Pourquoi la nuit ?

[methammer]

Etant donné qu'il y a un très grand nombre d étoiles et que l univers est extrêmement vaste comment ce fait t il que le ciel soit noir (anscence de lumière).
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[invite06459106]

Voi ici:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Parado...ologie_moderne

[Gilgamesh]

Etant donné qu'il y a un très grand nombre d étoiles et que l univers est extrêmement vaste comment ce fait t il que le ciel soit noir (anscence de lumière).

Repost :


Dans un univers statique infini dans l'espace et dans le temps, uniformément remplis d'étoile (ou de galaxies), la voute celeste, de nuit comme de jour aurait la luminance moyenne de la surface d'une étoile, c'est à dire qu'on se trouverait dans un énorme four avec une température moyenne dans les 4 à 5000 K.

C'est le paradoxe de la nuit noire ou paradoxe d'Olbers (du nom d'Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823 - le paradoxe était déjà connu par Kepler en 1610 ainsi que Halley et Chéseaux au XVIIIe siècle).

Historiquement, ce paradoxe a eu son importance dans le cadre d'un univers newtonien. Auparavant (avant Copernic, Galilée), pour rappel, l'univers est fini et formé de coquilles concentriques solides (les "cieux") autour de la Terre. Soit un monde tout petit, ne générant aucun paradoxe de ce type. Avec Newton, les astres sont éparpillés dans un espace sans frontières concevables et la gravité structure tout ce petit monde. Or dans ce cas, un univers fini étendu dans un espace infini est instable. Les étoiles situées en périphérie vont être attirées vers le centre, la densité moyenne de l'univers va augmenter, le champs de gravité moyen va croitre et le collapse s'accélérer. La seule solution pour obtenir un univers stable est donc d'étendre le "gaz d'étoiles" à l'infini pour assurer un univers statique. Oui mais là on est alors confronté au paradoxe d'Olbers, situation inextricable.

On peut éventuellement soutenir que l'espace contient des gaz qui absorbent la lumière des étoiles les plus lointaines. De fait, le phénomène d'extinction n'est pas du tout négligeable au sein de la Galaxie (qu'on ne connait pas encore, je le rappelle). Mais sur la durée, ça ne lève pas le paradoxe. Les gaz interstellaires en absorbant le rayonnement vont s'échauffer et rayonner à l'équilibre autant que l'arrière plan.

Une première solution est donnée par Edgard Poe (le romancier). Si l'univers est infini dans l'espace, il ne l'est peut être pas dans le temps. Et dans ce cas, la lumière venue des confins n'a pas eu le temps de nous parvenir. C'est une solution relativement satisfaisante, d'autant que l'infinité dans le temps posait également le problème de savoir comment des phénomène transitoire (les étoiles) pouvaient encore briller et pourquoi l'entropie, phénomène irreversible, n'avait pas déjà tout dispersé depuis l'infinité des temps... Il reste quand même à expliquer l'apparition en un temps fini d'étoiles, de matière, dans un espace si ce n'est infini, en tout cas considérablement étendu. Car par ailleurs, on peut également soutenir que l'espace est fini et en effondrement depuis un temps fini. Mais il est assez dérangeant au plan intellectuel d'imaginer une bulle de gaz d'étoile au milieu d'un espace infini. Surtout que cette bulle doit être en train de s'effondrer. Ce qu'on n'observe pas ! Il faut bien se rappeler que l'on n'observe encore que les étoiles de la Galaxie ; les galaxies extérieures sont vues comme qq centaines de tache floues dont on ignore si on doit les confondre avec des nuages de gaz proches ou si ce sont des système d'étoiles lointains (théorie de Kant).

En fait, avant la Relativité Générale, il n'y a pas de cosmologie scientifique pour toutes ces raisons là.

La théorie d'Einstein relie la courbure de l'espace au contenu de l'Univers. Si la densité est suffisante, l'univers est hypersphérique c'est à dire fini mais sans bord. Plus besoin d'imaginer un espace infini, c'est un progrès majeur et le début de la cosmologie scientifique.

Seulement, si la densité n'est pas exactement la densité critique en chaque point de l'univers, on se retrouve avec le même problème qu'avec l'univers newtonien, avec deux solutions dynamiques. Si la densité dépasse la densité critique, l'univers s'effondre pour une raison tout à fait analogue à celle analysée dans le cas newtonien. Et le déclenchement de l'effondrement peut être causé d'après le modèle par n'importe quelle inhomogénéité de matière. Et si la densité est inférieure à la densité critique, alors l'espace est en expansion éternelle.

La différence essentielle avec le modèle newtonien, c'est que, en quelque sorte, la matière et l'espace intervertissent leur rôle dans la dynamique du phénomène. Dans la physique newtonienne la matière est mobile dans un espace statique. Dans la physique relativiste la matière est immobile dans un espace en expansion.

Dans le cadre d'un univers en expansion, le paradoxe d'Olbers est doublement réglé :

* l'Univers a un âge fini. L'énergie produite est elle même finie et nous la recevons d'un nombre fini d'astre. Il est vrai que l'arpentage de l'univers nous montre un univers quasi vide. L'ensemble des étoiles déversant leur énergie dans l'espace depuis le début des temps n'ont augmenté que de 1/1000e le nombre de photons qui remplissent l'Univers. Le reste, c'est le rayonnement fossile, reliquat de sa période chaude.

* l'expansion de l'espace fait que le rayonnement éblouissant des origines est décalé vers les grandes longueur d'onde, d'un facteur 1000 environ. Au moment où l'univers est devenu transparent, il rayonnait à T=3000 K, soit une longueur d'onde (en micron) de 3000/T = 1 micron (le proche infra rouge). Si ce rayonnement n'avait pas été redshifté, on se retrouverait dans le fours d'Olbers. La température ayant été divisé par 1000 par l'expansion, l'Univers rayonne à 3K, soit un rayonnement 3000/3 = 1 mm.

L'univers est donc bien remplis de rayonnement, comme dans le paradoxe d'Olbers, non du fait des étoiles mais du gaz chaud des origines. Seulement l'expansion de l'univers en a fait un rayonnement de basse énergie, invisible à l’œil nu, et les nuits sont noires.

[rik 2]

Ne serait-il pas possible qu'un univers statique existe si la fréquence des ondes électromagnétiques variaient avec la distance de la source?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gilgamesh]

Ne serait-il pas possible qu'un univers statique existe si la fréquence des ondes électromagnétiques variaient avec la distance de la source?

C'était une idée alternative (dite "tired light" cad de la "lumière fatiguée") proposée par Zwicky en 1929 pour expliquer le proportionnalité entre la distance et le redshift. Le modèle proposé introduisait une constante de "résistance de l'espace" expliquant la perte d'énergie de la lumière pendant le trajet.

Les problèmes que doit résoudre la théorie:

- il faut que la fatigue soit la même à toutes les longueurs d'onde (achromatisme), ce qui a priori suspect, pour un phénomène énergétique.
- il faut que le mécanisme n'induise aucune phénomène de diffusion puisque l'image des sources lointaines ne devient pas moins nette avec la distance. Là aussi, il n'est pas évident de mettre sur pied un phénomène dans lequel une interaction fait perdre de l'énergie à un rayonnement sans faire intervenir aucun choc capable de le diffuser,
- le phénomène doit suivre la loi d'évolution mise en évidence par l'observation des supernovae lointaines (cf. accélération de l'univers)
- il doit expliquer la dilatation du temps constatée sur les phénomènes astrophysiques lointains, comme l'élargissement de la courbe de lumière des supernovae

En définitive, on a une théorie qui n'est commandée par aucun mécanisme au niveau fondamental et qui doit multiplier les hypothèses ad hoc pour prendre en compte les nouveaux phénomènes mis à jour en cosmologique. Et ce, uniquement pour "sauver le phénomène" d'un univers statique (la théorie n'explique pas d'autres faits majeurs en cosmologie/astrophysique), alors que l'univers dynamique est une prédiction de la relativité générale.

Tout ça fait que la théorie de la lumière fatiguée est aujourd'hui presque complètement abandonnée.

[Nicophil]

Bonjour,

alors que l'univers dynamique est une prédiction la relativité générale.

Rappelons cependant que, au prix d'une constante cosmologique, la RG des années 1920 décrivait un univers statique.
Depuis 1998, retour d'une constante cosmologique ; mais déjà Lemaître décrivait un univers dynamique, grâce à elle. C'est ça qui est difficile à suivre...

[Gilgamesh]

Bonjour,

Rappelons cependant que, au prix d'une constante cosmologique, la RG des années 1920 décrivait un univers statique.
Depuis 1998, retour d'une constante cosmologique ; mais déjà Lemaître décrivait un univers dynamique, grâce à elle. C'est ça qui est difficile à suivre...

La cte cosmo n'amène un univers statique que si on lui fixe une valeur très particulière. Pour toute autre valeur l'univers est dynamique.

La raison pour laquelle Lemaître fait appel à cette constante est intéressante. Je cite

http://luth.obspm.fr/~luminet/Books/FL.html

Lemaître part des données expérimentales : l'observation des décalages vers le rouge des nébuleuses lointaines traduit l'expansion de l'univers, mais l'existence même de ces nébuleuses impose que, dans son passé, l'univers ait aussi connu des processus de contraction qui leur ont donné naissance. Pour Lemaître, expansion de l'espace et contraction de la matière sont les manifestations de déséquilibres entre deux forces cosmiques opposées : la gravitation, attractive, et celle décrite par la constante cosmologique, répulsive.

Par ailleurs, le résultat des observations impose une durée très restreinte pour l'évolution du monde et implique la nécessité d'une cosmogonie rapide. Selon Hubble en effet, le taux d'expansion est égal à 540 km/s/Mpc. Avec un taux d'expansion aussi rapide et en l'absence de constante cosmologique, l'univers actuel devrait avoir quelques 2 milliards d'années d'existence. Or on sait déjà, par l'étude des éléments radioactifs, que l'âge de la Terre est d'au moins 4 milliards d'années. Il est évidemment impossible que la Terre soit plus vieille que l'univers. Lemaître a donc doublement besoin de la constante cosmologique reniée par Einstein, à la fois pour rendre l'âge de l'univers compatible avec celui de la Terre, et pour laisser le temps aux condensations galactiques de se former.

Le modèle de Lemaître (cf. Fig. 2) divise l'évolution de l'univers en trois phases distinctes : deux expansions rapides séparées par une période de ralentissement. La première phase est une expansion de type explosif, issue de la désintégration radioactive d'un atome-univers. Pour cette phase, Lemaître utilise l'image du feu d'artifice qui, si elle est poétique, n'en est pas moins pédagogiquement contestable : elle a été source d'un malentendu constamment reconduit par la vulgarisation, présentant le Big Bang comme une explosion ponctuelle de matière dans un espace extérieur. La seconde phase correspond à un quasi-équilibre entre la densité de matière et la constante comologique, résultant en un rayon pratiquement constant durant une période dite de stagnation; les effets attractifs de la gravitation étant prépondérants à petite échelle, c'est au cours de cette phase que se forment les fluctuations de densité, lesquelles se condensent ultérieurement pour donner naissance aux grandes structures de l'univers, avec ses étoiles groupées en galaxies et ses galaxies en amas. La formation des condensations locales dérange les conditions d'équilibre, ce qui rend prééminente la contante cosmologique et déclenche la reprise de l'expansion. C'est la troisième phase, celle que nous observons aujourd'hui.

[f6bes]

Etant donné qu'il y a un très grand nombre d étoiles et que l univers est extrêmement vaste comment ce fait t il que le ciel soit noir (anscence de lumière).

Bjr à toi,
Tout simplement parce que tes yeux ne sont pas conçus pour " pose B" (longue pose).
Si tu mets une plaque PHOTOGRAPHIQUE vers le ciel en pleine NUIT...tu retrouveras ta
plaque toute " voilée" car elle aura subi continuellement l'arrivée des photons sur celle çi.
Il y donc bien de la "lumiére" et non pas une absence de lumiére.
Tout est dans la sensibilité du du dispositif quii capte la lumiére ( ton oeil ou un instrument astronomique )
Là est la différence.
Bonne journée

[rik 2]

C'était une idée alternative (dite "tired light" cad de la "lumière fatiguée") proposée par Zwicky en 1929 pour expliquer le proportionnalité entre la distance et le redshift.

N'empêche que ce que l'on constate en premier lieu c'est que la fréquence est fonction de la distance, mais que comme la fréquence est également fonction de la vitesse, on en déduit que la vitesse est fonction de la distance.

[Gilgamesh]

N'empêche que ce que l'on constate en premier lieu c'est que la fréquence est fonction de la distance, mais que comme la fréquence est également fonction de la vitesse, on en déduit que la vitesse est fonction de la distance.

Oui, mais on évite en fait de se référer à la notion de vitesse, qui est bancale et n'apporte aucune information substantielle (ce n'est pas une vitesse propre). Le redshift se suffit en lui même comme observable et donne accès à ce qui fait vraiment sens d'un point de vue astrophysique et cosmologique : l'âge de la source + sa distance angulaire, comobile et lumineuse.

[rik 2]

Je croyais que la loi d'Hubble tenait compte de la vitesse des galaxies.

[Gilgamesh]

Je croyais que la loi d'Hubble tenait compte de la vitesse des galaxies.

Avec Hubble, on est en 1929, la cosmologie est devenu une discipline mature depuis. Le fond du problème c'est que l'explication de la perte d'énergie du rayonnement est purement cosmologique : cette perte est progressive tout au long du trajet. Ce n'est pas un effet Doppler, qui s'établit dès l'émission et qui ne varie pas avec le trajet dans un univers statique.

Donc au départ Hubble traduit le redshift en vitesse de récession, et on trouve encore cette interprétation dans la littérature, mais je conseille de ne pas se concentrer là dessus.

Pour des faible distance (z<1) la relation v = Hd fonctionne bien :

- H (le taux d'expansion) ayant peu varié entre l'émission et la réception, l'approximation est correcte
- la vitesse calculée représente bien la vitesse effective avec laquelle s'éloigne la galaxie

L'explication du redshift par effet Doppler, quoique fondamentalement incorrecte, donne un résultat cohérent.

Mais pour z>1, ça devient embêtant :

- H ayant substantiellement varié entre l'émission et la réception, la loi de Hubble ne s'applique plus, il faut intégrer, c'est compliqué
- la vitesse obtenue excède c
-...sauf à utiliser la formule relativiste de l'effet Doppler, mais ça serait résoudre faussement le problème car la vitesse de récession excède effectivement c !

C'est pour les grands redshift que l'on s’aperçoit qu'il ne s'agit pas de vitesse propre. Si on a bien ça en tête, on peut continuer avec cette interprétation, mais vu que ça n'apporte rien (au sens où ce n'est pas la vitesse qui est à l'origine du redshift), et que ça demande un calcul supplémentaire faisant appel à un modèle, la notion de vitesse disparaît dans la littérature et on ne raisonne qu'en fonction de l'observable, le redshift qui est ce qui est mesuré et qui ne dépend pas du modèle.

[obi76]

Salut,

à ce sujet je profite de ton passage pour une petite question personnelle : la constante de Hubble, on dit "constante", mais est-on sur du fait qu'elle soit constante (en espace par exemple) ?

[Gilgamesh]

Salut,

à ce sujet je profite de ton passage pour une petite question personnelle : la constante de Hubble, on dit "constante", mais est-on sur du fait qu'elle soit constante (en espace par exemple) ?

Perso je préfère utiliser le terme de taux d'expansion que de constante de Hubble. Parce que justement elle n'est pas constante dans le temps. Par contre l'univers étant homogène en densité, le taux est le même pour l'ensemble de l'univers observable à un âge cosmique donné.

Pour une raison que je ne m'explique pas, les courbes d'évolution de H(t) sont quasi introuvables en ligne.. Je crois que c'était Calvert qui en avait posté une qu'il avait calculé lui même mais impossible de remettre la main dessus. J'ai fini quand même par trouver celle ci dessous qui me semble correcte.

credit

[obi76]

Merci pour ces précisions.

Par contre l'univers étant homogène en densité, le taux est le même pour l'ensemble de l'univers observable à un âge cosmique donné.

Dans ce cas, a-t-il déjà été envisagé qu'elle prenne des valeurs plus faibles dans les milieux les plus denses (à une échelle moindre), qui pourrait expliquer la force répulsive dont on parle tant... ?

[Calvert]

Je crois que c'était Calvert qui en avait posté une qu'il avait calculé lui même mais impossible de remettre la main dessus.

Je n'ai pas ce souvenir. C'était peut-être plutôt Goubliscrapule ? Il a souvent calculé lui-même ce genre de chose dans les sujets cosmologiques.

[Gilgamesh]

Je n'ai pas ce souvenir. C'était peut-être plutôt Goubliscrapule ? Il a souvent calculé lui-même ce genre de chose dans les sujets cosmologiques.

Oui, tu as raison

Il faudrait que je le fasse à mon tour.

[Gilgamesh]

Merci pour ces précisions.
Dans ce cas, a-t-il déjà été envisagé qu'elle prenne des valeurs plus faibles dans les milieux les plus denses (à une échelle moindre), qui pourrait expliquer la force répulsive dont on parle tant... ?

Un univers "accéléré" implique un taux d'expansion plus fort que celui prévu initialement, dans un modèle où la décroissance de H(t) est entièrement commandée par la dilution de son contenu matériel. Dans un univers sans constante cosmologique H ne cesse de décroître avec la densité, donc en a^-3. Et ce qu'on observe en fait c'est que la courbe de décroissance de H est en train de s’aplatir c'est à dire de rejoindre une asymptote H(t) = cte, correspondant à la valeur de la constante cosmologique (si celle ci est bien constante !).

Et sinon, effectivement mais en inversant l'effet : là où la densité est plus élevée, on peut raisonner comme si cette région de surdensité formait un "mini univers fermé". C'est à dire que cette région va suivre l'expansion dans un premier temps mais à un rythme un peu ralenti (courbe pleine) par rapport à l'univers moyen (courbe pointillée), puis au bout d'un temps d'autant plus court que la surdensité est prononcée, se recontracter (la bosse en haut de la courbe) pour diminuer son rayon de moitié (théorème du viriel) et se stabiliser (segment horizontal) pour donner naissance aux grandes structures (amas de galaxies).

source : Fundamentals of Cosmology (pdf intégral de excellent cours de James Rich, 2e édition, en anglais)

[obi76]

Merci beaucoup !