Demandez à Ethan: si l'univers est en expansion, pourquoi ne nous développons-nous pas?

Si l'univers se développe, nous pouvons comprendre pourquoi les galaxies éloignées s'éloignent de nous. Mais pourquoi les étoiles, les planètes et les atomes ne se dilatent-ils pas?

L'une des plus grandes surprises scientifiques du XXe siècle a été la découverte de l'expansion de l'univers. Les galaxies éloignées se dispersent loin de nous et les unes des autres plus rapidement que les plus proches, comme si le tissu même de l'espace s'étirait. À plus grande échelle, la densité de matière et d'énergie de l'Univers a chuté pendant des milliards d'années et continue de le faire. Et si nous regardons assez loin, nous verrons des galaxies se disperser si vite que rien de ce que nous pourrions leur envoyer aujourd'hui ne peut les attraper - même la vitesse de la lumière n'est pas suffisante. Mais y a-t-il un paradoxe? Voici ce que le lecteur demande:

Si l'univers se dilate plus vite que la vitesse de la lumière, pourquoi cela n'affecte-t-il pas notre système solaire et la distance du soleil aux planètes? Et pourquoi la distance relative entre les étoiles de notre galaxie n'augmente-t-elle pas ... ou augmente-t-elle?

La pensée du lecteur est vraie, et le système solaire, les distances entre les planètes et les étoiles n'augmentent pas avec l'expansion de l'univers. Alors qu'est-ce qui se développe dans un univers en expansion? Faisons les choses correctement.


Le concept initial de l'espace, proposé par Newton, comme fixe, absolu et immuable. C'était une scène sur laquelle les masses pouvaient exister et être attirées

Lorsque Newton a pensé pour la première fois à l'Univers, il a imaginé l'espace sous la forme d'une grille. C'était une entité absolue, fixe, remplie de masses attirées gravitationnellement les unes vers les autres. Mais quand Einstein est apparu, il s'est rendu compte que cette grille imaginaire n'est pas fixe, pas absolue, et ne ressemble pas à la représentation de Newton. Cette maille est comme du tissu, et ce tissu est courbé, déformé et change avec le temps en raison de la présence de matière et d'énergie. De plus, la matière et l'énergie déterminent sa courbure.


Courbure de l'espace-temps par les masses gravitationnelles selon GR

Mais si dans votre espace-temps il n'y avait qu'un ensemble de masses différentes, elles s'effondreraient inévitablement et formeraient un trou noir. Einstein n'aimait pas cette idée, il a donc ajouté une «correction» sous la forme d'une constante cosmologique. S'il y a ce terme supplémentaire de l'équation - une énergie supplémentaire pénétrant l'espace vide - il peut repousser toutes ces masses et maintenir l'Univers stationnaire. Cela empêchera l'effondrement gravitationnel. En l'ajoutant, Einstein a permis à l'univers d'exister dans un état presque stationnaire pour toujours.

Mais tout le monde n'était pas attiré par l'idée d'un univers statique. L'une des premières décisions a été reçue par un physicien nommé Alexander Fridman . Il a montré que si vous n'ajoutez pas cette constante cosmologique et remplissez l'Univers d'énergie - matière, rayonnement, poussière, liquides, etc. - puis il y a deux classes de solutions: une pour un univers qui rétrécit, et l'autre pour un univers en expansion.


Le modèle d'expansion de l'Univers sous forme de «pain aux raisins secs», où les distances relatives augmentent avec l'expansion de l'espace (test)

Les mathématiques vous donnent des solutions possibles, mais vous devez regarder l'Univers physique pour savoir lequel le décrit. Cela s'est produit dans les années 1920 grâce au travail d' Edwin Hubble . Hubble a été le premier à découvrir qu'il est possible de mesurer les caractéristiques d'étoiles individuelles dans d'autres galaxies et de déterminer leur distance. En combinant ces mesures avec le travail de Vesto Slifer, qui a montré que ces objets déplacent le spectre atomique, il a obtenu un résultat étonnant.


Le graphique du taux d'expansion apparent (axe y) en fonction de la distance (axe x) correspond à l'Univers, qui a connu une expansion rapide dans le passé, mais continue de se développer aujourd'hui. Il s'agit d'une version moderne du travail de Hubble, étendue sur des milliers de fois l'original

Soit toute la théorie de la relativité est fausse, nous sommes au centre de l'Univers et tout s'échappe symétriquement de nous, soit la théorie de la relativité est correcte, Friedman a raison, et plus la galaxie est loin de nous, plus vite elle s'éloigne de nous en moyenne. En un seul mouvement, la théorie d'un Univers en expansion est passée d'une idée simple à une description de premier plan de l'Univers.

L'extension fonctionne un peu contre-intuitivement. Tout semble comme si le tissu de l'espace s'étire dans le temps, et tous les objets de cet espace sont séparés. Plus l'objet est éloigné de l'autre, plus l'étirement entre eux est important, plus ils s'éloignent rapidement les uns des autres. Si nous avions un univers uniformément rempli de matière, alors la matière deviendrait tout simplement moins dense et chaque partie de celui-ci finirait par s'éloigner de tout le monde.


Les fluctuations froides (bleues) du rayonnement CMB ne sont en fait pas plus froides, mais représentent simplement des zones dans lesquelles il y a une plus grande attraction gravitationnelle en raison de la densité plus élevée de la matière. Les points chauds (rouges) sont chauds parce que le rayonnement dans ces points vit dans un puits de gravité plus petit. Au fil du temps, les zones plus denses se transformeront en étoiles, galaxies et amas avec une probabilité plus élevée, et en zones moins denses avec une probabilité plus faible.

Mais l'univers n'est pas parfaitement uniforme. Il a des zones de densité accrue, telles que les planètes, les étoiles, les galaxies, les amas de galaxies. Il a des zones de densité réduite, telles que d'énormes vides d' espace, où pratiquement aucun objet massif ne peut être trouvé. La raison en est la présence d'autres phénomènes physiques, en plus de l'expansion de l'univers. À petite échelle, la taille des animaux et plus petite, l'électromagnétisme et les forces nucléaires prédominent. À grande échelle - planètes, systèmes solaires et galaxies - l'influence gravitationnelle prévaut. Aux plus grandes échelles - des tailles comparables à celles de l'Univers - la lutte principale se déroule entre l'expansion de l'Univers et l'attraction gravitationnelle de toute la matière et de l'énergie qui s'y trouvent.


À la plus grande échelle, l'Univers se développe et les galaxies s'éloignent les unes des autres. À petite échelle, la gravité domine l'expansion, ce qui entraîne la formation d'étoiles, de galaxies et de leurs amas

À plus grande échelle, l'expansion gagne. Les galaxies les plus éloignées s'éloignent si rapidement qu'aucun signal que nous pourrions leur envoyer, même à la vitesse de la lumière, ne pourra jamais les atteindre. Les superamas de l'Univers - de longues structures filamenteuses le long desquelles des galaxies alignant des milliards d'années-lumière s'alignent - sont étirés et écartés en raison de l'expansion de l'Univers. Dans un temps relativement court, ils disparaîtront. Et même l'amas de galaxies le plus proche de la Voie lactée, l' amas de la Vierge , situé à seulement 50 millions d'années-lumière de nous, ne nous attirera pas vers lui-même. Malgré l'attraction gravitationnelle, plus de mille fois supérieure à la nôtre, l'expansion de l'univers nous séparera.


Un large ensemble de plusieurs milliers de galaxies est notre environnement le plus proche, à environ 100 millions d'années-lumière. L'amas de la Vierge restera lié gravitationnellement, mais la Voie lactée continuera de s'en éloigner au fil du temps

Mais il y a des échelles plus petites où l'expansion a été vaincue - au moins localement. L'amas de la Vierge restera lié gravitationnellement. La Voie lactée et l'ensemble du groupe local de galaxies resteront connectés et finiront par fusionner sous l'influence de la gravité. La Terre orbitera autour du Soleil à la même distance, la Terre restera de la même taille et les atomes qui composent tout ne se dilateront pas. Pourquoi? Parce que l'expansion de l'Univers ne fonctionne que là où d'autres interactions - gravitationnelles, électromagnétiques, nucléaires - ne l'ont pas surmonté. Si une force est capable de garder l'objet intact, même l'expansion de l'Univers ne peut pas le changer.


Les orbites des planètes du système TRAPPIST-1 ne changent pas avec l'expansion de l'Univers en raison de la force de gravité de liaison, surmontant toutes les conséquences de l'expansion

Il y a une raison non évidente à cela, car l'expansion n'est pas une interaction, mais plus de vitesse. L'espace s'étend à toutes les échelles, mais l'expansion affecte uniquement tous les objets collectivement. Entre deux points, l'espace s'étendra à une certaine vitesse, mais si cette vitesse est inférieure à la vitesse d'emballement entre deux objets - si la force qui les relie entre eux agit - alors la distance entre eux n'augmentera pas. Aucune augmentation de distance, aucun effet d'expansion. À tout moment, l'expansion est surmontée avec une marge, donc elle n'acquerra jamais l'effet total observé entre des objets indépendants. En conséquence, les objets stables et connectés peuvent survivre inchangés dans un univers en expansion pour toujours.


La taille des objets stables maintenus ensemble, qu'ils soient connectés par gravité, électromagnétisme ou autre force, ne changera pas avec l'expansion de l'Univers. Si vous parvenez à surmonter l'expansion cosmique, vous resterez connecté pour toujours.

Tant que l'Univers aura les propriétés que nous avons mesurées, tout continuera. L'énergie sombre peut exister et entraîner l'éloignement des galaxies éloignées de nous avec l'accélération, mais l'effet de l'expansion à une distance fixe ne changera pas. Ce n'est que dans l'option Big Break - que les preuves n'indiquent pas - que cette conclusion peut changer.

Le tissu de l'espace peut s'étendre partout, mais il n'a pas d'effet mesurable sur les objets. Si un certain pouvoir vous maintient connecté, l'univers en expansion ne vous affectera pas. Seulement aux plus grandes échelles, sur lesquelles toutes les forces reliant les objets sont trop faibles pour vaincre la vitesse de Hubble, et cette expansion a lieu. Comme le physicien Richard Price l' a dit un jour: "Si votre tour de taille se dilate, vous ne pouvez pas blâmer l'expansion de l'Univers pour cela."

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].