Origine de notre Univers : de quel côté regarder ?

[Philbar71]

Ce qu'on perçoit de l'univers nous est apporté par la lumière qui nous atteint.
Mais selon que l'univers est en expansion, immobile ou en contraction, les conclusions qu'on peut en tirer sont très différentes en matière de distances et de temps.
Soit l'univers se dilate plus rapidement que la vitesse de la lumière, auquel cas en reculant dans l'espace on irait plus vite que les photons porteurs d'images et on observerait effectivement le passé en espérant remonter jusqu'à l'instant Zéro, ou du moins proche du Zéro car l'univers a mis un certain temps à émettre de la lumière et commencer ainsi à être visible.

Soit l'univers se dilate moins rapidement que la vitesse de la lumière et on laisse derrière nous les images qui nous ont dépassées depuis longtemps et qu'on ne pourra plus jamais voir, à moins d'une nouvelle accélération au-delà de la vitesse de la lumière qui est notre seule chance de remonter le temps.
Mais pour chiffrer ça, encore faudrait-il qu'on aie une parfaite connaissance de la vitesse de cette expansion, ce qui ne me semble pas être le cas.
Il faut savoir aussi que tandis que la lumière des objets très lointains venait à nous, nous reculions nous-même du fait de l'expansion (à une vitesse qu'on ne connaît donc pas) et on fuyait en quelque sorte cette lumière qui a fini par nous atteindre, ce qui étend d'autant plus la distance supposée qui nous en sépare maintenant.

Soit l’univers est immobile (ce qui semble peu probable tant tout se déplace autour de nous) ou en contraction et les images du passé nous auraient déjà croisées et seraient alors loin derrière nous. On aura donc peu de chance de voir quoi que ce soit de l'état d'origine.

Au-delà de ça, l'univers s'étendant à partir de son point d'origine, il faudrait savoir dans quelle direction se trouve ce point pour regarder dans la bonne direction pour espérer déceler l'image de l'instant où le Big-bang s'est allumé.

Ne sachant pas de quel côté regarder, comment peut-on alors énoncer qu'on se rapproche peu à peu de la connaissance de la partie "observable" de l'origine ?
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[Gilgamesh]

Soit l'univers se dilate plus rapidement que la vitesse de la lumière

Cela ne signifie rien de physiquement sensé. Il n'y a pas de vitesse d'expansion, mais un taux d'expansion H tel que v = Hd. Cela signifie que la vitesse de récession d'une source dépend de la distance. Il suffit que la distance soit supérieur à c/H pour que la vitesse de récession excède c.

[mach3]

Au-delà de ça, l'univers s'étendant à partir de son point d'origine, il faudrait savoir dans quelle direction se trouve ce point pour regarder dans la bonne direction pour espérer déceler l'image de l'instant où le Big-bang s'est allumé.

il n'y a pas de point d'origine, ou plutôt tout point est un point d'origine, c'est comme la surface du sphère : elle n'a pas de centre (je parle bien de la surface, pas du volume qu'elle contient).
Le big bang a eu lieu partout, ce n'est pas une explosion à partir d'un point mais la dilatation globale et continue des distances entre les objets non liés. Cette dilatation donne l'impression à n'importe quel observateur situé n'importe où dans l'univers que tous les amas de galaxie lointains le fuient et ce d'autant plus vite qu'ils sont loin.
On peut ainsi voir les premiers instants de l'univers en regardant dans n'importe quelle direction. On ne verra évidemment pas les premiers instants de notre petit coin d'univers à nous, mais les premiers instants de coins de l'univers qui sont "aujourd'hui" (en temps cosmologique) situés à plus de 40 milliards d'années-lumière et qui était à l'époque très voisins de notre coin à nous.

m@ch3

[Philbar71]

Cette dilatation donne l'impression à n'importe quel observateur situé n'importe où dans l'univers que tous les amas de galaxie lointains le fuient et ce d'autant plus vite qu'ils sont loin.

m@ch3

Donc tous les calculs de distances seraient basés sur une "impression" ?
Et le Big-bang aurait eu lieu simultanément aux quatre coins de l'univers ?
C'est pas très clair pour moi.

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

Donc tous les calculs de distances seraient basés sur une "impression" ?

c'est une façon de parler, disons que ce qu'on observe ne permet pas de déterminer qui bouge : si toutes les distances entre objets non liés augmentent d'autant plus que ces distances sont grandes, chacun peut décréter qu'il est le centre et que tous les autres s'éloignent de lui en accélérant.
Petite expérience à faire pour se rendre compte de cela. Dessinez plein de points sur une feuille, aléatoirement, puis faites une photocopie avec un facteur d'agrandissement assez faible (genre 5%). Superposez l'original et la photocopie sur une fenêtre, et vous verrez par transparence que quelque soit le point O que vous choisissez de superposer à son homologue O' sur la photocopie, il semblera occuper le centre d'une structure radiale : par tout point M et son homologue M' sur la photocopie on peut tracer une droite qui passe par le point choisi comme centre. De plus la longueur MM' sera proportionnelle à la longueur OM (on trouvera 5%), c'est à dire que plus M est éloigné de O, plus M' s'est éloigné de lui. On peut considérer que ces deux images sont deux "photographies" d'un univers en expansion pris à deux dates différentes.

Et le Big-bang aurait eu lieu simultanément aux quatre coins de l'univers ?

L'expansion c'est l'augmentation homogène des distances entre les structures non liées, en gros l'univers subit une homothétie perpétuelle. Si l'univers s'expand, cela signifie que par le passé tous les objets étaient plus proches les uns des autres, l'univers était plus dense, et par conséquent plus chaud. Si on remonte suffisamment le temps, on déduit que l'univers a connu, dans son intégralité, un état extrêmement chaud et dense (tellement que les théories physiques aujourd'hui validées n'ont plus cours si on remonte plus loin). Cet état extrêmement chaud et dense c'est le big-bang.

m@ch3

[Philbar71]

C'est effectivement plus clair comme ça.
C'est un peu comme un ballon qu'on gonfle et sur lequel on aurait disposé des points tout autour. Ces points s'écartant les uns des autres de manière homothétique à mesure qu'on le gonfle.
On peut effectivement se trouver sur n'importe quel point, on constatera toujours la même "fuite" des autres points.
Il en serait de même si l'on pouvait inscrire des points à l'intérieur du ballon, ils s'éloigneraient identiquement... mais le centre du ballon se viderait puisque tout s'éloigne du centre à mesure qu'on le gonfle. Reste à trouver ce "point noir".

Le problème c'est que ça n'est pas aussi simple que ça, car tous les mouvements ne sont pas parfaitement homothétiques.
En effet ça ne tient pas compte des mouvements relatifs entre les entités et on fait abstraction des phénomènes d'attraction qui existent par exemple entre galaxies voisines qui finissent par se percuter, surpassant ainsi la force d'expansion qui devrait les écarter les unes des autres.
Il y a aussi des explosions d'étoiles qui projettent leur matière de tous côtés et à des vitesses parfois considérables.
J'ai bien compris aussi qu'au regard de l'univers, ces mouvements sont négligeables. Des épiphénomènes en quelque sorte mais qui peuvent participer à brouiller l'image qu'on a de l'univers visible.
Mais tout ça ne remet pas en cause l'expansion qui se situe à une tout autre échelle.

Je sais par ailleurs qu'on estime l'éloignement par la variation du rouge émis par les objets lointains, mais je ne crois pas qu'on puisse pour autant quantifier les distances et les vitesses d'éloignement.

Et le Big-crunch, s'il se produisait un jour, ramènerait bien tout ça en un seul point, comme si la photocopie rétrécissait ou si le ballon se dégonflait jusqu'à n'être qu'un unique point. Preuve qu'il y a bien un centre quelque part. Par contre on est incapable de le prédire car on ignore où on est nous-même au milieu de tout ça.

Je me trompe quelque part ?

[mach3]

C'est un peu comme un ballon qu'on gonfle et sur lequel on aurait disposé des points tout autour. Ces points s'écartant les uns des autres de manière homothétique à mesure qu'on le gonfle.
On peut effectivement se trouver sur n'importe quel point, on constatera toujours la même "fuite" des autres points.

oui, c'est une analogie courante et on peut pousser encore en remarquant que la surface du ballon (la surface uniquement) n'a pas de centre ni de bord

Il en serait de même si l'on pouvait inscrire des points à l'intérieur du ballon, ils s'éloigneraient identiquement... mais le centre du ballon se viderait puisque tout s'éloigne du centre à mesure qu'on le gonfle. Reste à trouver ce "point noir".

sauf que si on veut maintenir l'analogie, on ne peut considérer l'intérieur du ballon. Dans l'analogie, l'univers est la surface du ballon.

La relativité générale n'impose pas de topologie pour l'univers mais elle contraint les topologies possibles : l'univers est soit infini (et dans ce cas il l'a toujours été) soit fini mais sans bord, comme la surface d'une sphère ou la surface d'un tore mais en 3 dimensions au lieu de 2 : si on avance tout droit on fini par repasser par le point d'où on est parti, on peut faire le tour de l'univers, du moins en théorie (il y a de très nombreuses topologies de ce genre qui sont possibles et envisagées, on a même essayé de voir si on pouvait la déterminer expérimentalement par observation fine du CMB, voir les travaux de Luminet par exemple).
Dans les deux cas (infini et fini sans bord) il n'y a pas de centre. Même dans le cas fini sans bord, où en extrapolant à un état initial on abouti à un point unique, il n'y a pas de centre car tous les points sont superposés sur le point unique initial et sont donc égaux vis-à-vis d'un statut de "centre" : aucun n'est centre, ou tous peuvent être considéré comme centre. En regardant en 4D, on peut se dire que le centre c'était le point initial mais ce point n'existe plus aujourd'hui, ou plutôt il est partout.

Le problème c'est que ça n'est pas aussi simple que ça, car tous les mouvements ne sont pas parfaitement homothétiques.
En effet ça ne tient pas compte des mouvements relatifs entre les entités et on fait abstraction des phénomènes d'attraction qui existent par exemple entre galaxies voisines qui finissent par se percuter, surpassant ainsi la force d'expansion qui devrait les écarter les unes des autres.
Il y a aussi des explosions d'étoiles qui projettent leur matière de tous côtés et à des vitesses parfois considérables.
J'ai bien compris aussi qu'au regard de l'univers, ces mouvements sont négligeables. Des épiphénomènes en quelque sorte mais qui peuvent participer à brouiller l'image qu'on a de l'univers visible.
Mais tout ça ne remet pas en cause l'expansion qui se situe à une tout autre échelle.

oui, il y a des mouvement locaux et d'ailleurs quand on place les galaxies sur un graphe distance/redshift on voit qu'il y a pas mal de bruit, ce qui n'empêche d'avoir une tendance nette, surtout aux grandes distances quand les vitesses des mouvement locaux deviennent négligeables devant la vitesse de récession qui augmente de plus en plus.

Je sais par ailleurs qu'on estime l'éloignement par la variation du rouge émis par les objets lointains, mais je ne crois pas qu'on puisse pour autant quantifier les distances et les vitesses d'éloignement.

Si si on peut. Pour la vitesse d'éloignement, c'est la mesure du décalage vers le rouge (effet Doppler) et c'est très fiable. La seule difficulté et qu'on ne peut pas discriminer la contribution due à l'expansion et celle due à un mouvement local. Il y a plusieurs méthodes de mesures des distances, et c'est en les recoupant qu'on abouti à des conclusions. Je pense que Gilgamesh, si il repasse par là, pourra reposter une de ces magnifiques explications dont il a le secret.

m@ch3

[Philbar71]

Merci M@ch3 pour ces explications bien détaillées. Mon interlocuteur attentionné, patient et passionné.
Le ruban de Möbius m'aide à imaginer cet Univers où le départ et l'arrivée finissent par se rejoindre. Ensuite il faut savoir passer de la réalité palpable à l'abstraction et parvenir à "tordre" les données géométriques qu'on a en tête et c'est difficile quand on n'a pas une formation scientifique suffisante.
Par exemple, dans ces constructions mentales je peine à intégrer les 4 dimensions. Dans mon petit cerveau à 3 axes j'ai du mal à placer la direction du Temps et me faire une image du volume résultant.
C'est mon besoin de "visualiser" qui altère ma capacité à comprendre, mais j'en suis bien conscient et j'essaie de m'en extirper. J'en ai du moins la volonté...

J'entends aussi parler, ici et là, d'un Univers "plat". Là encore j'ai des difficultés avec cette curieuse notion quand déjà dans le système solaire les orbites des planètes ne s'inscrivent pas toutes dans le même plan.
J'admets toutefois que l'Espace est un monde qui se prête à toutes sortes d'hypothèses et de théories... qui ne demandent qu'à être confirmées.

Avec tout ça je crains bien de passer pour un agaçant néophyte...

[JPL]

J'entends aussi parler, ici et là, d'un Univers "plat". Là encore j'ai des difficultés avec cette curieuse notion quand déjà dans le système solaire les orbites des planètes ne s'inscrivent pas toutes dans le même plan.

En effet. Cela veux dire simplement qu'il est globalement euclidien, c'est-à-dire que par un point on peut faire passer une parallèle et une seule à une autre droite, que la somme des angles d'un triangle est de 180°, etc.

Bien entendu c'est faux à plus petite échelle parce que localement la masse des étoiles déforme l'espace-temps à leur échelle, que la masse des galaxies le déforme à plus grande échelle. Mais si on raisonne à très grande échelle, en dépit de ces déformations locales, Euclide pourrait y retrouver sa géométrie à peu de choses près.

[Amanuensis]

À l'échelle disons moyenne (disons au moins du nm aux 100 000 km, et c'est par défaut), Euclide s'y retrouve très très bien: l'espace est traité comme euclidien, et cela ne pose pas vraiment de problème.

(Même pour le GPS, si souvent cité, les "corrections relativistes" portent essentiellement sur le temps, pas sur l'espace.)

[Philbar71]

Mais alors pourquoi ne pas dire "euclidien" plutôt que "plat" qui serait une sorte d'abus de langage pour le commun des mortels ?
Dans le dictionnaire, le terme "plat" désigne une chose qui n'a pas ou peu de relief.

C'est sans doute un "terme de métier" en astronomie, mais convenez que c'est quand même un peu déroutant.

[Amanuensis]

Mais alors pourquoi ne pas dire "euclidien" plutôt que "plat" qui serait une sorte d'abus de langage pour le commun des mortels ?
Dans le dictionnaire, le terme "plat" désigne une chose qui n'a pas ou peu de relief.

L'image n'est pas mauvaise (pour une fois). Euclidien est un terme technique, plat en est une image acceptable. Par ailleurs, on emploie "plat" aussi bien pour euclidien que pour l'espace-temps, qui ne peut pas être euclidien (c'est "lorentzien" à la place(1)).

(Je pense que la confusion est ailleurs, entre espace et espace-temps. L'espace peut être plat (ou différant du plat de manière négligeable) sans que l'espace-temps le soit.)

(1) https://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A...e_lorentzienne

[Philbar71]

Alors disons que l'Univers est plat au sens euclidien du terme.
Comme ça, ça me va.

[Amanuensis]

Pour donner une idée des effets de "non platitudes" (le "relief"), la non platitude spatiale près de la Terre donne au pire une erreur de l'ordre du cm pour le diamètre terrestre, 10^-9 en relatif.

Mais en espace-temps, l'effet est un cercle de 7000 km de rayon comparé à un point pour une orbite basse autour de la Terre! Cela paraît énorme, mais si on regarde la droite approchée dont il s'agit en 4D, c'est une toute petite oscillation à comparer avec le chemin que la lumière parcourt pendant la durée d'une orbite. En gros c'est le rapport de la vitesse d'orbite, 7 km/s, à la vitesse de la lumière, soit 1/40000.

Une toute petite variation relative, mais un grand effet à notre échelle, parce que la vitesse de la lumière intervient.

[Philbar71]

Il est certain que la platitude est une notion toute relative, à telle enseigne que nos lointains ancêtres ont longtemps cru que la Terre était plate et Euclide lui-même n'y a pas échappé.