FAQ : Questions souvent posées en astrophysique

[deep_turtle]

Bonjour,

Dans ce fil vont être résumées certaines des discussions revenant régulièrement dans la section "astronomie et astrophysique" du forum. Chaque message sera dédié à une question particulière, indiquée dans le titre.

Les messages seront susceptibles d'être modifiés au fil du temps, pour tenir compte de l'évolution des discussions correspondantes dans le forum. Des questions seront ajoutées petit à petit... J'imagine que les règles s'affineront à l'usage, mais il me semble que la règle de base est de ne pas répondre dans ce fil. Si vous avez des commentaires sur un des messages, envoyez un mp à l'auteur qui pourra alors éventuellement apporter des modifications à ce message.

Vous êtes invités à jeter un coup d'oeil sur cette FAQ (Foire aux Questions) avant d'envoyer une question, pour vous assurer que les réponses qui sont déjà là ne vous satisfont pas...

Sommaire

#1 : ce message
#2 : Qu'y avait-il avant le Big-Bang ?
#3 : Le Big-Bang c'est quoi ?
#4 : L'Univers est-il fini ou infini ?
#5 : A propos de l'expansion de l'Univers
#6 : l'expansion permet-elle de dépasser la vitesse de la lumière ?
#7 : Où a eu lieu le Big-Bang ?
#8 : L'énergie noire, c'est quoi ?

[deep_turtle]

Si on entend par Big-Bang la "création" de l'Univers à partir de "rien", alors la question n'a pas vraiment de sens scientifique. Par contre, on peut, d'un point de vue scientifique, envisager l'apparition de l'Univers sous sa forme actuelle à partir d'autre chose [1], et il existe plusieurs scénarios qui proposent que l'espace-temps dans lequel nous vivons soit issu d'un événement singulier, notre Big-Bang. Cette question est toutefois extrêmement spéculatives à l'heure actuelle. Il existe aussi plusieurs réponses faussement scientifiques plus ou moins valables et plus ou moins honnêtes, qui sont ici passées sous silence. Pour les discussions sur le livre des frères Bogdanoff, prière de vous restreindre à [2].

Discussions pertinentes sur le sujet :

• [1] Qu'y avait-il avant le "big bang" ?
• Expansion et finitude de l'univers
• Age de l'univers
• Singularité ou commencement de l'Univers...
• [2] Fluctuations signature de la metrique,KMS,MQ et origine de l`espace-temps (Bogdanov)
• Big Bang...

[deep_turtle]

Le terme "Big-Bang" recouvre plusieurs notions reliées mais distinctes. Une confusion entre ces différentes notions est à l'origine de plusieurs malentendus dans les discussions.

1/ A l'origine, ce terme désignait un modèle cosmologique dans lequel l'Univers serait né d'une grande explosion, tous les débris étant envoyés avec des vitesses différentes dans toutes les directions. Les débris les plus rapides parcourant une distance plus grande en un temps donné, ceci pouvait fournir une explication à la loi de Hubble. En fait cette vision a été très rapidement abandonnée, mais le terme est resté, ou plutôt il a été recyclé...

Aujourd'hui, ce terme désigne deux choses :

2/ Un modèle cosmologique basé sur la relativité générale et la physique des particules. L'Univers est décrit par une métrique qui varie dans le temps, ce qui se traduit par une expansion de l'Univers. Cette expansion dépend du contenue de l'Univers, lui-meme affecté par l'expansion. Ce modèle du "Big-Bang" s'appuie sur plusieurs observations indépendantes :

• La loi de Hubble, ou plus généralement la relation entre distance et décalage vers le rouge
• L'abondance des éléments légers par nucléosynthèse primordiale
• Les propriétés du rayonnement de fond cosmologique
• La formation des structures par instabilité gravitationnelle

3/ Le "début" de l'Univers. Cette notion est très ambiguë, c'est en fait plutôt le moment auquel la densité de l'Univers devient infinie si on en croit un modèle cosmologique particulier. Or, dans la mesure où l'on sait déjà que tous les modèles cosmologiques que l'on connait cesssnt d'être valide aux premiers instants de l'Univers, c'est plus une définition qu'une affirmation sur l'Univers réel. Les questions portant sur l'Univers "avant" le Big-Bang cessent d'être paradoxales si on garde ceci en tête.

[deep_turtle]

Il faut d'abord réaliser que la validité scientifique de cette question n'est pas évidente.
En effet si l'Univers est infini, il est absolument impossible d'en apporter la preuve expérimentale. Par contre s'il est fini, on pourrait le montrer.

Toutefois, dans tous les cas on peut discuter la finitude des modèles cosmologiques utilisés pour décrire l'Univers : ces modèles font l'hypothèse que l'Univers est homogène à grande échelle, si bien que les propriétés observées localement peuvent être extrapolées à l'ensemble de l'Univers.

Il faut alors considérer deux aspects distincts de ces modèles cosmologiques :

1. La géométrie, reliée à la façon dont l'espace-temps est courbé. Il existe trois types de géométries possibles pour un Univers homogène et isotrope : sphérique (l'analogue d'une sphère , dans un espace dimension supérieure), plate, ou hyperbolique.
   Une géométrie sphérique conduit nécessairement à un Univers fini, avec un volume et une masse totale finis. Une géométrie plate ou hyperbolique peut conduire à des Univers finis ou infinis, suivant la topologie (voir le point suivant).
   La géométrie est déterminée par le contenu de l'Univers, plus précisément par sa densité d'énergie. Il existe une densité critique pour laquelle l'Univers est plat, en-deça de laquelle il est hyperbolique et au-delà de laquelle il est sphérique. Les observations cosmologiques indiquent que la densité dans la partie de l'Univers que l'on peut observer est très proche de la densité critique, l'Univers a donc une géométrie très proche d'être plate.
2. La topologie. Un Univers plat semble intuitivement nécessairement infini, mais ce n'est pas le cas : il pourrait se replier sur lui-même en restant plat, comme un écran de Pac-Man dont la finitude est assurée par le fait qu'en sortant d'un côté, on réapparait de l'autre. Il a été proposé que notre Univers puisse avoir une topologie complexe, par exemple celle d'un dodécaèdre. Ceci est une question ouverte en cosmologie

Discussions pertinentes sur le sujet

• Forme de l'univers
• Expansion et finitude de l'univers (en particulier message #2 de BioBen)
• Courbure de l'univers et topologie
• Taille de l'univers
• Univers fini ou infini?
• L'origine de l'univers et l'infini
• Taille de l'univers?
• L'univers.. agrandissement ou boulversement ?

[deep_turtle]

L'expansion de l'Univers a soulevé pas mal de discussions... Voici un point d'entrée synthétique et surement un peu personnel.

Observation et première interprétation

Il est observé depuis Hubble dans les années 1930 que la lumière des objets lointains subit un décalage vers le rouge, celui-ci étant d'autant plus important que l'objet est lointain (voir [1] pour plus de détails). Une forme simple de la relation entre décalage vers le rouge et distance est fournie par la "loi de Hubble".

Une première interprétation qui a été proposée fut que le décalage vers le rouge est dû à l'effet Doppler, les galaxies s'éloignant toutes de nous, et ceci d'autant plus vite qu'elles sont loin. Une forme simple de la relation entre vitesse d'éloignement et distance est fournie par la "loi de Hubble", v=H₀d, où H₀ est appelée "constante de Hubble, et s'exprime couramment en unité de km/s/Mpc (Mpc pour Méga parsec), et vaut dans cette unité environ 70 km/s/Mpc. Une galaxie située à 1 Mpc de nous semble donc s'éloigner, en moyenne, à la vitesse de 70 km/s.

Les questions que soulève cette interprétation

Cette interprétation amène plusieurs questions : "pourquoi occupons-nous une position qui semble si centrale dans l'Univers", "Dans quoi s'expand l'Univers ?", "les objets les plus lointains peuvent-ils s'éloigner de nous plus vite que la vitesse de la lumière". En fait, ce sont devenu de fausses questions depuis qu'une seconde interprétation apris la place de la première en cosmologie moderne. La voici :

Interprétation moderne

Si on applique la relativité générale à l'Univers tout entier, on est amené à décrire ce dernier par un espace-temps dans lequel les distances physiques entre deux points quelconques dépend explicitement du temps.

En particulier, la distance entre deux galaxies lointaines augmente au cours du temps. La théorie de la relativité permet aussi de calculer la façon dont la lumière se propage dans cet espace-temps aux distances changeantes. On trouve alors que la lumière émise par un objet lointain est décalée vers le rouge. De plus, pour les objets pas trop éloignés de nous, ce décalage est conforme à la loi de Hubble. Par contre, pour les objets plus lointains, des différences notables apparaissent.

Les observations modernes infirment totalement la première interprétation et confirment remarquablement bien la seconde.

L'évolution de l'expansion

La façon dont l'Univers s'expand varie dans le temps. Plus précisément, elle dépend du contenu de l'Univers, qui lui-même est affecté par l'expansion (dilution). En étudiant le contenu de l'Univers on peut déterminer l'évolution de l'expansion, et vice-versa.

La modèle actuellement accepté par la communauté scientifique contient de la matière ordinaire, de la matière noire et de l'énergie noire (voir ces entrées dans la FAQ). Dans ce modèle, l'expansion est maintenant dans une phase accélérée qui continuera indéfiniment, l'Univers devenant de plus en plus dilué.

Quelques discussions pertinentes sur le sujet

• [1] les bases observationnelles de l'expansion
• Expansion de l'univers/conservation
• La lune et l'expansion de l'Univers
• vitesse de l'expansion de l'univers
• Ou l'expansion se fait-elle?
• Ma propre explication d'un trou noire
• une autre manière de voir l'expansion de l'Univers

[deep_turtle]

Version 1, qui sera probablement modifiée, le sujet est très délicat...

L'Univers est en expansion et les galaxies lointaines s'éloignent de nous d'autant plus vite qu'elles sont loin. Ceci est contenu dans la loi de Hubble

pour des distances pas trop grandes (disons inférieures a un milliard d'années-lumière), et par une relation plus compliquée pour des objets plus lointains, mais dans laquelle v croît encore avec d.

Dans tous les cas, il semble que la vitesse v puisse être rendue arbitrairement grande en considérant une distance assez grande. En particulier, il est facile d'obtenir des vitesses plus grandes que la vitesse de la lumière (la constante notée c introduite en relativité), ce qui semble contredire les bases de la relativité.

Ce n'est pas le cas, et il y a plusieurs façon de le voir ou de le dire.

1/ Dans un univers en expansion, la distance physique entre deux objets est reliée au facteur d'échelle R(t) et à leurs coordonnées comobiles (leur coordonnée par rapport à la trame de l'espace-temps, à la "grille", en quelque sorte) x₁(t) et x₂(t) (en une seule dimension pour simplifier) par

Considérons des objets qui sont "fixes", qui n'ont pas de vitesse propre par rapport au référentiel dans lequel on fait de la cosmologie.


Ce qu'on appelle naturellement "vitesse relative", c'est la dérivée de cette quantité par rapport au temps

C'est la loi de Hubble, et cette vitesse peut en effet être arbitrairement grande. Pour bien voir que c'est la loi de Hubble, on introduit

ce qui donne finalement



2/ Peut-on dire que l'objet 2 se déplace "plus vite que la lumière" pour l'objet 1 ? En fait non, car contrairement à une idée couramment admise, la vitesse de la lumière, au sens de la distance physique parcourue en un temps donné, divisée par ce temps, peut être plus grand que c ! La vitesse calculée de l'objet 2 est plus grande que c, mais la lumière elle-même a une vitesse encore plus grande. Localement, en se plaçant dans un référentiel minkowskien, la distance physique dr parcourue pendant un temps infinitésimal dt vérifie bien dr = c dt, conformément aux bases de la relativité. Quand on s'intéresse à la distance totale parcourue, il faut correctement prendre en compte l'expansion de l'Univers,

ce qui après quelques manipulations conduit à



Dit autrement :

3/ la relativité interdit seulement que la vitesse physique de tout objet dans un référentiel inertiel soit supérieure à c. Elle ne dit rien a priori sur la vitesse relative de deux objets (au sens de la dérivée par rapport au temps de la distance qui les sépare). Il se trouve qu'en relativité restreinte ces deux notions sont quasiment équivalente, puisque pour estimer la vitesse relative il suffit de se placer dans le référentiel lié à un des objets. Ce n'est plus le cas en relativité générale, où la vitesse relative est un concept ambigu.

4/ le décalage vers le rouge des objets lointains peut être très grand, et on observe très bien des systèmes pour lesquels, sans aucun doute, le spectre est décalé vers le rouge d'un facteur supérieur à 5. Si on appliquait naïvement la relation entre décalage vers le rouge et vitesse de l'effet Doppler, on trouverait des vitesses supérieures à 6 fois la vitesse de la lumière. Ceci n'est pas un paradoxe dans la mesure où l'on est totalement hors du domaine de validité de l'effet Doppler dans ce cas...

Quelques liens sur le sujet :

Expansion de l'Univers et c
Plus vite que la lumière...

[deep_turtle]

On entend souvent dire qu'"au moment du Big-Bang, l'Univers était réduit à un point". C'est au mieux une formulation très maladroite, au pire une erreur.

L'expression "au moment du Big-Bang" est ambiguë, mais désigne en général le moment où le modèle du Big-Bang devient singulier, le facteur d'échelle cosmologique tendant vers zéro. Les distances dans l'Univers, tendent alors vers zéro, et on peut voir l'espace à ce moment-là comme un espace à trois dimensions dans lequel toutes les distances sont arbitrairement petites.

Il est tentant de dire que ces différents points séparés par une distance nulle sont en fait le même point, et d'assimiler l'espace à un point. C'est une erreur, car cette vision ne permet pas de rendre compte de la dynamique de l'expansion et de comprendre ce qui se passe juste après l'instant "initial". Dit autrement, si on essaie de décrire l'Univers en ne le considérant qu'à un moment singulier, où ses propriétés sont décrites par des quantités qui sont nulles ou infinies, on se plante assez rapidement...

Toutefois, ce qui est correct, c'est de dire que la partie de l'Univers que nous observons aujourd'hui était, elle, contenue dans un volume qui était arbitrairement petit, si on remonte arbitrairement loin dans le passé. Ce petit volume était entouré d'une multitude, voir d'une infinité, d'autres petits volumes, qui ont chacun évolué en de grandes portions de l'Univers, que pour la plupart nous ne pouvons pas voir car elles sont trop éloignées de nous...

[deep_turtle]

Qu'appelle-t-on énergie noire ?

[Spéciale dédicace pour A., qui a dû avoir du mal avec mes explications confuses de cet après-midi... ]

On sait aujourd'hui que l'Univers est en expansion, et même mieux, on arrive par des mesures d'objets lointains à mesurer l'évolution dans le temps de cette expansion. On observe que l'Univers s'expandait moins vite il y a quelques milliards d'années qu'il ne le fait aujourd'hui. On dit que l'expansion est accélérée.

Le facteur d'échelle (dont l'augmentation constitue précisément ce qu'on appelle expansion de l'Univers, voir les messages précédents) augmente donc au cours du temps, de plus en plus rapidement. Les cosmologistes, en utilisant les lois de la relativité générale, relient l'évolution du facteur d'échelle au contenu de l'univers par la relation

où désigne la densité d'énergie (en J/m³) et p la pression du fluide cosmique. Cette équation montre que la présence d'énergie (en particulier d'énergie de masse) et de pression ont tendance à décélérer l'expansion. Or on observe au contraire une accélération ! Problème donc...

En étudiant la manière dont l'expansion évolue au cours du temps, les cosmologistes parviennent à mesurer les quantités et p et là, ô surprise, ils trouvent que la pression p est négative. Ceci peut surprendre, car la matière et la radiation qui nous entourent ont des pressions positives. Les cosmologistes invoquent donc l'existence d'une nouvelle composante dans l'univers, qui n'est ni de la matière ni du rayonnement, et qu'ils appellent « énergie noire ».

De quoi c'est fait ?

On n'en sait rien. Plusieurs hypothèses ont été avancées, sans grand succès. Tout d'abord, ce pourrait être un terme nouveau des équations de la relativité générale. Enfin, pas si nouveau que ça, puisqu'Einstein l'avait introduit dans les années 1920, sous le nom de constante cosmologique. Dans ce cas, il existerait une relation très simple entre et p, puisque (ce type de relation est appelé une équation d'état).

D'autres propositions ont été faites, conduisant à d'autres équations d'état. Certains modèles de théorie des champs donnent des pressions négatives, des modèles de cosmologie dans des Univers ayant des dimensions supplémentaires aussi. Tout ceci reste cependant très spéculatif...

Des pressions négatives ?

L'idée de pression négative peut sembler farfelue, c'est pourtant une situation que l'on rencontre dans plusieurs situations en physique. Par exemple, quand un fluide subit une transition de phase, il peut occuper des états que l'on décrirait par des pressions négatives. Cette situation se répète chaque fois que les constituants d'un milieu sont la source d'une force très attractive. La force qui s'exerce sur la paroi d'un récipient est alors dirigée vers l'intérieur du récipient et non vers l'extérieur : c'est une pression négative. En cosmologie, il s'agit sans doute d'une situation plus subtile.

En saura-t-on plus un jour ?

On espère que les observations continueront d'améliorer la qualité des données cosmologiques, ce qui permettra de mesurer l'équation d'état de façon plus précise. Pour le reste, attendons...

Quel rapport avec la « matière noire » ?

A priori aucun. Toutefois, certains théoriciens aimeraient voir dans ces deux problèmes deux facettes d'un problème plus fondamental et les résoudre d'un coup. Des tentatives intéressantes ont été proposées en ce sens, mais sans succès éclatant pour le moment.


[si vous avez des remarques/suggestions, n'hésitez pas à me contacter par mp, il y a certainement des choses pas claires dans ce qui précède... ]