Un coup d'œil sur une partie extrêmement éloignée de l'Univers révèle que les galaxies se déplacent à grande vitesse de nous. À de telles distances, plus de galaxies sont visibles, elles sont plus petites, moins développées et s'éloignent avec de grands décalages vers le rouge que celles situées à proximitéQuand vous regardez l'Univers lointain, vous voyez des galaxies partout - dans toutes les directions, tous les millions et milliards d'années-lumière. Environ deux mille milliards de galaxies sont à la disposition de l'humanité pour observation, et la quantité totale de tout ce qui se trouve dans l'Univers est beaucoup plus grande et plus incroyable que la plupart d'entre nous ne peuvent l'imaginer. L'un des faits les plus déroutants est que toutes les galaxies que nous voyons obéissent en moyenne à une règle: plus elles sont éloignées de nous, plus vite, apparemment, elles s'éloignent de nous. Cette découverte, faite par Edwin Hubble et ses assistants dans les années 1920, nous a conduit à l'image d'un univers en expansion. Mais qu'est-ce que cela signifie que l'univers est en expansion? La science le sait, et maintenant vous le saurez!
Plus nous regardons loin, plus l'Univers que nous voyons est ancien et peu développé. Mais ce n'est que si la théorie générale de la relativité est applicable à l'univers et contrôle son expansion.1) Quelle est l'expansion de l'univers? C'est l'une des questions qui semblent raisonnables, car tout le reste qui peut se développer est constitué de matière et existe dans l'espace et le temps de l'Univers. Mais l'Univers lui-même est l'espace et le temps, et il contient toute la matière et l'énergie disponibles. Parlant de «l'expansion de l'Univers», nous voulons dire que l'espace s'étend, et nous voyons que les galaxies individuelles et leurs amas se dispersent les uns des autres. La meilleure visualisation de ce processus est la pâte de raisins secs qui monte à la suite de la cuisson au four.
Le modèle du «pain aux raisins secs» de l'expansion de l'Univers, dans lequel les distances relatives augmentent avec l'expansion de l'espace (test).La pâte est le tissu de l'espace, les raisins secs sont des structures apparentées (galaxies ou groupes / grappes de galaxies), et du point de vue de tout raisin sec, tous les autres s'en éloignent et plus le raisin est éloigné, plus il s'enfuit rapidement. Ce n'est que dans le cas de l'univers qu'il n'y a pas de poêle et pas d'air à l'extérieur de la pâte; il n'y a que de la pâte (espace) et des raisins secs (matière).
Le décalage vers le rouge n'est pas causé par le mouvement des galaxies depuis nous - le décalage vers le rouge de la lumière voyageant de points distants de l'espace vers nous est dû à l'étirement de l'espace entre nous et les galaxies2) Comment savons-nous que le tissu de l'espace est en expansion - peut-être que ce sont juste des galaxies se déplaçant à des vitesses différentes? Si des objets se déplacent de vous dans toutes les directions, alors peut-être que l'espace entre vous et eux s'étend; mais ce n'est qu'une des possibilités. Il semble également raisonnable que vous puissiez être au centre de l'explosion, et de nombreux objets se trouvaient juste plus éloignés de vous et se déplaçaient plus rapidement aujourd'hui, car ils ont gagné plus d'énergie pendant l'explosion. S'il en était ainsi, alors deux preuves en ressortiraient:
- À de grandes distances, les galaxies à grande vitesse seraient plus petites car elles se sépareraient dans l'espace au fil du temps.
- Le rapport du décalage vers le rouge et de la portée à de grandes distances aurait une forme très définie, différente du cas où le tissu de l'espace se dilate.
La différence entre une explication basée sur un mouvement simple (ligne pointillée) et des prévisions GR (solide) pour les distances dans un univers en expansion. Nos observations sont sans ambiguïté cohérentes avec les prédictions de GR.À de grandes distances, la densité des galaxies est plus élevée que près de nous. Cela coïncide avec une image dans laquelle l'espace se dilate, car regarder au loin est le même que regarder dans le passé, où l'expansion n'était pas si forte. Nous voyons également que le rapport du décalage vers la distance dans les galaxies éloignées coïncide avec l'image de l'expansion du tissu de l'espace, et ne coïncide pas avec le cas où les galaxies s'éloignent simplement de nous. La science fournit une réponse à cette question de deux manières très différentes, et les deux réponses soutiennent l'option d'un univers en expansion.
Le graphique du taux d'expansion apparent (axe y) en fonction de la distance (axe x) coïncide avec l'Univers, qui a connu une expansion plus rapide dans le passé, mais continue de se développer aujourd'hui. Il s'agit d'une version moderne de l'observation qui étend des distances des milliers de fois plus que ce que Hubble a fait. Notez que les points ne se trouvent pas sur une ligne droite, ce qui indique un changement du taux d'expansion avec le temps3) L'univers s'est-il toujours étendu à la même vitesse? Nous appelons cette vitesse la constante de Hubble, mais elle est constante dans tout l'espace et non dans le temps. L'univers s'étend aujourd'hui, plus lentement qu'auparavant [
Ici Ethan explique pourquoi l'expansion ralentit et les galaxies se séparent plus rapidement / environ. trad.]. Lorsque nous parlons de la vitesse d'expansion, nous entendons la vitesse par unité de distance: aujourd'hui, elle est d'environ 70 km / s / Mpc (kilomètres par seconde par mégaparsec; mégaparsec - 3260 000 années-lumière). Mais le taux d'expansion dépend de la densité de tout ce qui se trouve dans l'Univers, y compris la matière avec rayonnement. Avec l'expansion de l'Univers, la matière et le rayonnement à l'intérieur de celui-ci deviennent moins denses, et avec une diminution de la densité de la matière et du rayonnement, la vitesse d'expansion diminue également. L'univers s'est développé plus rapidement dans le passé et a ralenti depuis le Big Bang chaud. La constante de Hubble n'est pas ainsi nommée exactement; il doit être appelé le paramètre Hubble.
Les options pour le destin lointain de l'Univers offrent plusieurs possibilités, mais si l'énergie sombre est vraiment constante, comme nos données l'indiquent, l'Univers continuera à suivre la courbe rouge4) L'univers va-t-il s'étendre pour toujours, ou va-t-il s'arrêter, ou même reculer? Pendant de nombreuses générations, cette question a été le Saint Graal de la cosmologie et de l'astrophysique, et il n'a été possible d'y répondre qu'en déterminant à la fois le taux d'expansion de l'Univers et tous les types et quantités d'énergie présents en lui. Maintenant, nous avons réussi à mesurer la quantité de matière normale, de rayonnement, de neutrinos, de matière noire et d'énergie noire qui y sont présents, ainsi que la vitesse d'expansion de l'Univers. Sur la base des lois de la physique et des événements passés, il semble très probable que l'Univers se développera pour toujours. Bien que cette probabilité ne soit pas égale à 100%; si quelque chose, par exemple de la matière noire, se comportera différemment à l'avenir, pas comme dans le passé ou aujourd'hui, toutes nos conclusions devront être revues.
5) Y a-t-il des galaxies qui nous fuient plus vite que la vitesse de la lumière, et n'est-ce pas interdit? De notre point de vue, l'espace entre nous et tout point éloigné s'élargit. Plus quelque chose est éloigné, plus il s'éloigne rapidement de nous. Même si la vitesse d'expansion était minuscule, un objet assez éloigné finirait par dépasser le seuil de toute vitesse finale, car la vitesse d'expansion (vitesse par unité de distance) multipliée par une distance suffisamment grande vous donnera n'importe quelle valeur de vitesse. Mais GRT n'interdit pas cela! La loi interdisant les mouvements plus rapides que la lumière ne s'applique qu'aux mouvements d'objets dans l'espace, et non à l'expansion de l'espace lui-même. En effet, les galaxies elles-mêmes se déplacent à des vitesses de l'ordre de centaines ou milliers de km / s, ce qui est bien inférieur à 300 000 km / s, limite de vitesse fixée par la lumière. L'emballement et le décalage vers le rouge sont causés par l'expansion de l'univers, et non par le véritable mouvement de la galaxie.
À l'intérieur de l'Univers observable (cercle jaune), il y a environ 2 billions de galaxies. Les galaxies situées à une distance supérieure à un tiers de notre chemin jusqu'à la frontière ne peuvent jamais être atteintes en raison de l'expansion de l'Univers, donc le volume ouvert pour l'étude humaine n'est que de 3% de l'Univers observéL'expansion de l'Univers est une conséquence nécessaire de la présence de matière et d'énergie remplissant l'espace-temps, soumise aux GR. Tant qu'il y a de la matière, il y a une attraction gravitationnelle, donc soit la gravité gagne et tout rétrécit, soit la gravité perd et gagne en expansion. Il n'y a pas de centre d'expansion, il n'y a rien en dehors de l'espace où l'Univers s'étendrait; l'expansion est vécue par le tissu de l'univers lui-même, partout et constamment. Et ce qui est le plus ennuyeux, même si nous quittions la Terre aujourd'hui et prenions la route à la vitesse de la lumière, seulement 3% des galaxies de l'Univers observable entier seraient à notre disposition; 97% d'entre eux dépassent déjà nos capacités. L'univers peut être un endroit difficile, mais au moins maintenant vous connaissez les réponses à cinq des questions les plus souvent déroutantes!