Le voyage des principaux composants de la matière terrestre depuis le Big Bang

[invite42ea07c5]

Bonjour,

Je viens ici pour poser quelques questions naïves sur un problème (qui n'en est peut-être pas un) relatif au déplacement, depuis le Big Bang jusqu'à nos jours, des particules de matière qui composent la Terre. C'est probablement un sujet qui a été abordé de nombreuses fois ici, mais je n'ai pas trouvé de réponse explicite, donc je me permet d'ouvrir modestement cette discussion pour qu'une âme charitable m'éclaire. Voici ce que je ne comprends pas :

On explique qu'à un certain instant t, très proche du Big Bang, la "matière primitive" se trouvait concentrée dans une petite, du moins à l'échelle humaine, portion de l'espace. Est-il permis de se représenter intuitivement ce que semble signifier cette affirmation ; c'est-à-dire qu'effectivement, à un certain moment, dans un espace semblable à celui que l'on désigne dans la physique classique, toute la "matière" de l'univers aurait été localisée en un point de l'espace de la dimension d'une tête d'épingle ?

On explique également que nous captons des rayonnements fossiles qui correspondent aux premières émissions de lumière visible, vers 380 000 après le Big Bang. Ces lumières sont donc distantes de nous de 13 milliards d'années lumières ? Mais puisque l'univers, d'après la remarque ci-dessus, s'est développé autour d'un point, alors les composants de la matière terrestre devaient, il y a 13 milliards d'années, se situer, peu ou prou, dans un espace proche de celui où on été émis ces rayonnement fossiles ? Est-ce juste de formuler les choses ainsi ?

En dernière instance, cela n'implique-t-il pas que les composants de la matière terrestre aient voyagé à une vitesse nettement supérieure à celle de la lumière ?

Voilà pour ce qui est de l'exposition du problème. J'aimerais savoir s'il a véritablement été posé, ou s'il est totalement bidon. S'il est réel, j'aimerais aussi savoir s'il fait plus ou moins partis des paradoxes cosmologiques. Est-ce que la théorie de l'expansion de l'univers vise/permet entre autre de résoudre ce problème ? Si oui, comment le fait-elle, dans les grandes lignes ? Est-ce une question "d'expansion de l'espace" ?

Merci à ceux qui auront la gentillesse d'éclairer un parfait novice sur ces questions.
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[bb98]

Bonjour et bienvenue !

Toutes les questions méritent d'être posées; seules les réponses sont parfois...

"toute la matière terrestre" vient ...des étoiles.

L'univers primordial est constitué, essentiellement, d'hydrogène.
Tous les autres éléments ( rechercher le fameux tableau de mendeleïev ) ont été forgés
par réactions nucléaires, dans le coeur des étoiles, puis, dispersés dans tous l'univers
lors de l'explosion de ces étoiles.

C'est ce processus qui a fait écrire à Hubert Reeves que nous sommes "poussières
d'étoiles" (lire ses livres, très intéressants)

Donc, la matière , tous les atomes, dont nous sommes formés, n'a que "peu" voyagé :
depuis la super nova la plus proche dans le temps et l'espace, par exemple.

Bien sûr, attendre d'autre avis

Bonnes lectures

[mach3]

La mauvaise vulgarisation ça fait des dégâts et propage des idées fausses.

Il y a environ 13,8 milliards d'années l'univers était extrêmement dense et chaud, tellement qu'il en était opaque à la lumière. Quant à sa taille il n'y a pas de certitudes car on ne sait pas si l'univers est infini ou fini mais sans bord (comme la surface d'une sphère, en avançant toujours tout droit on fini par repasser par son point de départ). Cet univers est en dilatation, en expansion, pas au sens où sa taille grandi (car il faudrait savoir d'abord si il est fini pour parler de taille), mais au sens que tous ses éléments s'éloignent les uns des autres de manière homothétique. Il ne s'agit pas d'un mouvement propre de ces éléments mais plutôt d'une "création" permanente d'espace vide entre eux et d'autant plus rapide que ces éléments sont distants. Pourquoi il se dilate? parce qu'il suit les lois de la relativité générale et en particulier le modèle donné par Friedmann, Lemaitre, Robertson et Walker (FLRW pour les intimes) qui montre qu'un univers homogène et isotrope est forcément en contraction ou en dilatation, un tel univers ne peut pas être stable, immuable.
Donc l'univers se dilate, donc il refroidit et devient moins dense. A partir d'une certaine température il devient transparent et la lumière peut enfin se déplacer, c'est l'émission du rayonnement cosmologique. Cela s'est produit simultanément dans tout l'univers, en tout point. Chaque nanomètre cube à émit de la lumière dans toutes les directions.
Ensuite la gravitation a fait sont travail en agrégeant la matière pendant des millions/milliards d'années dans les structures que l'on connait aujourd'hui (amas de galaxie, galaxie, système stellaires, étoiles et planètes...).
Pour nous aujourd'hui, l'univers à un horizon, l'horizon cosmologique, une distance à partir de laquelle il est impossible de recevoir de la lumière car les corps qui l'émettent s'éloignent de nous à une vitesse (vitesse-coordonnée, nuance importante que vous aurez peut-être l'occasion d'approfondir) supérieure à celle de la lumière : cette lumière ne peut donc pas nous parvenir. La distance la plus lointaine à laquelle nous pouvons voir en d'environ 13,8 milliards d'année-lumières. On a donc une sphère, centrée sur nous même, c'est notre univers visible. Du fait de l'expansion, le contenu de cet univers visible occupait un volume beaucoup plus petit autrefois (et d'autant plus petit qu'on remonte le temps). C'est ce contenu qui à une époque entrait dans une tête d'épingle, pas l'univers entier.
Plus on regarde loin, plus ce qu'on voit est au passé, et décalé vers le rouge à cause de l'effet Doppler engendré par l'expansion (plus les corps sont loin, plus ils s' "éloignent" vite, plus il sont rougis par l'effet Doppler). Si on regarde suffisamment loin, on peut donc observer des endroits de l'univers qui "sont" à l'époque où l'univers venait tout juste de devenir transparent, ces endroits sont visibles dans toute direction (vu que la transparence et l'émission du rayonnement cosmologique s'est produite partout en même temps), ils sont répartis sur une sphère également centrée sur nous, légèrement plus petite que la sphère représentant l'univers observable (plus petite d'environ 300 000 année-lumières, l'age de l'univers quand il est devenu transparent étant de 300 000 ans). On perçoit donc un rayonnement, provenant de toutes les directions, le rayonnement de fond cosmologique, qui a une température de 3K. Si on prend en compte l'effet Doppler intense qu'il subit (il traverse des milliards d'année-lumières d'univers en expansion pour nous parvenir), sa température d'origine, au moment de sa production, était de 3000K.

Ces choses mises au point (qui pourront être précisées si besoin), nous pourront parler de l'essentiel de votre question dans un prochain post.

m@ch3

[pascelus]

Bonjour et bienvenue,

En dernière instance, cela n'implique-t-il pas que les composants de la matière terrestre aient voyagé à une vitesse nettement supérieure à celle de la lumière ?

C'est en quelque sorte probablement le cas, sauf qu'il ne s'agit pas d'un déplacement mais de l'inflation puis de l'expansion de l'univers. C'est l'espace-temps qui aurait démesurément enflé et aurait éloigné les composants de la matière...

"Là, l’espace-temps - gros d’un potentiel qui le tord et l’étire - enfle d’une manière inouïe. Il se dilate à une vitesse bien supérieure à celle de la lumière" extrait de: http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosbi...lat/niv1_1.htm

A noter que ce modèle d'univers inflationnaire colle vraiment très bien aux observations, mais qu'il lui manque encore la confirmation absolue que serait par exemple la découverte des ondes gravitationnelles générées à ce moment là. (voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Backgr...c_Polarization)

A noter aussi que l'image "toute la "matière" de l'univers aurait été localisée en un point de l'espace de la dimension d'une tête d'épingle" est trompeuse. Elle est peut etre vraie en considérant uniquement notre univers visible, c'est à dire la sphère d'environ 14Milliards d'années lumières centrée sur la terre, ce qui n'est à coup sur pas l'ensemble de la matière existante mais la seule que nous ne pourrons jamais observer directement. Que l'univers primordial ait été très largement plus dense et chaud est pratiquement avéré, donc certainement plus limité en taille aussi, mais il pouvait aussi fort bien etre déjà gigantesque voire meme infini, on n'en sait rien...

A noter enfin que cette inflation titanesque concerne l'espace-temps dans son entier, c'est à dire bien sur les distances mais aussi le temps, les durées... Lorsque dans cet article on parle "d'un coup de fouet fulgurant" en 10^-32 secondes, il s'agit de la durée lue sur une montre liée a cet événement de l'époque . Son sens me parait délicat à concevoir car autant on est passé d'un volume d'une tete d'épingle à plusieurs M d'années lumières, autant ces fractions de secondes sont devenues des milliards d'années...

Ceci en attendant des avis plus experts que les miens...

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

Venons en à la question.

La matière qui nous constitue n'est jamais venue de bien loin, car elle voyage moins vite qu'un photon et qu'au pire les photons les plus vieux que nous recevons, ceux du rayonnement cosmologique n'ont été émis que de lieux très proche de nous, de l'ordre de quelques millions d'année-lumières si je me souviens bien. Pourquoi diable alors voit-on la surface d'émission du rayonnement cosmologique à plus de 13 milliards d'années-lumière? à cause de l'expansion! L'espace se dilatant, pendant que ces photons ont parcouru ces quelques millions d'année-lumière, l'espace s'est dilaté, et le point qu'ils auraient dû atteindre si il n'y avait pas d'expansion s'est éloigné, tellement qu'il a fallu en fait plus de 13 milliards d'années pour faire ce chemin. D'ailleurs, en considérant l'expansion, les points que nous voyons actuellement émettre le rayonnement cosmologique sont aujourd'hui à 45 milliards d'année-lumière! Pour résumer, le rayonnement cosmologique que nous voyons actuellement a été émis en des lieux situés à quelques millions d'années-lumière qui sont aujourd'hui à 45 milliards d'année-lumière et leur lumière à mis plus de 13 milliards d'années à nous parvenir. L'expansion agrandi sans cesse les distances (la distance entre un émetteur et une source peut beaucoup évoluer le temps que la lumière fasse le chemin de l'un à l'autre), c'est pour cela que les distances n'ont rien de trivial en cosmologie, il y a la distance comobile, la distance angulaire, la distance de luminosité, etc, il y a de quoi s'y perdre.
Si des photons produits quand l'univers avait 300 000 ans à quelques millions d'année-lumières de nous n'arrivent qu'aujourd'hui, plus de 13 milliards d'années plus tard, que dire de toutes les autres particules de matière qui nous constitue (protons, neutrons, électrons), condamnées à se mouvoir à une vitesse plus faible à cause de leur masse...
Donc, la matière qui nous constitue n'était au pire qu'à quelques millions d'années-lumière quand l'univers avait 300 000 ans (et surement beaucoup moins...). Et du fait de l'expansion, était encore beaucoup plus proche auparavant.

m@ch3

[invite6c093f92]

Bonsoir,
@Mach3 un petit truc (petit à 25%), le CMB c'est 380 000 ans .
Cordialement,

[mach3]

je savais plus si c'était 320000 ou 380000 et flemme d'aller regarder du coup j'ai mis 300000. Merci pour la correction

m@ch3