Un photon qui vient du fond de l'univers, comment conserve t-il son énergie?

[Arutuf6]

Bonjour,

Je me permets de vous exposer un problème simple, me semble-t-il, toutefois et à ce jour, personne n'a pu me donner une réponse que je puisse comprendre pour admettre qu'un photon, dont il est dit qu'il est parti d'une partie de l'univers, il y a quelques millions ou milliards d'années, ait, aujourd'hui encore la faculté d'avoir assez d'énergie pour venir « impacter » ou « impressionner » une plaque photographique ou un ccd, (charge coupled devisé). Seules précisions donner dans les réponses, voyez les équations de Planck, c’est expliqué par la théorie de xyz, etc.

Certes, je suis ouvrier d'État - je n'ai donc pas suivi des études universitaires - néanmoins, mes très nombreuses lectures d'ouvrages de scientifiques qui vulgarisent correctement leurs connaissances m'ont permis d'avoir quelques notions qui m'autorisent à concevoir certaines explications, relativement compliqués ou complexes comme un électron qui s'échappe d'un fil chauffé dans un tube et que l'on recueille sur une plaque trouée.

Merci et cordialement.
-----

[Garion]

Si tu lances n'importe quel objet dans un espace bien vide, il ne va jamais ralentir et ne dissipera donc pas son énergie.
Si c'est un photon, comme il ne rencontre rien, il continue sur sa lancée (bien qu'on ne puisse pas formellement parler de lancée puisqu'il se déplace toujours à la même vitesse), il n'y aucune raison qu'il perde de l'énergie. S'il rencontre quelque chose, il sera absorbé et ne nous parviendra donc jamais.
Sur terre, ce sont les frottement de l'air qui ralentissent et dissipent donc l'énergie d'un objet.

[tittou]

De plus le photon n'a pas de masse, c'est ce qui lui permet de voyager à la vitesse de la lumière, et qui dit pas de masse dit pas de frottement, et donc aucun ralentissement... il conserve donc l'énergie qu'il reçoit au départ à l'infini...

[Arutuf6]

Bonsoir,

Ainsi, la loi dite de la dégration de l'énergie n'est valable que sur Terre ! Pareillement, serait-il possible de m'indiquer comment est déterminé le point de départ de la mesure et la distance ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Précisons aussi que ces photons subissent un décalage vers le rouge (ce qui correspond à une diminution de l'énergie). Mais ce n'est pas vraiment une perte d'énergie, c'est une question de relativité (même pas nécessairement celle d'Einstein).

Par rapport à nous, le point d'émission fuit (expansion de l'univers), c'est donc tout simplement le fait que l'énergie cinétique est relative (c'est un tantinet plus compliqué avec la relativité générale, mais ne compliquons pas , on parle "d'étirement" de la longueur d'onde à cause de l'expansion). Tout comme être assis dans une voiture en marche fait moins mal que d'être assis devant la voiture , l'énergie de la collision (l'énergie de notre photon) dépend de la vitesse relative de la source et du récepteur. On appelle cela l'effet Doppler-Fizeau et c'est connu de très longue date (deux siècles. En cosmologie on parle plutôt de redshift cosmologique). Ca marche aussi avec le son.

C'est vrai aussi d'objets plus proches. Une étoile s'approchant de nous est plus bleue qu'une qui s'éloigne. Ainsi la galaxie d'Andromède fonce vers la nôtre (elle fusionneront dans un milliards d'années) et ça se mesure facilement.

Ainsi, la loi dite de la dégration de l'énergie n'est valable que sur Terre !

Heu.... Jamais entendu parler de "loi de la dégradation de l'énergie". Ca vient d'où ? Tu as une référence ? Un lien ?

Pareillement, serait-il possible de m'indiquer comment est déterminé le point de départ de la mesure et la distance ?

Je ne sais pas ce que tu veux dire pour le "point de départ de la mesure".

Pour mesurer les distances en astronomie on utilise plusieurs choses :
- Des mesures directes (parallaxe)
- Des mesures indirectes (utilisation de chandelles standards, c'est-à-dire dont on connait une loi donnant leur luminosité : céphéides, supernovae de type Ia, galaxies,....). Certaines très précises (les deux premières), d'autres moins.
- La loi de Hubble reliant le décalage vers le rouge (le redshift cosmologique) à la distance

En combinant ces trois sources (ce qui nécessite de nombreuses mesures, des analyses,...) on peut déterminer les distances.

On n'a une difficulté qu'avec le rayonnement fossile car c'est un rayonnement thermique uniforme émis par du gaz : on ne peut y trouver d'objets pouvant servir de référence et pour connaitre le décalage vers le rouge il faudrait connaitre la température du gaz lorsqu'il a été émis (on ne peut mesurer le décalage en utilisant les raies spectroscopiques, un rayonnement thermique n'en a pas). On utilise donc les modèles cosmologiques établit en partie grâce aux mesures précédentes.

[Arutuf6]

Bonjour à tous et Deedee81,

Heu.... Jamais entendu parler de "loi de la dégradation de l'énergie". Ca vient d'où ? Tu as une référence ? Un lien ?

Ok pour mon manque de précision. Ce que voulais exprimer le plus simplement possible et que l'expérience sur terre nous montre, c'est qu'un système physique livré à lui-même tend à devenir spontanément de plus en plus désordonné et qu'il y a donc nécessairement et obligatoirement une dégradation de l'énergie. Ce qui ne semble pas être applicable au cas du photon pris comme exemple dans ma demande et qui part d’un point quelconque de l’Univers. Voici deux liens parmi bien d’autres (2 et 3).

Par rapport à nous, le point d'émission fuit (expansion de l'univers), c'est donc tout simplement le fait que l'énergie cinétique est relative (c'est un tantinet plus compliqué avec la relativité générale, mais ne compliquons pas…

Me semble-t-il, vous comme moi nous admettons en logique conventionnelle qu'il y a bien un point d'émission.Ma demande d'explication, je la simplifie comme cela :

Serait-il possible de m’aider à comprendre comment, après avoir mis une plaque photographique derrière un télescope ou un ccd derrière un… radiotélescope, il est possible de formuler que le photon réceptionné sur la plaque est bien parti depuis X millions ou milliards d’années ! La question est là et seulement là pour l'instant.


1 - http://www.futura-sciences.com/magaz...s/dico/d/physi -
2 - http://www.cea.fr/jeunes/themes/l-en...aracteristique -

[f6bes]

Serait-il possible de m’aider à comprendre comment, après avoir mis une plaque photographique derrière un télescope ou un ccd derrière un… radiotélescope, il est possible de formuler que le photon réceptionné sur la plaque est bien parti depuis X millions ou milliards d’années ! La question est là et seulement là pour l'instant.

Bonjour à toi,
Ben ça dépends de ce que tu vises comme "source".
Encore faut il etre sur que tu ne reçois les photons QUE de cette source.
Dans un télescope (large ouverture) tu reçois des photons qui sont partis il y a...UNE seconde (en provenance de la Lune).Mais si ton télescope
"déborde" de l'image de la lune, tu reçois AUSSI des photons venat d'une ( des ) étoiles situées à des....DIZAINES d'années lumiéres.

Ils impressionneront de la MEME maniére ta plaque photographique. C'est pas " l'impact" des photons qui t'indiquera d'ou ils proviennent et leur distance.
C'est pas de cette façon que l'on détermine leur...provenance.
Donc il n'y a pas UN point d'émission , mais des multiples dans l'univers au MEME moment.
La champ des meilleurs télescopes ENGLOBE de multiples points d'émission et non pas UN.

Bonne journée

[Deedee81]

[QUOTE=Arutuf6;4631782]
Ok pour mon manque de précision. Ce que voulais exprimer le plus simplement possible et que l'expérience sur terre nous montre, c'est qu'un système physique livré à lui-même tend à devenir spontanément de plus en plus désordonné et qu'il y a donc nécessairement et obligatoirement une dégradation de l'énergie. Ce qui ne semble pas être applicable au cas du photon pris comme exemple dans ma demande et qui part d’un point quelconque de l’Univers. Voici deux liens parmi bien d’autres (2 et 3).
[/QUOTE[

Le désordre ou (mieux) l'entropie ne concerne que des systèmes complexes constitués d'un grand nombre de particules. C'est un phénomène purement statistique.
- Un système macroscopique évolue toujours avec augmentation de l'entropie totale (le système et son environnement)
- si l'entropie maximale est atteinte, elle n'augmentera plus
- Cela ne change pas la conservation de l'énergie totale qui reste conservée
- Le photon n'est pas concerné par l'entropie, du moins si on le considère isolément, puisque cela ne concerne que des systèmes avec des milliards de particules (un rayonnement thermique, par exemple, est typiquement lié à ces effets mais il est composé de milliards de photons émis par un corps composés de milliards d'atomes).

Un système a aussi tendance à évoluer vers un état d'énergie minimale.... du moins s'il n'y a pas d'apport d'énergie de l'extérieur. Mais l'énergie totale reste conservée. Par exemple, un atome excité émet un photon en retombant dans son état de base. L'énergie du photon est égal à la variation d'énergie de l'atome.

Un photon isolé ne va pas voir son énergie varier, sauf dans quelques cas :
- s'il interagit avec une autre particule ou un atome (mais il n'est plus isolé dans ce cas ). Il peut être absorbé ou rebondir avec variation d'énergie (effet Compton)
- l'effet Doppler ou le redshift cosmologique : voir mon message précédent
- s'il va dans une région de champ gravitationnel différent. Ainsi, la lumière émise par les étoiles est très légèrement décalée vers le rouge (redshift gravitationnel, = perte d'énergie) car les photons doivent d'abord sortir du puis gravitationnel de l'étoile, ce qui coute un peu d'énergie. A contrario, un photon arrivant sur Terre voit sa longueur d'onde légèrement décalée vers le bleu en "tombant" dans le puis gravitationnel terrestre. Effet infime mais qui peut être mesuré (expérience de Hafele et Keating. GPS). C'est exactement ce qui se passe avec un météorite qui tombe sur Terre : il prend beaucoup de vitesse (sauf que le photon lui n'accélère pas, relativité oblige, mais voit bien son énergie augmenter).

Me semble-t-il, vous comme moi nous admettons en logique conventionnelle qu'il y a bien un point d'émission.

Pour le point d'émission, pas de problème, forcément qu'il y en a un. C'est la question que tu posais que je ne comprenais pas

Ma demande d'explication, je la simplifie comme cela :

Serait-il possible de m’aider à comprendre comment, après avoir mis une plaque photographique derrière un télescope ou un ccd derrière un… radiotélescope, il est possible de formuler que le photon réceptionné sur la plaque est bien parti depuis X millions ou milliards d’années ! La question est là et seulement là pour l'instant.

Le photon et la trace sur la photographie ne permet pas de le savoir a priori : un photon ne vieillit pas.

Tout ce qu'on peut dire c'est que :
- En regardant la plaque photographique, on peut identifier les objets qu'on a observé
- par les méthodes dont je parlais dans le message précédent on connait la distance
- on connait la vitesse de la lumière : toujours mesurée égale à 300000 km/s dans tous les cas. Et il suffit d'ailleurs de faire sa longueur d'onde fois sa fréquence pour avoir sa vitesse, la vérification est aisée.
- Et donc on sait combien de temps la lumière a voyagé jusqu'à nous

Il existe aussi des méthodes indirectes : en regardant les objets on peut déterminer leur âge par comparaison avec des objets plus proches (évolution des étoiles, des galaxies, etc., évolution en température, luminosité, composition chimique (*), etc...)
(*) cela se détermine en examinant le spectre de la lumière. Chaque atome a une véritable signature.

Et on peut constater que plus on observe loin plus on observe des objets jeunes (un cas frappant est les quasars qui ne sont observé que pendant une période de l'histoire de l'univers).

Tout est en accord : même la mesure (fort précise) de l'âge du système solaire et de l'âge de la Terre.

[Nicophil]

Bonjour,

Un photon va toujours tout droit, donc pas de problème pour identifier sa source!

[Arutuf6]

Re, à tous.

Deedee81

1 - Vous avez utilisé le vocable d'entropie. (Toutefois, après avoir commencé à le mettre dans ma question initiale - j’ai effectué une recherche sur le sens exact - et…, je l’ai immédiatement retiré tellement les utilisations divergent et reposent, dans certains cas sur des notions).

2 - Une nouvelle fois je reconnais mon manque de précision. Oui, c’est une erreur d’avoir réduit à un seul photon. La réduction à un photon seul est le cas théorique d’une première expérience de pensée. Pareillement il est évidemment, que je n’ai pas évoqué toutes les possibilités de rencontres qui se trouvent sur la route de ce nuage de photons avant d’arriver sur le ccd.

3 - Est-il exagéré de, dire que : « … par une belle nuit, en dirigeant mon radiotélescope vers un point de l'univers, encore évidemment après un certain temps de réflexions, de mise au point, etc., un nuage de photons venant des fins fonds et - qui n'attendait que cela - se matérialise à mes yeux, certes, après quelques transformations radioélectroniques et…, que je puisse assurément dire qu'ils viennent de X années-lumière ». (Même en recevant les diverses tentatives de corrélations données précédemment, tout cela est, pour moi, bien nébuleux).

Ma conclusion provisoire à ce stade : Si, à cet instant, j’étais dans la nécessité de donner des explications à un « enfant de cinq ans », j'aurais encore de sérieuses difficultés.

Cordialement à tous.

[f6bes]

3 - Est-il exagéré de, dire que : « … par une belle nuit, en dirigeant mon radiotélescope vers un point de l'univers, encore évidemment après un certain temps de réflexions, de mise au point, etc., un nuage de photons venant des fins fonds et - qui n'attendait que cela - se matérialise à mes yeux, certes, après quelques transformations radioélectroniques et…, que je puisse assurément dire qu'ils viennent de X années-lumière ». (Même en recevant les diverses tentatives de corrélations données précédemment, tout cela est, pour moi, bien nébuleux).

Ma conclusion provisoire à ce stade : Si, à cet instant, j’étais dans la nécessité de donner des explications à un « enfant de cinq ans », j'aurais encore de sérieuses difficultés.

.

Bonsoir à toi
Un "nuage" de photons n'attends strcitement RIEN.
Les photons ont été émis par la source et ils fonçent à 300 kms/s dans une direction.
Ils n'attendent pas que tu sois ou pas !!
Si tu n'es pas sur leur trajet, tu ne pourras les voir (toi ou ta plaque photo ), tout simplement.
Soit tu arrives APRES qu'ils soient "passés" et là c'est rapé. Soit tu t'es préparé à l'avance et là tu pourras les intercepter et ils
"mourront" à l'interception.
En général faut pas considérer l'émission de photons de façon discontinu ( UN nuage).
L'émission des photons galactiques est quasiment ...continu...tant que la sourçe en émet ( jusqu'à sa mort).
Si tu ne sais QUEL objet céleste tu vises , tu ne peux dire, ils ont parcouru x ...années lumiéres.
C'est la connaissance de la "carte de l'univers" qui permettra de te repérer.

On sait mesurer la distance des différents objets célestes par la résolution géométrique.... et d'autres méthodes.
Connaissance d'angles et de distance de base (par exemple le diamétre de la terre).
Au fil du temps ces mesures deviennent de plus en plus préçises grace au satellites.
Bonne soirée

[Gilgamesh]

3 - Est-il exagéré de, dire que : « … par une belle nuit, en dirigeant mon radiotélescope vers un point de l'univers, encore évidemment après un certain temps de réflexions, de mise au point, etc., un nuage de photons venant des fins fonds et - qui n'attendait que cela - se matérialise à mes yeux, certes, après quelques transformations radioélectroniques et…, que je puisse assurément dire qu'ils viennent de X années-lumière ». (Même en recevant les diverses tentatives de corrélations données précédemment, tout cela est, pour moi, bien nébuleux).

Ils n'attendaient pas que cela, ils sont là. Chaque fois que tu jettes un regard sur une étoile le flux qui rentre dans ta pupille c'est une carottage de photons. Tu peux imaginer un tube du diamètre de ta pupille (d'ouverture 8 mm dans l'obscurité) et qui aille jusqu'à l'étoile, située à disons une centaine d'année lumière (c'est la distance typique d'une étoile visible). Les photons qui excitent ta rétine n'ont pas quitté ce tubes et ont de ce fait une destin assez exceptionnel. La plupart de leur congénères s'éparpilleront dans l'univers sans réagir avec la moindre molécule capable de générer une dépolarisation de la membrane d'une cellule formant potentiel d'action (=un influx nerveux élémentaire) dans un axone actionnant l'aire visuelle d'un primate muni d'un conscience réflexive qui se dira sous l'effet de ces impacts multipliés, "c'est beau la nuit". Et seule cette dernière étape qui dure une milliseconde les rend différend de tous ceux qui ont été émis par l'étoile. Pour te procurer cette émotion chaque fois que tu jettes une regard vers les cieux, ils doivent donc être nombreux. Ils le sont, sans ce flux continu, ta vision d'une étoile serait clignotante.

Combien exactement ?

Le graphique ci dessous te donne le flux de photons venant de l'univers sur Terre.

Vu le sujet, des rayonnements dont la valeur varie aisément en puissance de un à un milliard selon le domaine spectral, on manie les puissance de 10. L'échelle est logarithmique, ce qui signifie qu'entre deux graduations sur l'axe vertical, il faut multiplier par 10 (le CMB est environ deux graduations soit 10²= 100 fois plus plus puissant que le CIB ou le CUOVB).

CGB : fond gamma
CXB : fond rayon X
CUVOB : fond ultra violet et optique
CIB ; fond infra rouge
CMB : fond micro onde cosmologique
CRB : fond radio


La bande spectrale que tes yeux perçoivent (capable de faire changer la conformation des molécules photosensibles dont sont remplis les saccule des cellules en bâtonnet ou en cône de ta rétine, et de générer un potentiel d'action) est la bande CUVOB, sans les UV, de longueur d'onde typique un demi micron.

Comme tu peux le voir, il existe d'autre photons dans l'univers qui traversent ta pupille mais sans générer de potentiel d'action. Dans l'infra rouge déjà (qq microns), et dans la bande micro onde (longueur d'onde 1 mm), qui supplante de loin toutes les autres.

Note bien l'abscisse : des nanoWatt (des milliardième de Watt), par mètre carré et par steradian.

Un Watt c'est un Joule par seconde : c'est donc la puissance énergétique reçu. Un m2 tu sais ce que c'est. Par steradian : c'est un angle solide, qui représente un cône d'ouverture un radian soit ~57° c'est à dire que la valeur que tu lis en abscisse c'est ce que reçois (la nuit, le Soleil est évidemment laissé de côté) un mètre carré de sol depuis une zone angulaire du ciel ouverte d'un radian. Si tu veux avoir cette valeur pour une surface ouverte à tous les horizons (disons à la surface d'un océan) tu multiplie tout par 2pi, ce qui n'est pas grand chose (6,3 en gros). Si tu veux avoir ce qui traverse ton oeil, tu multiplie ça par le diamètre de ta pupille (R~1cm) divisé par la longueur de ton oeil (L~1 cm) soit en gros R/L=1 radian. Donc à pas grand chose près la valeur que tu lis sur le graphique, c'est ce qui arrive sur ta pupille en terme de flux d'énergie (en W/m²), que tu dois simplement multiplier par la surface de ta pupille (pi.R²) pour avoir l'énergie totale qui génère la sensation. Mais uniquement sur les longueur d'onde optique, soit de 0,3 à 0,6 µm (1µm = 10^-6 m).

Dernière étape de la réflexion : passer d'un flux d'énergie (en W/m2) à un flux de photons (en nombre de photon/m2, soit en 1/m2, vu qu'un nombre est sans dimension en physique).

C'est pas bien compliqué, tu prend le flux reçu en nWatt (10^-9 Watt par seonde) et tu divise par par l'énergie individuelle d'un photon, qui est donnée par la longueur d'onde émise en µm indiqué sur la graphique .

E = h.lambda/c

avec
h la constante de Planck 6.10^-34J.s
c la vitesse de la lumière 3.10⁸ m/s
lambda la longueur d'onde en mètre (ici les valeur son exprimé en µm soit 10^-6 m)

[Deedee81]

Salut,

Je ne repond pas aux autres questions, f6bes et Gilgamesh ayant été très complet

Je ne penche donc que sur l'aspect "comprendre" :

Ma conclusion provisoire à ce stade : Si, à cet instant, j’étais dans la nécessité de donner des explications à un « enfant de cinq ans », j'aurais encore de sérieuses difficultés.

Ce n'est pas illogique. C'est une difficulté générale avec la vulgarisation.

Ca peut apporter un certain éclairage. Mais d'une manière générale la vulgarisation n'est que la traduction (souvent incomplète, imparfaite, déformée, essentiellement à cause du sens des mots de la langue courante qui sont mal adaptés à ces domaines) d'une connaissance plus technique (expérimentale et mathématique) extrêmement vaste et où tout est lié. C'est comme résumer Guerre et Paix en quelques phrases avec un vocabulaire de vingt mots.

Il est donc périlleux voire impossible de raisonner correctement dans un domaine avec seulement une connaissance vulgarisée du sujet. Il manque la source. Et malheureusement l'expérience m'a aussi montré que c'était parfois difficile de comprendre pourquoi.

Et donc il peut être difficile dans ce cas de se faire soi-même porte parole. Pour peu qu'il y ait une question qui déborde ne fut-ce qu'un tant soit peux de ce qui avait été vulgarisé et c'est la bérésina.

Mais il ne faut se mettre martel en tête pour ça. La vulgarisation aide à visualiser, à prendre connaissance du sujet et de ce dont on y parle et pourquoi, elle aide à rêver (ce qui à mes yeux est fort important). Après, si on est vraiment passionné, on peut toujours aller plus loin.

[f6bes]

, que je puisse assurément dire qu'ils viennent de X années-lumière ». (Même en recevant les diverses tentatives de corrélations données précédemment, tout cela est, pour moi, bien nébuleux).

Ma conclusion provisoire à ce stade : Si, à cet instant, j’étais dans la nécessité de donner des explications à un « enfant de cinq ans », j'aurais encore de sérieuses difficultés.

Bonjour à toi,
Suite à mon MP, voiçi en ANIMATION la mesure par la méthode "parallaxe".
http://www.google.fr/url?sa=t&rct=j&...,d.bGE&cad=rja
73

[invite21348749873]

Bonjour
Une question qui me tracasse.
Un photon émis par une étoile arrive t- il directement sur ma pupille?
N'a t il pas rencontré en route de la matiere gazeuse, des poussieres, avec lesquelle il a pu interferer , generant d'autres photons de fréquence différentes?
Comment puis je etre sur que ce photon vient de cette étoile, absolument identique?

[Deedee81]

Salut,

F6bes,

L'explication est excellente mais je n'ai pas vu d'animation. Seulement des images fixes. J'ai mal regardé ????

[Deedee81]

Salut,

Une question qui me tracasse.
Un photon émis par une étoile arrive t- il directement sur ma pupille?
N'a t il pas rencontré en route de la matiere gazeuse, des poussieres, avec lesquelle il a pu interferer , generant d'autres photons de fréquence différentes?
Comment puis je etre sur que ce photon vient de cette étoile, absolument identique?

Si, de telles altérations existent. Et ça s'observe (et c'est extrêmement utile) : raies d'absorptions par des nuages intermédiaires, légères déviations (effets de lentille gravitationnelle ou microlentilles).

Mais les effets sont heureusement faible sinon on ne verrait plus rien.

Bien entendu, on ne peut pas s'assurer pour UN photon déterminé qu'il vient bien de l'étoile. On ne peut le faire qu'avec suffisamment de lumière reçue. Ce n'est pas différent de ce qu'on pourrait faire sur Terre. Si tu prends une photo d'un ami et qu'en développant tu vois une grosse tache, il est facile de comprendre que quelque chose est passé devant l'objectif. Mais si tu regarde juste UN pixel de la photo, difficile de dire ce qui a impressionné ce pixel.

La parallaxe dont on a parlé, par exemple, nécessite de pouvoir reconnaitre les images. Donc, impossible de faire ça avec un seul photon.

[f6bes]

Bjr Deedee81,
Moi aussi sur le coup je n'ai vu qu'une image fixe , mais l'animationest bien là et c'est...ASSEZ lent !
Ce qui "n'attire pas " l'oeil !! Voir " "parallaxe dune étoile proche" (image du bas)
Bonne journée

[Deedee81]

Moi aussi sur le coup je n'ai vu qu'une image fixe , mais l'animationest bien là et c'est...ASSEZ lent !
Ce qui "n'attire pas " l'oeil !! Voir " "parallaxe dune étoile proche" (image du bas)

Ah oui, en effet, joli.

Merci,