitesse de leur évasion. La relation entre ces deux paramètres est connue sous le nom de loi de Hubble et elle détermine comment les galaxies distantes se déplacent par rapport à nous.Le mécanisme du phénomène survenu s'est révélé plus intéressant.
Il y a une forte tentation de supposer que la cause du phénomène observé - des objets plus éloignés s'éloignent plus rapidement - est dans une sorte d'explosion qui s'est produite dans le passé. S'il en était ainsi, les galaxies qui recevaient moins que «l'énergie d'explosion initiale» seraient plus proches les unes des autres et se sépareraient plus lentement, et les galaxies éloignées de nous recevraient plus d'énergie pour voler si vite.S'il en était ainsi, alors nous serions très proches du centre de l'explosion, et la densité des galaxies à côté de nous serait beaucoup plus élevée que loin de nous. Dans ce cas, l'espace serait statique - comme un réseau tridimensionnel fixe. Mais ce n'est pas la seule opportunité.
Il est également possible qu'au lieu de l'Univers statique issu de l'explosion, il puisse obéir à une décision de GR plus puissante: il peut s'étendre! Au lieu de commencer en raison d'une explosion catastrophique dans un univers statique, le tissu du cosmos peut s'étendre avec le temps proportionnellement à la quantité d'énergie qu'il contient.Dans ce cas, le nombre de galaxies devrait être en moyenne le même dans des volumes d'espace égaux, la vitesse d'expansion devrait augmenter dans une dépendance prévisible de la distance, l'Univers aurait dû être plus chaud dans le passé, et le groupe de galaxies aurait dû former une structure semblable à une toile dans laquelle toutes les régions de l'espace se ressemblent à peu près. à grande échelle.
Dans le cas de la première option, avec une explosion et un espace statique, et dans le cas de l'âge fini de l'Univers, nous pourrions regarder la distance à une distance déterminée par cet âge. Dans un univers statique de 5 ans, nous pouvions voir la lumière provenant d'objets situés à moins de 5 années-lumière de nous. Dans un univers statique vieux de 13,8 milliards d'années, nous pouvions voir la lumière provenant d'objets situés à moins de 13,8 milliards d'années-lumière de nous.Mais toutes nos observations réfutent cette possibilité et nous dirigent vers l'idée d'un espace en expansion dans lequel le contenu énergétique de l'Univers détermine la vitesse d'expansion et, par conséquent, la distance entre les objets et nous.
Ce qui est moins intuitif, c'est que dans un univers en expansion, nous pouvons voir plus loin que cela ne détermine son âge simple! C'est tout simplement un must. Considérez le diagramme ci-dessus, dans lequel plusieurs amas de galaxies s'éloignent les uns des autres en raison de l'expansion de l'univers. Imaginez que nous sommes dans un cluster central et observez un cluster dans le coin inférieur gauche.Lorsque la lumière quitte l'amas dans le coin inférieur gauche (à gauche), cet amas se trouve à 87 années-lumière de nous. La lumière commence son voyage vers nous, mais l'Univers s'agrandit. C'est-à-dire que l'espace entre cette grappe et la nôtre augmente, comme un morceau de pâte à cuire, du futur pain. La lumière continue de venir jusqu'à nous, mais avec une distance croissante, elle doit parcourir plus de 87 années-lumière pour nous atteindre. Mais lorsque la lumière atteint sa destination (à droite), cet amas est déjà à 173 années-lumière de nous.La question clé est: jusqu'où la lumière est-elle allée? La réponse est plus de 87 années-lumière, mais moins de 173 années-lumière!
Appliquez ce principe à tout l'univers.Il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers était d'une chaleur et d'une densité irréalistes et était rempli d'une grande variété de sources d'énergie: le rayonnement (photons), la matière (protons, neutrons, électrons) et l'énergie inhérente de l'espace (énergie sombre). Si l'Univers en expansion était rempli d'un seul de ces trois types d'énergie et que vous demandiez à quelle distance se trouve l'objet, la lumière dont nous venons de nous parvenir, vous recevriez trois réponses différentes. Pourquoi?
Parce que la densité d'énergie à tout moment de l'histoire détermine l'histoire de l'expansion de l'Univers, et le rayonnement, la matière et l'énergie inhérente à l'espace évoluent différemment! Et voici le résultat final pour l'Univers âgé de 13,8 milliards d'années:Si l'Univers n'était rempli que de rayonnement, un objet dont la lumière ne nous parviendrait qu'après un voyage de 13,8 milliards d'années serait à une distance de 27,6 milliards d'années-lumière de nous.Si l'Univers n'était rempli que de matière, un objet dont la lumière ne nous parviendrait qu'après un voyage de 13,8 milliards d'années serait à 41,4 milliards d'années-lumière de nous.Si l'Univers n'était rempli que d'énergie sombre, aucune lumière ne nous atteindrait du tout, car l'expansion serait exponentielle et après un tel moment, nous ne verrions tout simplement rien.Mais aucun de ces exemples ne correspond à l'Univers réel, dans lequel ces énergies se mélangent et ce mélange change avec le temps.
Aux premiers stades de l'univers au cours des premiers milliers d'années, le rayonnement a dominé, principalement sous la forme de photons et de neutrinos. Puis une transition de phase s'est produite et la matière (normale et sombre) est devenue la composante prédominante pendant des milliards d'années. Et plus récemment, après la formation du système solaire et de la Terre, l'énergie sombre est devenue dominante. Puisque l'énergie sombre n'était pas (et ne sera pas) la seule source d'énergie pour l'Univers, nous ne nous trouverons jamais dans une situation où la lumière ne nous atteindra pas. Mais il suffit de repousser les limites de l'Univers plus loin que dans la version avec de la matière seule: jusqu'à 46,1 milliards d'années-lumière.C'est contre-intuitif, mais vous devez vous rappeler: il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers observable entier était plus petit que notre système solaire actuel!
L'expansion de l'univers a commencé très rapidement et s'est ralentie au fil du temps. Il continue de ralentir, mais il tend asymptotiquement non pas vers zéro, mais vers une valeur finie, quoique importante. Cela signifie que la lumière d'un objet très éloigné, emportée par l'expansion de l'Univers à plus de 40 milliards d'années-lumière de nous, peut nous atteindre aujourd'hui, faisant un voyage à travers l'Univers comparable à toute l'histoire de son existence.Et quand il nous atteindra, nous verrons la lumière émise à un moment où l'Univers était extrêmement jeune.La seule différence est le redshift spectral, qui nous permet de déterminer l'âge et l'éloignement de cet objet.C'est pourquoi dans un univers de 13,8 milliards d'années, les objets visibles les plus éloignés sont à une distance de 46 milliards d'années-lumière de nous!Source: https://habr.com/ru/post/fr397063/
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