Les grandes structures

[viiksu]

On dit notre univers isotrope et homogène c'est à dire qu'il n'y a pas de structuration notable à grande échelle, hors si je regarde la taille de notre (super?)amas local Laniakea: 500 Millions AL. Notre univers visible faisant dans les 80 Md AL Laniakea représente déjà 0,6 %. Hors il devrait y avoir une centaine de Md d'amas?
-----

[pm42]

Notre univers visible faisant dans les 80 Md AL Laniakea représente déjà 0,6 %

En diamètre. Tu devrais calculer en volume.

[viiksu]

Oui mais quand même il manque plusieurs ordres de grandeur?

[Deedee81]

Salut,

Oui mais quand même il manque plusieurs ordres de grandeur?

Je ne sais pas. En volume, même en prenant la taille de l'univers observable, ça ne fait que 0.0007%.

D'où vient le chiffre d'une centaine de milliards d'amas ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[pm42]

D'où vient le chiffre d'une centaine de milliards d'amas ?

Bonne question parce que j'ai plutôt trouvé dans les 10 millions.

[viiksu]

Oui c'est 10 millions je crois que je vais devoir consulter

[Deedee81]

Salut,

Oui c'est 10 millions je crois que je vais devoir consulter

Tu as essayé de les compter en observant le ciel ? Tu vas consulter un ophtalmo ? Je sais c'est nul.

[yves95210]

Salut,

Après, ces superamas sont séparés par des zones de sous-densité (vides cosmiques) encore plus grandes.
Et suivant la ligne de visée choisie, la distribution des zones sur-denses et sous-denses n'est pas la même. Combien cette ligne traverse-t-elle de zones sur-denses ? 10, 20 ? Bref, pas tant que ça...
Si on ne se contentait pas de l'approximation par un univers parfaitement homogène et isotrope et qu'on essayait de calculer l'effet gravitationnel de l'ensemble des structures de l'univers (observable) en un point donné (par exemple sur la structure locale dans laquelle nous nous trouvons), c'est bien en distance suivant une direction donnée qu'il faudrait raisonner et non en volume. Déjà on n'obtiendrait pas forcément le même résultat qu'en supposant la densité homogène (égale partout à la densité moyenne) suivant cette ligne de visée, compte-tenu de la non-linéarité des équations. Puis il faudrait bien sûr intégrer sur l'ensemble des directions. Et entre deux lignes de visée séparées par un angle suffisamment important le résultat pourrait être différent.
Donc pas sûr qu'en intégrant sur tout l'univers observable on obtienne le même résultat qu'en considérant l'univers comme homogène et isotrope.

Évidemment ce calcul n'est pas possible. Cependant des travaux théoriques et des simulations tendent à prouver que la prise en compte de ces "petites" inhomogénéités conduirait à un écart non négligeable sur le calcul du taux d'expansion - écart qui suffirait peut-être à en expliquer l'accélération apparente. On en a déjà parlé (enfin, surtout moi) dans cette discussion, et dans celle-ci à partir du message #32.

[viiksu]

C'est super intéressant le dogme de l'univers isotrope et homogène n'est peut être pas aussi définitif. D'autant plus que récemment: Le grand mur de Sloan mesure 1,38 milliard d'années-lumière de long (1,38 × 10**25 m) et se situe à environ un milliard d'années-lumière de la Terre, le grand mur de Boss représente 10 000 voies lactées, et Laniakea notre super amas local n'est pas mal non plus.

[yves95210]

Le principal avantage de l'hypothèse d'un univers "suffisamment" homogène et isotrope à grande échelle, c'est qu'elle permet de trouver une solution analytique aux équations d'Einstein. Après tout, c'est ça qui a permis d'expliquer l'expansion de l'univers, voire même de la prédire avant qu'elle soit observée, puisque cette solution était connue, et qu'un peu plus tard Lemaître a prouvé qu'une solution statique serait instable. Et encore aujourd'hui, s'il y a un écart entre le taux d'expansion calculé à partir des observations cosmologiques basées sur ce modèle et celui qui est mesuré localement, il n'est que de quelques %. Donc le modèle n'est pas si mauvais, ou n'était en tout cas pas mauvais pour l'époque...

Mais à bien y réfléchir, ce n'est qu'un "toy-model" - au même titre que les modèles sur lesquels sont basés les calculs théoriques ou les simulations tenant compte des inhomogénéités. Sauf que dans le deuxième cas, c'est écrit en toutes lettres par les auteurs des publication.
Alors que dans le premier on a effectivement affaire à un dogme : celui-ci affirme que (1) si on prend un volume - disons une boule - de X milliards d'al de diamètre n'importe-où dans l'univers observable, il contient exactement la même masse de matière (et donc que la densité moyenne d'un tel volume est la même partout) ; et (2) le fait de ne considérer qu'une densité moyenne à l'intérieur de tels volumes sans tenir compte des inhomogénéités qu'ils contiennent, suffit à faire un calcul exact.
Or, même si le point (1) correspond pas trop mal aux observations à condition de prendre X "assez grand" (mais c'est bien là le problème), le point (2) pourrait être faux. Voire même il est possible de démontrer mathématiquement qu'il l'est sous certaines hypothèses raisonnables concernant la distribution des inhomogénéités - sans pour autant que ces hypothèses contredisent le (1).

[viiksu]

OK supposons donc que l'on puisse considérer que l'univers est homogène et isotrope à grande échelle en tout cas suffisamment pour que les calculs retraçant son histoire soit corrects. Il y a par contre une question que je n'ai pas résolue: on dit que l'inflation est nécessaire pour rendre l'univers homogène et isotrope, mais pourquoi ne l'aurait-il pas été depuis le début sachant qu'il est né dans un volume infinitésimal? Alors on nous dit oui mais des régions apparemment identiques n'ont jamais été en contact causal oui et alors si je prend deux corps noirs de caractéristiques identiques il évolueront de la même façon sans avoir besoin d'être en contact.

[pascelus]

...inhomogénéités....

Admettons que l’homogénéité et l'isotropie de l'univers (visible) à grande échelle s'avèrent une approximation excessive. Si tel était le cas ne devrions nous pas observer des taux d'expansion différents selon les directions observées? Ou est-ce que les sensibilités de nos instruments de mesures actuels pourraient nous empêcher de déceler ces écarts?

[Gilgamesh]

OK supposons donc que l'on puisse considérer que l'univers est homogène et isotrope à grande échelle en tout cas suffisamment pour que les calculs retraçant son histoire soit corrects. Il y a par contre une question que je n'ai pas résolue: on dit que l'inflation est nécessaire pour rendre l'univers homogène et isotrope, mais pourquoi ne l'aurait-il pas été depuis le début sachant qu'il est né dans un volume infinitésimal? Alors on nous dit oui mais des régions apparemment identiques n'ont jamais été en contact causal oui et alors si je prend deux corps noirs de caractéristiques identiques il évolueront de la même façon sans avoir besoin d'être en contact.

Tu peux réduire tant que tu veux la région, l'horizon diminue avec, et il diminue "plus vite que l'expansion" dans la théorie classique. Au départ (ère radiative) l'expansion suit une loi de puissance (a ~ t^1/2), et dans ce cas, deux points distant de plus de 1° sur le CMB n'ont jamais pu échanger depuis le début de l'expansion.

[papy-alain]

Admettons que l’homogénéité et l'isotropie de l'univers (visible) à grande échelle s'avèrent une approximation excessive. Si tel était le cas ne devrions nous pas observer des taux d'expansion différents selon les directions observées? Ou est-ce que les sensibilités de nos instruments de mesures actuels pourraient nous empêcher de déceler ces écarts?

Les choses ne sont pas si simples.
En première approximation, on peut penser que l'univers n'est pas si homogène que cela, avec tous ces gros "grumeaux" qui atteignent souvent des tailles de plusieurs centaines de millions d'années-lumière.
Mais quand on fait un balayage complet dans toutes les directions, on mesure une homogénéité quasi parfaite du rayonnement infrarouge. Ceci est dû au fait que les grands vides intergalactiques ne sont en fait pas si vides que cela car ils contiennent une grande population d'étoiles isolées, invisibles à nos télescopes de par leur éloignement.

[Deedee81]

Salut,

Ceci est dû au fait que les grands vides intergalactiques ne sont en fait pas si vides que cela car ils contiennent une grande population d'étoiles isolées, invisibles à nos télescopes de par leur éloignement.

Comment on le sait alors ??? Par le spectre de ce rayonnement ?

[yves95210]

Admettons que l’homogénéité et l'isotropie de l'univers (visible) à grande échelle s'avèrent une approximation excessive. Si tel était le cas ne devrions nous pas observer des taux d'expansion différents selon les directions observées? Ou est-ce que les sensibilités de nos instruments de mesures actuels pourraient nous empêcher de déceler ces écarts?

Mais on décèle des écarts ! En particulier entre le taux d'expansion mesuré "localement" et celui déduit des observations du CMB dans le cadre du modèle standard. Cf. cette publication d'A. Riess et al.

Même s'il y a d'autres hypothèses, cet écart pourrait être dû au fait que

notre Voie lactée, le groupe local de galaxies auquel elle appartient et même une partie du fameux superamas Laniakea font en fait partie d'un supervide dont le diamètre est approximativement de deux milliards d'années-lumière. Ce serait le plus grand vide cosmique connu à ce jour.

Et si au lieu d'être proche du centre de cette zone de sous-densité nous étions étions plus près de son bord, peut-être constaterions nous une anisotropie dans les taux d'expansion mesurés localement, même si cette anisotropie disparaît à plus grande échelle.
Tout ça me semble assez plausible.

Mais ce qui est particulièrement intéressant, c'est qu'en tenant compte de ces inhomogénéités (d'un diamètre de l'ordre de un à quelques pour-cents de celui de l'univers observable), des simulations, comme celle évoquée dans cet autre article de Laurent Sacco, font apparaître un effet qui s'apparente à celui de la constante cosmologique :

Cosmological N-body simulations integrate Newtonian dynamics with a changing GR metric that is calculated from averaged quantities. There is a choice in how the averaging is done:

Standard approach: Traditional cosmological N-body simulations use the Friedmann equations with the average density (calculated as the total mass of particles divided by the volume) to determine the overall expansion rate at each time step. Implicit in this approach is the calculation of the average density, since the total mass of particles is constant, and so is the average comoving density.

Average Expansion Rate Approximation (AvERA) approach:
Using the separate universe conjecture and neglecting anisotropies around spherically symmetric regions, we calculate the local expansion rate on a grid from the Friedmann equations using the local density, and then perform spatial averaging to calculate the overall expansion rate. The algorithm exchanges the order of averaging and calculating the expansion rate and, due to the non-linearity of the equations, the two operations do not commute.
(...)
Our modified Ωm = 1 simulation mimics the ΛCDM expansion history remarkably well. Since growth history is also driven by the expansion history, we expect that our simulations are consistent with luminosity distance and Hubble parameter observations constraining dark energy. Present-day supernova observations are well fit by our model, moreover, our model naturally resolves the tension between local and CMB Hubble constant measurements

[Deedee81]

Mais ce qui est particulièrement intéressant, c'est qu'en tenant compte de ces inhomogénéités (d'un diamètre de l'ordre de un à quelques pour-cents de celui de l'univers observable), des simulations, comme celle évoquée dans cet autre article de Laurent Sacco, font apparaître un effet qui s'apparente à celui de la constante cosmologique :

Ca c'est intéressant. Merci.
J'avais lu une hypothèse de ce genre, justifiée de manière heuristique mais à l'époque les simulations étaient encore en cours.

Concernant les étoiles dans les grands vides, je n'ai pas trouvé de référence (et donc de réponse à ma question).

[viiksu]

Oui intéressant d'autant plus que la pseudo énergie du vide responsable de lambda devrait être supérieure d'un léger facteur 10**120 trois fois rien. En fait énergie du vide ne veut rien dire car énergie ne veut rien dire comme ça c'est un terme générique et vide pareil. Oui il y a un effet Casimir dans le vide mais très faible et dans des conditions de labo très spéciales.

[yves95210]

Ca c'est intéressant. Merci.
J'avais lu une hypothèse de ce genre, justifiée de manière heuristique mais à l'époque les simulations étaient encore en cours.

Il y a aussi des travaux théoriques, en particulier ceux de Thomas Buchert. Par exemple tu peux commencer par cette publication, mais une recherche sur arxiv te fournira plein d'autres sources.
Mais il me semble que j'en avais déjà parlé dans une discussion à laquelle tu avais participé (je confonds peut-être).

[viiksu]

C'est comme la doxa sur l'inflation:

A l'origine l'univers était hétérogène (ah oui pourquoi?) et c'est l'inflation qui l'a rendu homogène (oui s'il était bien hétérogène).

[pm42]

A l'origine l'univers était hétérogène (ah oui pourquoi?)

Variations quantiques entre autre.

et c'est l'inflation qui l'a rendu homogène (oui s'il était bien hétérogène).

Physique de base...
Tout ça est bien expliqué et largement dans des tonnes de vulgarisation.

[pascelus]

Mais on décèle des écarts ! En particulier entre le taux d'expansion mesuré "localement" et celui déduit des observations du CMB dans le cadre du modèle standard.

Merci Yves pour ces infos!

Oui ok des écarts, mais surtout entre les différents modes de mesures, pas spécialement selon les directions différentes dans l'univers. Du moins d'après ce que j'en comprends (est-ce que cela a été spécialement recherché d'ailleurs?)... Mais cela reste une piste très intéressante, infiniment plus "économe" que cette fameuse énergie noire.

Ceci dit, il me semble qu'il resterait délicat d'expliquer la phase inflationnaire de l'univers par un environnement de sous-densité.

[papy-alain]

Comment on le sait alors ??? Par le spectre de ce rayonnement ?

Si l'intensité du rayonnement infrarouge est homogène, y compris dans les directions comportant de grands espaces vides, c'est la seule explication possible. Je n'arrive malheureusement pas à retrouver l'article qui en parlait (ça date de deux ou trois ans). Mais je me rappelle clairement que l'auteur estimait par cette mesure que la matière "hors galaxies" était aussi importante que les masses liées au sein des grands amas.

[pascelus]

Mais quand on fait un balayage complet dans toutes les directions, on mesure une homogénéité quasi parfaite du rayonnement infrarouge.

Tu es sur de ne pas confondre?

Wiki par exemple dit: "L'aspect du ciel en infrarouge est très différent de celui que révèle la lumière visible. Les étoiles se forment dans de grands nuages denses où le gaz est intimement mêlé à des grains de poussières. Ces nuages sont complètement opaques à la lumière visible : sur des cartes du ciel ordinaires, ils apparaissent sous l'aspect de grandes taches sombres. En infrarouge, au contraire, ce sont des régions très brillantes."

donc s'il y a des régions "très brillantes" en infrarouge il ne peut pas y avoir une homogénéité de ce rayonnement...

[yves95210]

Oui ok des écarts, mais surtout entre les différents modes de mesures,

Plutôt entre différentes échelles (mesures directes des vitesses d'éloignement d'objets assez proches de notre galaxie d'un côté, valeur calculée à partir des observations du CMB de l'autre)

pas spécialement selon les directions différentes dans l'univers.

Non, ce n'est pas pour ça que je citais la publication de Riess.
La suite de mon message tentait de donner une explication.
J'avais lu quelque-part, mais n'ai pas retrouvé où, que la Voie Lactée se situe à peu près au centre de la vaste zone de sous-densité qui entoure le superamas Laniakea. Dans ce cas, si c'est cette zone qui influence (à la hausse) le taux d'expansion mesuré localement, cet effet doit être à peu près isotrope. Alors que si nous étions situé plus près d'un bord de la zone de sous-densité ça ne serait peut-être pas le cas. Mais ce n'est que spéculation de ma part.

[viiksu]

Variations quantiques entre autre.
Physique de base...
Tout ça est bien expliqué et largement dans des tonnes de vulgarisation.

Je ne pense pas que ce soit de la physique de base dans la théorie d'inflation par champ de Higgs il y a un état de surfusion, dans l'inflation chaotique ce sont des oscillations spontanées. Dans les deux cas ce sont des champs scalaires qui s'agitent (pourquoi scalaire d'abord?), ensuite on ne voit pas quelles sont les parties agitées qui donnent notre univers: des pics de "densités" différentes ou un seul pic homogène?

[pm42]

Je ne pense pas que ce soit de la physique de base

Ta question originale si.
Mais vu ta réponse, j'ai l'impression que tu vas systématiquement repartir sur des "oui mais"... Je laisse à d'autres plus courageux le soin de te répondre.

[yves95210]

Je ne pense pas que ce soit de la physique de base dans la théorie d'inflation par champ de Higgs il y a un état de surfusion, dans l'inflation chaotique ce sont des oscillations spontanées. Dans les deux cas ce sont des champs scalaires qui s'agitent (pourquoi scalaire d'abord?), ensuite on ne voit pas quelles sont les parties agitées qui donnent notre univers: des pics de "densités" différentes ou un seul pic homogène?

Bonjour,

Scalaire (il me semble mais je peux me tromper car je n'ai pas le temps d'aller vérifier) parce que, si on suppose que la constante cosmologique en est le reliquat à basse énergie dans notre univers, c'est d'un champ scalaire qu'il s'agit (constant parce que partout à son niveau d'énergie le plus bas). A ma connaissance il ne s'agit pas forcément du champ de Higgs (même s'il y a des spéculations allant dans ce sens).

La théorie postule l'existence d'un univers en inflation permanente, où l'état moyen d'énergie de ce champ est très élevé, mais que ce champ possède également un état fondamental, d'énergie la plus basse. C'est un (très) petit volume de cet univers, une bille de dimension subatomique, où par l'effet des fluctuations quantique ce champ décroît spontanément vers cet état, qui donne naissance à notre bulle d'univers (dont l'univers observable n'est qu'une petite partie).
Pour le reste, je t'invite à lire l'article que Gilgamesh a rédigé dans la FAQ, je ne pourrais pas faire mieux que le paraphraser en moins bien.

Mais même si au début de son inflation de notre bille celle-ci est dans un état d'énergie homogène, les fluctuations quantiques qui se produisent pendant sa croissance pourraient donner naissance à des hétérogénéités. Ce n'est que la brièveté de cette phase qui peut expliquer que ces hétérogénéités n'aient pas le temps de se propager, et ne donnent lieu qu'aux très faibles hétérogénéités observées au niveau du CMB - qui elles-même permettront plus tard la naissance des galaxies sous l'effet de la gravitation.

[viiksu]

Mais même si au début de son inflation de notre bille celle-ci est dans un état d'énergie homogène, les fluctuations quantiques qui se produisent pendant sa croissance pourraient donner naissance à des hétérogénéités. Ce n'est que la brièveté de cette phase qui peut expliquer que ces hétérogénéités n'aient pas le temps de se propager, et ne donnent lieu qu'aux très faibles hétérogénéités observées au niveau du CMB - qui elles-même permettront plus tard la naissance des galaxies sous l'effet de la gravitation.

OK si j'ai bien compris les fluctuations quantiques aléatoire de l'inflaton ou Higgs ou autre conduisent à un univers primordial inhomogène et seule une inflation phénoménale peut lisser tout cela. Si j'ai bien compris aussi, radiations, densité, matière originales ne font que ralentir l'expansion donc il faut que quelque chose lea ait surpassées . I am right?

[yves95210]

I am right?

Yes

(la réponse tenait en 3 lettres, mais le forum n'accepte pas les messages de moins de 10 caractères)