Distances et expansion de l'univers pour néophyte

[inviteeba09196]

Bonjour à tous!
Je n'ai que très peu de connaissances en astrophysique mais un bagage de physique suffisant pour l'enseigner au collège.

1/ J'aimerais donc qu'on m'explique comment on détermine les distances des éléments:
- de notre système solaire
- dans les systèmes voisins
- dans notre galaxie
- et enfin dans les galaxies voisines...
Les méthodes diffèrent-elles en fonction de la distance de l'objet étudié?

2/ A partir de quelles grandeurs mesure-t-on l’expansion de l'univers?

3/ Si je ne me trompe pas, l'univers est en expansion, et cette expansion s'accélère. Mais la variation de cette accélération est elle croissante ou décroissante?
J'ai cru comprendre que les modèles colleraient mieux avec un univers dont l'accélération de cette expansion serait négative. Pourquoi?

Je suis preneur de toutes réponses et de tous liens pouvant éclaircir mes idées. Merci d'avance!
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[Gilgamesh]

Bonjour à tous!
Je n'ai que très peu de connaissances en astrophysique mais un bagage de physique suffisant pour l'enseigner au collège.

1/ J'aimerais donc qu'on m'explique comment on détermine les distances des éléments:
- de notre système solaire

La distance Terre - Soleil sert de base et elle a été déterminée historiquement par triangulation sur la base du transit de Vénus devant le Soleil et des lois de Képler.

La loi de Képler s'exprime ainsi :



avec
T la période orbital de l'astre (la durée de son année)
a le demi grand axe de l'ellipse de son orbite (sa distance à l'étoile)
G la cte de gravitation 6,67e-11 SI
M la masse du système (assimilable à celle du Soleil dans le cas de notre système dans la mesure où il représente plus de 999/1000e de la masse)

En simplifié : on mesure T en année de 365j, a en unité astronomique (distance terre soleil) et M en masse solaire on a :

a³/T²=M

Dans le cas du système solaire, M étant fixe il suffit de connaitre la période orbitale d'un corps pour en déduire sa distance au Soleil.

Bien entendu, il existe des mesures plus directes, utilisant la propagation des ondes : on mesure la distance Terre Lune grâce à un laser, on a mesuré la distance de Vénus grâce à un écho radar, on peut calculer la distance des sonde grace au temps d'aller retour des échanges radio, etc.

- dans les systèmes voisins

Pour des étoiles voisines (moins de 200 années lumière) on le mesure par la parallaxe qui constitue la seule mesure absolue (déduite d'une simple triangulation) des distances interstellaires.

http://forums.futura-sciences.com/as...parallaxe.html
http://forums.futura-sciences.com/as...-annuelle.html


C'est dire comme cette mesure est précieuse, car elle va servir à calibrer le reste.

- dans notre galaxie

Le reste ce sont des mesure sur le principe des chandelles standard. Connaissant la luminosité absolu d'un astre donné il est aisé d'en déduire sa distance en mesurant la lumière reçu. Toute la difficulté est de calibrer précisément la méthode, évidemment. Le spectre d'une étoile nous permet de connaitre sa température de surface qui est lui même un indice de la masse et de la luminosité totale de l'étoile. Une fois calibré sur les étoiles proches, cela donne une estimation pas très précise mais robuste de la distance appelé "parallaxe spectroscopique" (bien qu'il n'y ait aucune triangulation là dedans).

On mesure également des type de géante rouge variable très brillante, les céphéides, dont l'éclat varie selon une période stable et liée à la luminosité absolue de l'astre. En mesurant la pulsation (ce qui est très simple) on en déduit sa luminosité absolu et par là sa distance.

- et enfin dans les galaxies voisines...

Pour les galaxie les plus proches (à moins d'une centaine de millions d'années lumière) la méthode des céphéides marche encore : ces étoiles sont si brillantes qu'on peut mesurer leur éclat à ces distances.

Cette relation sert à calibrer d'autres chandelles standards : luminosité de la région HII (région rosée de formation d'étoile dans les galaxies spuirales) la plus brillante, vitesse de rotation de la galaxie, en relation avec sa masse (cf relation de Képler ci dessus !) et donc sa luminosité (moyennant des modèles reliant masse et luminosité), etc. Et enfin, une nouvelle chandelle standard surpuissante, les supernovae de type Ia ou supernovae themonuclaires. Celles ci proviennent de l'implosion de naine blanche et de la combustion thermonucléaire instantanée de toute leur masse une fois que celle ci a dépassé une limite précise dite de Chandrasekhar (~ 1,4 masse solaire). La luminosité au pic est à la fois très grande et standard, ce qui permet des les apercevoir sur des distance supérieur au milliard d'année lumière.

Et enfin, toute ces mesures une fois compilées permettent de calculer la relation dite de Hubble reliant la distance d'un astre à son décallage vers le rouge (redshift). Cette relation assez simple rend possible les mesure de distance sur de vastes échantillons de galaxies (constitution de catalogue).

Les méthodes diffèrent-elles en fonction de la distance de l'objet étudié?

Donc oui.

2/ A partir de quelles grandeurs mesure-t-on l’expansion de l'univers?

~ 50 Mly (million d'année lumière)

3/ Si je ne me trompe pas, l'univers est en expansion, et cette expansion s'accélère. Mais la variation de cette accélération est elle croissante ou décroissante?

La "constante" de Hubble H0 qui relie la vitesse de récession v à la distance d
v = H0.d
est une variable strictement décroissante en relation avec la densité décroissante de l'univers. Mais la présence d'une "constante cosmo" rend cette décroissance moins rapide et c'est ce qu'on appelle "l'accélération de l'expansion".

J'ai cru comprendre que les modèles colleraient mieux avec un univers dont l'accélération de cette expansion serait négative. Pourquoi?

?

Je suis preneur de toutes réponses et de tous liens pouvant éclaircir mes idées. Merci d'avance

http://www.astro-carl.com/article.php3?id_article=47
http://www.imcce.fr/promenade/pages3/324.html

[invitec1f390dc]

Je suis un novice aussi... Oui l'univers est bien expansion, cette expansion est mesurable entre des galaxies très éloignée, à très grande échelles.
On a découvert il y a peut que l’expansion accélérais moins vite ce que l'ont pensais... Mais elle accélère tout de même en permanence, c'est une accélération croissante.
Ce sont principalement les Super-Nova qui permettent d'établir ces mesures grâce à leurs décalages vers le rouge. (effet Doppler)
Plus les objets sont éloignés de nous, plus l’expansion est "forte", la vitesse d'expansion est donc proportionnelle à la distance.
Pour les objet très éloignés, ont utilise également ce phénomène pour évaluer les distances, en mesurant la vitesse radiale des objets on arrive en suite à estimer la distance qui nous séparent de cet objet.
Je te propose d'attendre d'autre commentaire, surement plus complet que le miens.

[Garion]

On a découvert il y a peut que l’expansion accélérais moins vite ce que l'ont pensais... Mais elle accélère tout de même en permanence, c'est une accélération croissante.

Non, c'est ce que viens de dire Gilgamesh. L'accélération de expansion est décroissante, mais de moins en moins.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Il y a peut-être permutation entre "accélération et décélération"

En l'absence d'énergie noire (ou de constante cosmologique ou de ce qui lui tient lieu), l'expansion devrait décélérer au cours du temps. C'est bien ce qu'on observe, il y a un ralentissement. Mais moins fort qu'attendu.Le terme "accélération" est un peu surfait mais il traduit un résultat purement arithmétique :
décélération observée = décélération théorique - accélération due à ???
Et si cette accélération venait à augmenter ou du moins à devenir plus grande que la décélération théorique (qui diminue au cours du temps), l'accélération totale finirait par devenir positive. Là ce serait inquiétant (théorie spéculative du Big Rip). Au moins d'après les observations, cela ne semble pas aller dans ce sens. Mais tant qu'on ne connaitra pas la raison physique de ce phénomène, difficile de se prononcer avec certitude.

[inviteeba09196]

Merci à Gilgamesh pour cette réponse/ce dossier!
Merci aux autres d'avoir compléter cette réponse!

J'aimerais cependant quelques précisions (désolé si je vous fait répéter):
- La distance au Terre-Soleil a-t-elle été déterminée avant la masse du soleil ou est-ce l'inverse?

- On évalue la masse des étoiles en fonction de leurs spectres. Toutes les étoiles fonctionnent-elles de la "même manière". Un spectre d'une étoile qu'on considère sans mouvement relatif correspond-il toujours à une seule température, une seule masse, un seul age de l'étoile et une seule luminosité totale?

- On cherche à déterminer la distance d'une étoile lointaine (pas de triangulation possible) ET sa vitesse relative. Comment fait-on pour faire la part des choses entre vitesse et distance de l'astre puisque le spectre (ou la pulsation) est modifié par effet Doppler... Est-ce là qu'intervient la méthode de la parallaxe spectroscopique?

- Quel est l'ordre de grandeur des incertitudes relatives sur ces mesures intergalactiques?

- Sur quoi est basé le calcul de la décélération théorique? Une simple attraction gravitationnelle? Si tel est le cas, quid de la masse de l'univers non observable?

[Gilgamesh]

'aimerais cependant quelques précisions (désolé si je vous fait répéter):
- La distance au Terre-Soleil a-t-elle été déterminée avant la masse du soleil ou est-ce l'inverse?

La distance d'abord, en se basant sur la distance Terre Lune elle même correctement estimée à 60 rayons terrestres dès le IIIe siècle av JC (Aristarque de Samos)
http://www.astro-carl.com/imprimer.php3?id_article=74

- On évalue la masse des étoiles en fonction de leurs spectres. Toutes les étoiles fonctionnent-elles de la "même manière". Un spectre d'une étoile qu'on considère sans mouvement relatif correspond-il toujours à une seule température, une seule masse, un seul age de l'étoile et une seule luminosité totale?

Oui pour l'essentiel, la vie d'une étoile dépend d'une critère clé : sa masse initiale. Pour obtenir des modèles plus détaillés, il faut également prendre en compte sa composition chimique, elle même résumée par la proportion en éléments lourds (plus ourd que l'He 4), improprement appelé métallicité. La présence de compagnon peut également être déterminant, si le couple est serré (transfert de masse). Il faut également prendre en compte sa rotation et son champs magnétiques.

- On cherche à déterminer la distance d'une étoile lointaine (pas de triangulation possible) ET sa vitesse relative. Comment fait-on pour faire la part des choses entre vitesse et distance de l'astre puisque le spectre (ou la pulsation) est modifié par effet Doppler... Est-ce là qu'intervient la méthode de la parallaxe spectroscopique?

L'effet Doppler est en v/c, l'effet sur la pulsation est absolument infime.

- Quel est l'ordre de grandeur des incertitudes relatives sur ces mesures intergalactiques?

Pfou... Ca dépend de la méthode mais c'est toujours assez élevé. Le "sigma" (la dispersion des mesure servant à calibrer) est disons supérieur à 0,1 et ça peut aller du simple au double. Il faut donc multiplier les angles d'approche pour avoir une vue d'ensemble statistiquement correcte.

De façon générale, en astronomie quand on mesure une grandeur à un log près, on est content

- Sur quoi est basé le calcul de la décélération théorique? Une simple attraction gravitationnelle? Si tel est le cas, quid de la masse de l'univers non observable?

Oui, c'est gravitationnel et c'est basé sur l'hypothèse d'un univers globalement homogène (de même densité partout). Et dans ce cas, c'est le seul paramètre à prendre en compte. Il existe des modèles explicatifs de l'accélération basé sur l'hypothèse d'un univers inhomogène, mais comme aucun indice sérieux (théorique ou observationnel) ne va dans ce sens, l'explication la plus consensuelle fait intervenir une constante cosmo non nulle.




Un exposé assez fournis sur la mesure des distances en astronomie :

http://www.planetastronomy.com/artic...e-distance.htm