Rayonnement fossile

[Jiheff]

A propos du rayonnement fossile, on lit, dans les ouvrages de vulgarisation qu'au moment du découplage rayonnement matière, l'univers est devenu transparent et que les photons à partir de ce moment se sont "refroidis" et correspondent aujourd'hui à un rayonnement de corps noir à environ 2,7K. Ceci amène de ma part deux questions:
1°) A partir du découplage l'énergie d'un photon hnu a diminué pour être égale à hnu' aujourd'hui. Où est passée l'énergie perdue ? (J'avais pensé un moment que l'effet compton pouvait être la cause de la modification de fréquence mais vu le vide de l'univers , cette hypothèse me parait douteuse).
2°) J'ai vu par ailleurs dans un calcul sur l'effet Doppler que si R était la distance entre la source émettrice et l'observateur au moment du découplage et R' sa distance actuelle au moment de l'expansion, on avait R/R'=nu'/nu ce qui permet de retrouver la loi de Planck à la bonne température d'aujourd'hui. Aussi séduisant que soit ce calcul je me pose quand même la question suivante: en supposant un référentiel lié à la source et ayant la vitesse d'expansion au moment de l'émission le photon aurait il dans ce référentiel toujours la même énergie hnu alors que dans le nôtre on mesure hnu' ?
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[Niels Adribohr]

A propos du rayonnement fossile, on lit, dans les ouvrages de vulgarisation qu'au moment du découplage rayonnement matière, l'univers est devenu transparent et que les photons à partir de ce moment se sont "refroidis" et correspondent aujourd'hui à un rayonnement de corps noir à environ 2,7K. Ceci amène de ma part deux questions:
1°) A partir du découplage l'énergie d'un photon hnu a diminué pour être égale à hnu' aujourd'hui. Où est passée l'énergie perdue ? (J'avais pensé un moment que l'effet compton pouvait être la cause de la modification de fréquence mais vu le vide de l'univers , cette hypothèse me parait douteuse).
2°) J'ai vu par ailleurs dans un calcul sur l'effet Doppler que si R était la distance entre la source émettrice et l'observateur au moment du découplage et R' sa distance actuelle au moment de l'expansion, on avait R/R'=nu'/nu ce qui permet de retrouver la loi de Planck à la bonne température d'aujourd'hui. Aussi séduisant que soit ce calcul je me pose quand même la question suivante: en supposant un référentiel lié à la source et ayant la vitesse d'expansion au moment de l'émission le photon aurait il dans ce référentiel toujours la même énergie hnu alors que dans le nôtre on mesure hnu' ?

Bonjour,
1) Cela n'a effectivement rien à voir avec l'effet Compton. Voici une explication très pédagogique:

Lorsqu'une galaxie lointaine nous envoie de la lumière, celle-ci se dirige vers nous à la vitesse c par rapport à l'espace, mais cet espace est en expansion, et la lumière doit donc "lutter" contre l'expansion pour nous parvenir. Prenons une image plus parlante : Pierre et Paule sont séparés de 10 km, et Pierre se dirige vers Paule à 5 km/h. Il la rejoindra au bout de deux heures. Si cette fois ils sont installés sur un ruban de caoutchouc qui s'étire de, disons, 20% par heure pendant que Pierre marche dessus à 5 km/h, il est clair qu'il mettra plus de deux heures pour rejoindra sa compagne. Si cette fois c'est une file infinie et régulièrement espacée de "Pierre" qui se dirigent vers Paule à 5 km/h puis la dépassent, il est clair que pour chaque heure mesurée par sa montre de poignet, Paule verra moins de marcheurs passer près d'elle : la fréquence des rencontres va baisser. C'est ce qui se passe pour les ondes électromagnétiques; leur fréquence apparente est diminuée, ce qui équivaut à dire que leur longueur d'onde apparente est étirée d'un facteur 1+z, où z est ce que les anglo-saxons appellent le redshift, vocable universellement adopté par les astronomes aujourd'hui, qui est donné par :

1+z=/ =R/R
cette relation traduisant simplement le fait que la longueur d'onde est étiré ou diminuée proportionnellement à R(t) par l'expansion.
Comme l'étude de R(t) est centrale dans les modèles cosmologiques, on comprend pourquoi les astronomes attachent tant d'importance aux mesures de redshift. Aujourd'hui, le "record" se situe dans les z ~ 6,6 (2004); il n'est que la traduction de la limite de la sensibilité de nos instruments.

Cela répond aussi à la deuxième question. Ce n'est pas l'effet Doppler à proprement parlé qui est en fait responsable du décalage vers le rouge, puisqu'en fait la source ne se déplace pas par rapport à l'observateur, c'est en fait l'espace qui "s'étire" entre les deux.

[Jiheff]

Merci pour la clarté des explications et l'exemple donné. Il subsiste néanmoins pour moi la question de l'énergie des photons. Puisque la fréquence mesurée des photons fossiles est beaucoup plus faible qu'au moment du découplage, où est passée l'énergie perdue ?

[invite1397b00c]

Merci pour la clarté des explications et l'exemple donné. Il subsiste néanmoins pour moi la question de l'énergie des photons. Puisque la fréquence mesurée des photons fossiles est beaucoup plus faible qu'au moment du découplage, où est passée l'énergie perdue ?

Trés bonne question.
Dire que j'ai laissé tomber l'argumentation au sujet du noir de la nuit parcequ'on me disait qu'un photon conserve son énergie même s'il est émis à des milliers d'années lumières. J'ai encore beaucoup à apprendre .

[A voir en vidéo sur Futura]

[Niels Adribohr]

Merci pour la clarté des explications et l'exemple donné. Il subsiste néanmoins pour moi la question de l'énergie des photons. Puisque la fréquence mesurée des photons fossiles est beaucoup plus faible qu'au moment du découplage, où est passée l'énergie perdue ?

Si je comprends bien, tu ne comprends pas comment il peu y avoir conservation de l'énergie en ayant des photons qui en perdent avec l'expansion? Si on regarde ce qui se passe globalement, on s'apperçoit effectivement que la densité d'énergie photonique diminue avec l'expansion, mais comme le volume de l'univers augmente en même temps, l'énergie photonique globale est bien conservée, même si l'univers devient de plus en plus noire.

[Niels Adribohr]

Trés bonne question.
Dire que j'ai laissé tomber l'argumentation au sujet du noir de la nuit parcequ'on me disait qu'un photon conserve son énergie même s'il est émis à des milliers d'années lumières. J'ai encore beaucoup à apprendre .

Non, ce n'était pas exactement ça... Tu partais du principe que même si l'univers n'était pas en expansion, la nuit serait quand même noire, or pour faire perdre de l'énergie aux photons, il faut un univers en expansion.

[invite1397b00c]

L'univers était-il fini ou infini à l'époque correspondant au rayonnement fossile ?

[Niels Adribohr]

L'univers était-il fini ou infini à l'époque correspondant au rayonnement fossile ?

On ne sait pas, et on ne sait pas non plus s'il l'est actuellement. Tout ce qu'on peut évaluer, c'est la taille de l'univers observable, et on sait que celui ci était beaucoup plus petit à l'époque du rayonnement fossile.

[Jiheff]

Si je comprends bien, tu ne comprends pas comment il peu y avoir conservation de l'énergie en ayant des photons qui en perdent avec l'expansion? Si on regarde ce qui se passe globalement, on s'apperçoit effectivement que la densité d'énergie photonique diminue avec l'expansion, mais comme le volume de l'univers augmente en même temps, l'énergie photonique globale est bien conservée, même si l'univers devient de plus en plus noire.

Si je considère un volume V comportant N photons à une date t , l'énergie de ces photons est Nhnu et la densité Nhnu/V. Au cours de l'expansion ces photons se retrouvent dans un volume V' dont les dimensions sont liées à l'expansion et au cheminement des photons. L'énergie est alors Nhnu' avec nu' inférieur à nu et la densité d'énergie est évidemment beaucoup plus faible. Je ne comprends toujours pas où passe l'énergie perdue par les photons. Est elle "fournie" à l'espace ? joue-t-elle un rôle dans l'expansion ?