Légitimité de l'expansion

[inviteaceb3eac]

Bonsoir,

Je rédige un dossier sur l'expansion de l'Univers et j'aimerais expliquer pourquoi cette "hypothèse" (a priori) a fini par être définitivement adoptée. En effet, le lien de causalité entre le décalage spectral des galaxies et l'expansion ne me semble pas forcément évident. Dîtes moi si je me trompe, mais je vois deux étapes:
observation du décalage spectral -> éloignement des galaxies (effet Doppler) (1)
éloignement des galaxies -> expansion de l'Univers (2)

Pour l'étape (1), il me semble que le postulat nécessaire est l'existence de lois physiques universelles, c'est cela?
Pour l'étape (2), est-il juste de dire que le principe cosmologique permet de généraliser l'observation de l'éloignement de galaxies depuis la Terre à tout l'Univers?

Voyez-vous d'autres arguments?

Merci par avance,

Cordialement
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[Deedee81]

Salut,

Pour l'étape (1), il me semble que le postulat nécessaire est l'existence de lois physiques universelles, c'est cela?
Pour l'étape (2), est-il juste de dire que le principe cosmologique permet de généraliser l'observation de l'éloignement de galaxies depuis la Terre à tout l'Univers?

Pour le (2)
Si tu observes que toutes les galaxies s'éloignent de toi (ce qui est le cas) cela suffit pour en déduire l'expansion. Quite à dire qu'on est au centre.

Par contre, le fait que l'on observe également une vitesse proportionnelle à la distance suffit à en déduire qu'il n'y a pas d'endroit privilégié. On en déduit (au moins sous cette forme) que le principe cosmologique s'applique.

Pour la proportionnalité ou même le fait que le décalage dépende de la distance il faut en outre disposer de "chandelles standards" et calibrées. En bref, de méthodes de mesure des distances indépendantes du redshift. Il y a tout un arsenal pour ça : paralaxe, luminosité moyenne des étoiles et galaxies, Céphéides, supernovae de type Ia,... Ces chandelles permettent de vérifier la proportionnalité (ou l'écart à celle-ci) avec une grande précision. Il est par contre plus difficile de mesurer la constante de proportionnalité (constante de Hubble) car cela nécessite de calibrer les méthodes entre-elles, ce qui n'est pas toujours facile (il faut que les échelles de distance accessibles par ces méthodes se recouvrent suffisament pour pouvoir accumuler suffisament de données). Une grande amélioration a pu être obtenue grâce à Hyparcos qui a pu calculer avec une grande précision la distance de très nombreux objets proches par la méthode de paralaxe.

Pour le (1) il ne suffit pas de considérer les lois physiques. En effet, il peut y avoir d'autres phénomènes produisant un effet Doppler. Cela peut être un effet gravitationnel (décalage vers le rouge gravitationnel) ou un effet inconnu (lumière "fatiguée").

L'effet gravitationnel peut aisément être écarté car il impliquerait que la densité de matière augmente proportionnellement avec la distance (et pas qu'un peu !). Ce n'est manifestement pas le cas : la quantité de galaxie, de nuages de gaz, etc... est clairement identique quel que soit l'endroit où on regarde.

La lumière fatiguée peut aussi être écartée grâce aux supernovae. Celles-ci permettent une mesure indépendante de la distance grâce à une relation connue et observée entre leur luminosité absolue et la durée de la courbe de lumière. La luminosité apparente étant proportionnelle à 1/r². De plus, cette durée est aussi soumise à l'effet Doppler ! Si le redshift était dû à un effet inconnu de style lumière fatiguée, il faudrait expliquer par quel miracle cela colle avec l'augmentation de la durée des courbes de lumonsité des supernovae éloignées !

Enfin, ne pas oublier les confirmations importantes que sont les conséquences de cette expansion : rayonnement fossile et abondance des éléments légers (nucléosynthèse primordiale).

Et aussi le fait que l'on observe clairement l'évolution des galaxies au cours du temps (et donc de la distance). Par exemple les quasars n'ont été abondant que pendant une certaine période de la vie de l'univers.

Plus l'age des plus vieux objets (amas globulaires).

Ce n'est pas exhaustif.

[inviteaceb3eac]

Bonsoir,

Merci pour cette réponse très fournie, cela m'a éclairé.

Par contre, le fait que l'on observe également une vitesse proportionnelle à la distance suffit à en déduire qu'il n'y a pas d'endroit privilégié. On en déduit (au moins sous cette forme) que le principe cosmologique s'applique.

Je ne vois pas trop pourquoi cela empêche la Terre d'être un endroit particulier. Ne pourrait-elle pas justement être le seul endroit où l'on observe une vitesse d'éloignement proportionnelle à la distance?

Pour le (1) il ne suffit pas de considérer les lois physiques. En effet, il peut y avoir d'autres phénomènes produisant un effet Doppler. Cela peut être un effet gravitationnel (décalage vers le rouge gravitationnel) ou un effet inconnu (lumière "fatiguée").

Donc finalement ce qui légitime l'étape 1 c'est que seule l'interprétation selon l'effet Doppler tient debout?

Cordialement

[invite10e7600a]

En fait, la Terre pourrait être à un endroit particulier. Seulement, on essaye de garder le point de vue Copernicien et on essaye d'expliquer ce que l'on voit sans mettre la terre dans un lieu spécial. Pour cela, on est doit faire l'hypothèse du principe cosmologique : l'Univers est homogène et isotrope. Des expériences sont en cours pour essayer de voir si on serait dans un lieu privilégié ou pas, cependant le point de vue Copernicien est le plus élégant et largement admis dans la communauté.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteefd8627f]

Bonjour

Je ne vois pas trop pourquoi cela empêche la Terre d'être un endroit particulier. Ne pourrait-elle pas justement être le seul endroit où l'on observe une vitesse d'éloignement proportionnelle à la distance?

Je veux bien que la terre soit dans un endroit privilégié, mais jusqu'à présent rien dans les observations ne permet d'aller dans ce sens. Si tu peux apporter des éléments ...

Donc finalement ce qui légitime l'étape 1 c'est que seule l'interprétation selon l'effet Doppler tient debout?

Comme l'a expliqué Deedee, les autres explications ne sont pas crédibles. D'ailleurs le redshift observé n'est pas à proprement parlé un effet Doppler. Voir autres fils sur ce sujet.
Cordialement

[inviteaceb3eac]

Bonjour,

En fait, la Terre pourrait être à un endroit particulier. Seulement, on essaye de garder le point de vue Copernicien et on essaye d'expliquer ce que l'on voit sans mettre la terre dans un lieu spécial. Pour cela, on est doit faire l'hypothèse du principe cosmologique : l'Univers est homogène et isotrope. Des expériences sont en cours pour essayer de voir si on serait dans un lieu privilégié ou pas, cependant le point de vue Copernicien est le plus élégant et largement admis dans la communauté.

D'accord, donc rigoureusement pour l'étape (2) on doit aussi faire appel au principe cosmologique.

Bonjour
Je veux bien que la terre soit dans un endroit privilégié, mais jusqu'à présent rien dans les observations ne permet d'aller dans ce sens. Si tu peux apporter des éléments ...

Je suis bien conscient que rien ne permet d'aller dans ce sens, je cherche simplement les fondements nécessaires pour généraliser l'expansion en chaque point de l'Univers. Si j'ai bien compris on doit faire appel au principe cosmologique.

Comme l'a expliqué Deedee, les autres explications ne sont pas crédibles. D'ailleurs le redshift observé n'est pas à proprement parlé un effet Doppler. Voir autres fils sur ce sujet.

Tout à fait, c'est bien ce que je cherchais à savoir

Cordialement

[Deedee81]

Salut,

Juste un complément pour ça :

Je ne vois pas trop pourquoi cela empêche la Terre d'être un endroit particulier. Ne pourrait-elle pas justement être le seul endroit où l'on observe une vitesse d'éloignement proportionnelle à la distance?

Non, et c'est facile à vérifier. Tu peux le faire graphiquement par exemple.

Supposons donc que nous observions une expansion proportionnelle à la distance. Donc, V = H*D. Où H est la constante de Hubble et D la distance.

Supposons maintenant qu'on ait un observateur dans la galaxie Turluglubu, à la distance L. Que va-t-il observer ? Considérons un objet à la distance d par rapport à lui.

Par rapport à nous, cet objet sera à la distance D = L + d (je considère les valeurs signées, par facilité, comme des coordonnées). Sa vitesse par rapport à nous sera H*(L+d). Oui, mais Turluglubu se déplace par rapport à nous est H*L.

Donc, la vitesse que Turluglubu va observer est H*(L+d) - H*L = H*d. C'est-à-dire V = H*d.

Donc, sur Turluglubu ils observent aussi une expansion proportionnelle à la distance et avec la même constante H.

Ce raisonnement est à une dimension, je te laisse empoigner tes vecteurs et généraliser à trois dimensions

A noter deux choses :
- cela ne marche que pour une loi proportionnelle. C'est un peu plus difficile à prouver.
- La loi réelle n'est pas proportionnelle. H varie légèrement au cours du temps et à très très grande distance la loi s'écarte de la linéarité.

Cela veut-il dire que nous sommes en un endroit spécial ? Non. Car dans les raisonnements ci-dessus je n'ai pas tenu compte de la relativité. Oui, notre endroit est un peu particulier.... de notre point de vue ! Puisque lorsqu'on observe loin on observe le passé. La Terre est l'objet le plus "récent" qu'on observe. Tout le reste est dans notre passé.

A chaque instant, la loi est donc bien linéaire. Mais comme on observe le passé, on observe une loi linéaire différente à chaque époque. D'où les écarts.... sans remettre en cause les raisonnements précédents. Encore faut-il vérifier que tout ça reste correct, mais c'est juste plus compliqué, et il faut des modèles d'évolution de l'expansion au cours du temps.

Et tout cela se complique encore avec la relativité générale !

[inviteaceb3eac]

Salut,

Je te remercie pour cette explication c'est très clair
Donc si je comprends bien le principe cosmologique n'est pas nécessaire pour justifier l'expansion, et la loi de Hubble lui est conforme a posteriori c'est cela?