Horizons cosmiques : des théories étonnantes

[Lansberg]

T
On est d'accord sur notre Galaxie qui est à 46,5 Gal émettra en permanence des photons en un rayonnement de forme sphérique....

Ceux qui viennent vers nous ne pourront jamais nous parvenir dans un univers en expansion exponentielle.
Un peu comme un poisson qui ne peut remonter le courant parce que sa vitesse est insuffisante et qui fait au mieux du sur place ou est entrainé à l'opposé de sa destination.

Seuls les photons de galaxies situées au maximum à 17 Gal nous arriverons dans un futur très très lointain car ils traverseront une région de l'espace donc la "vitesse d'expansion" est inférieure à c (sphère de Hubble).

Sans te pencher sur le graphique que j'ai déjà cité, je ne vois pas comment le dire autrement.
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[Daniel1958]

ah je vois

En simplifiant car je n'ai pas non niveau et ta patience

En fait le problème c'est donc que notre groupe local "central" sera dans + 17 Gal aussi impacté de forte manière (à C +++) par l'expansion de l'univers. Là je comprends mieux car je restais sur des données figées comobiles.

Merci

[Pio2001]

Donc admettons un flash de lumière qui part maintenant.
Les photons voyagent à C (leur vitesse reste constante et l'expansion de l'univers n'augmente pas le trajet) en vitesse comobile.

C'est là qu'est l'erreur. La vitesse des photons se compose avec l'expansion de l'espace. L'expansion de l'espace augmente fortement le trajet des photons.

La distance à laquelle se trouvent les photons qui viennent vers nous ne diminue pas de 300000 km à chaque seconde. Si ces photons se trouvent très loin, la distance qui nous sépare d'eux peut augmenter. Elle peut même rester constante.
Par exemple les photons du rayonnement de fond sont partis à 42 millions d'al de nous... et ils ont finalement parcouru 13 milliards d'al. La distance à parcourir a bien augmenté.

La vitesse de la lumière est de 300000 km/s pour tous les observateurs au moment où ils croisent le photon.

[Daniel1958]

Excuse-moi

Mais il me semble bien que l'on m'avait dit qu'ils étaient insensibles à l'expansion de l'univers au niveau distance (qui restait comobile) que leur vitesse restait invariante mais qu'ils perdaient d'énergie pour "remonter le courant"

Dans un autre genre dans le cas de la gravité forte d'un espace -temps très déformé même s'ils parcourent plus de distance, ils mettent le même temps en données comobiles pour nous parvenir et là aussi ils perdent de l'énergie pour compenser.


Sinon je dois revoir et ça change tout

[Tourist77]

Le mieux qu'on puisse espérer, c'est de recevoir à l'infini des temps un signal parti en gros à l'époque du bigbang d'une source située à 62 Gal.

Ah c’est ça les 60Gal ! Compte tenu de ce qui a été dit plus haut, faut il comprendre que :
- Tous les photons partis entre 46Gal et 62Gal en distance comobile à la même date de 380.000 ans sont déjà plus près de nous que 17Gal ?
- Que le «dernier» photon parti de 62Gal est aujourd’hui exactement à la distance de 17Gal et qu’ils finiront, avec celui qui part aujourd’hui de 17Gal, leur chemin côte à côte pendant une durée «infinie» date à laquelle ils arriveront simultanément sur notre rétine ?
Ça semble assez logique mais on peut toujours se tromper.

Mais il me semble bien que l'on m'avait dit qu'ils étaient insensibles à l'expansion de l'univers au niveau distance (qui restait comobile) que leur vitesse restait invariante mais qu'ils perdaient d'énergie pour "remonter le courant"

Je suis plutot d’accord, c’est toujours étrange d’imaginer un photon qui dépendrait d’un vide croissant. Pour ma part je prends le point de vue inverse, celui du photon, en imaginant que c’est la cible qui s’éloigne, c’est moins troublant et c’est équivalent.

[Pio2001]

Je suis plutot d’accord, c’est toujours étrange d’imaginer un photon qui dépendrait d’un vide croissant.

Soit un photon émis par le rayonnement de fond, alors situé à 42 millions d'années-lumière de nous.
Il voyage à 300000 km/s, c'est une constante.
Comment expliquez-vous qu'il ait mis 13 milliards d'années à nous parvenir en se déplaçant à cette vitesse ?

[Lansberg]

Bonjour,

Ah c’est ça les 60Gal ! Compte tenu de ce qui a été dit plus haut, faut il comprendre que :
- Tous les photons partis entre 46Gal et 62Gal en distance comobile à la même date de 380.000 ans sont déjà plus près de nous que 17Gal ?

Oui. Ils sont en-deça de l'horizon des événements. Sur le graphique 3 page 3 du document que je cite, on peut par exemple repérer l'événement (50 Gal ; 380 000 après bigbang en bas du graphique), et tracer le cône de lumière futur par deux traits à 45° traduisant le trajet de la lumière. On voit bien que les photons sont entrés dans notre sphère de Hubble lorsque le facteur d'échelle valait environ 0,5 (âge cosmique ~ 5 milliards d'année) et qu'ils nous atteindront dans le futur lorsqu'il vaudra 1,7 à la louche ! "Actuellement" le front d'onde est à 5 Gal comobile (donc < à 17 Gal). Il leur faudra encore environ 8 milliards d'années pour nous parvenir (âge cosmique ~22 Ga).

- Que le «dernier» photon parti de 62Gal est aujourd’hui exactement à la distance de 17Gal et qu’ils finiront, avec celui qui part aujourd’hui de 17Gal, leur chemin côte à côte pendant une durée «infinie» date à laquelle ils arriveront simultanément sur notre rétine ?
Ça semble assez logique mais on peut toujours se tromper.

Oui. C'est bien ça.

[Lansberg]

Mais il me semble bien que l'on m'avait dit qu'ils étaient insensibles à l'expansion de l'univers au niveau distance (qui restait comobile) que leur vitesse restait invariante mais qu'ils perdaient d'énergie pour "remonter le courant"

Localement les photons ont une vitesse constante mais à cause de l'expansion et relativement à nous ce n'est pas le cas. Ce qui fait que les photons partis d'une source lointaine, qui nous fuit avec une vitesse de récession supérieure à c, puissent nous atteindre c'est que le taux d'expansion de l'univers diminue au cours du temps. Cela a pour effet de "dilater" la sphère de Hubble à l'intérieure de laquelle la vitesse de récession est < à c.
Concrètement si le front d'onde est à l'extérieur de la sphère de Hubble dans une région de l'espace où la vitesse de récession est de 400 000 km/s par rapport à nous, les photons nous fuient avec une vitesse de 400 000 - 300 000 = 100 000 km/s. Ils ne peuvent pas nous atteindre. Le taux d'expansion diminuant avec le temps, la sphère de Hubble se "dilate". A sa limite, la vitesse de récession est égale à c. Lorsque les photons sont à cette limite, leur vitesse relative est nulle. La sphère de Hubble continuant de se dilater, les photons ayant maintenant une vitesse > à la vitesse de récession peuvent alors nous atteindre en y mettant le temps !
C'est pour cette raison que les photons partis pratiquement au moment du bigbang, de sources situées à 42 millions d'a.l de nous (46 Gal) vont mettre près de 13,8 milliards d'années à nous parvenir.

[Daniel1958]

Bonjour

J'ai retrouvé un de tes écrit c'est clair

En 12 milliards d'années le photon parcourt 12 milliards d'années-lumière !
Mais on peut calculer que si la lumière de la galaxie a mis 12 milliards d'années pour nous parvenir c'est qu'au moment du départ de la lumière, la galaxie en question n'était qu'à 5 milliards d'années lumière de nous environ.
Il est donc évident que l'expansion a rallongé la distance à parcourir et le temps de parcourt du photon, qui n'aurait mis que 5 milliards d'années dans un univers statique.
Dans le même temps, la galaxie est passée de 5 à près de 23 milliards d'années-lumière.

A partir de là toute mon argumentation tombe à l'eau la lumière subit en distance l'expansion de l'univers.

Mais j'avais ça de Gilgamesh qui m'a troublé (j'ai confondu avec l'action de la gravité ? il faut dire que l'on parlait de l'invariance)

Oui, le rayonnement est vulnérable à l'expansion. Se propager dans un univers en expansion revient à remonter un puits de gravité.

L'équation quadratique de l'énergie en relativité c'est :

E² = (mc²)² + (pc)²

avec
c la vitesse de la lumière
m la masse
p l'impulsion ou quantité de mouvement

Pour une particule au repos E = mc².
Pour une particule de masse nulle E = pc, c'est le cas du photon.

Le premier terme mc² est conservé lors de l'expansion : un proton qui se propage dans l'univers conserve sa masse. Le second terme en revanche est vulnérable, il varie en 1/a où a est le facteur d'échelle. Les photons du CMB par exemple on été émis à un moment où le facteur d'échelle était 1100 fois plus petit. Leur énergie a donc été divisée par 1100.

Donc si je prends tes arguments c'est évidemment impossible d'avoir le moindre photon d'une source qui émet à 46 Gal maintenant.
On peut aussi en conclure que la lumière est émise à C mais sur de longues distances il faut tenir compte de l'expansion qui rallonge la durée du voyage et même plus.

[Lansberg]

J'ai retrouvé un de tes écrit c'est clair

L'exemple concernait une galaxie dont le redshift est z=3,5.
Pour illustrer le commentaire de Gilgamesh, la lumière de cette galaxie est partie lorsque le facteur d'échelle était égal à a = 1/(z + 1) = 1 / 4,5 = 0,22 (taille de l'univers observable = 0,22 fois sa taille actuelle).
À la réception, l'énergie des photons a été divisée par 4,5 et la longueur d'onde d'un rayonnement quelconque a été multipliée par 4,5 (décalage vers le rouge).

[Daniel1958]

Bon ben c'est un vrai cosmologiste que j'ai face à moi.
J'avais à tort interprété les propos de Gilgamesh un peu comme un rayon lumineux qui suit une trajectoire déformée par la gravitation. Là c'est autre chose c'est un univers qui s'élargit et donc plus de distance à parcourir

Merci j'ai une bonne explication qui n'est pas si facile que ça à trouver.

[Tourist77]

Bonsoir,

Oui. Ils sont en-deça de l'horizon des événements.

Oui. C'est bien ça.

Merci pour la confirmation.

Sur le graphique 3 page 3 du document que je cite, on peut par exemple repérer l'événement (50 Gal ; 380 000 après bigbang en bas du graphique), et tracer le cône de lumière futur par deux traits à 45° traduisant le trajet de la lumière. On voit bien que les photons sont entrés dans notre sphère de Hubble lorsque le facteur d'échelle valait environ 0,5 (âge cosmique ~ 5 milliards d'année) et qu'ils nous atteindront dans le futur lorsqu'il vaudra 1,7 à la louche ! "Actuellement" le front d'onde est à 5 Gal comobile (donc < à 17 Gal). Il leur faudra encore environ 8 milliards d'années pour nous parvenir (âge cosmique ~22 Ga).

Le graphique du haut est celui dont je parlais au début et sur lequel la pente de la trajectoire pour les objets à 46Gal correspond normalement à 3,3c (=dr/dt, dans les unités du repère)

Je suis d'accord pour ta lecture du n°3 et pour un objet à 50Gal en distance comobile. Par contre j'ai du mal à lire la suite : dans la logique que l'on suit ici, il faudrait le photon parti de 62Gal ait déjà passé la frontière de la sphère de Hubble, or ce n'est pas le cas. Pour ce que je lis, c'est une lumière émise depuis 60Gal. Le photon est à l'intersection entre la sphère de Hubble et l'horizontale du présent. Mais le graphique montre quand même qu'un photon parti de 62Gal pourrait nous arriver dans un futur infini. Est-ce à nouveau dû au fait que H va continuer de diminuer (et que nous ne sommes pas loin de l'asymptote) ?

[Tourist77]

Soit un photon émis par le rayonnement de fond, alors situé à 42 millions d'années-lumière de nous.
Il voyage à 300000 km/s, c'est une constante.
Comment expliquez-vous qu'il ait mis 13 milliards d'années à nous parvenir en se déplaçant à cette vitesse ?

De son point de vue c'est nous qui nous éloignons. Imagine que tu cours derrière une voiture. Au départ elle est à 1m de toi, dès le départ elle va beaucoup plus vite que toi, qui cours toujours à la même vitesse. Puis la voiture ralentis de plus en plus et tu finis par la rattraper. Et même, quand tu arrives à son niveau, elle te parait immobile, alors qu'au départ elle allait des dizaines de fois plus vite que toi. C'est le trajet du photon de notre point de vue qui parait anormal, mais si on change de point de vue tout est normal. "Tu" auras juste mis 13 milliards d'années à parcourir "1m" qui n'est pas un étalon fixe.

[Daniel1958]

Bonsoir

Tu as raison c'est clair selon moi. Mais ce sont un nombre incalculable photons émis par flash Moi ce qui me sidère c'est qu'ils ont été émis il y a plus de huit milliards d'années avant la création du système solaire.

[Lansberg]

Bo,jour,

Le graphique du haut est celui dont je parlais au début et sur lequel la pente de la trajectoire pour les objets à 46Gal correspond normalement à 3,3c (=dr/dt, dans les unités du repère)

Oui.

Je suis d'accord pour ta lecture du n°3 et pour un objet à 50Gal en distance comobile.

OK. Ces photons ont passé la limite de la sphère de Hubble

Par contre j'ai du mal à lire la suite : dans la logique que l'on suit ici, il faudrait le photon parti de 62Gal ait déjà passé la frontière de la sphère de Hubble, or ce n'est pas le cas.
Pour ce que je lis, c'est une lumière émise depuis 60Gal. Le photon est à l'intersection entre la sphère de Hubble et l'horizontale du présent. Mais le graphique montre quand même qu'un photon parti de 62Gal pourrait nous arriver dans un futur infini.

Les photons à 62 Gal sont à l'horizon des événements. Ce dernier sera confondu (asymptotique) dans un futur lointain avec la limite de la sphère de Hubble et le temps de voyage de la lumière tendra vers l'infini.

Est-ce à nouveau dû au fait que H va continuer de diminuer (et que nous ne sommes pas loin de l'asymptote) ?

Oui, H va continuer de diminuer et tendre vers 55 km/s/Mpc (si la constante cosmologique est bien constante...) avec une expansion de l'univers exponentielle.

[Tourist77]

Bonsoir,

Merci pour tes réponses. Je pense qu’on est d’accord sur le fond. Par contre, pour moi, la notion d’horizon des évènements s’applique au présent de ce qui se passe au delà d’une certaine limite et qui sera perçu en un temps infini. En ce sens c’est la distance de ~17Ga qui correspondrait à cette définition. La distance de 62Gal concerne des évènements du passé et il faudrait trouver un autre terme, pour les différencier. D’autant que si il n’y avait pas de t=0 (big bang) il n’y aurait pas de limite, on pourrait toujours voir des évènements plus vieux et des photons partis de plus loin. Celui ci a une définition qui diffère de celle de l’horizon des évènements en RG. Je me trompe ?

[Lansberg]

Bonjour,

Merci pour tes réponses. Je pense qu’on est d’accord sur le fond. Par contre, pour moi, la notion d’horizon des évènements s’applique au présent de ce qui se passe au delà d’une certaine limite et qui sera perçu en un temps infini. En ce sens c’est la distance de ~17Ga qui correspondrait à cette définition.

Oui, l'horizon des événements concerne même le futur : c'est la distance au-delà de laquelle un photon émis "maintenant" ne nous atteindra jamais (ou réciproquement, la distance maximale (actuelle) de la source qui recevra à l'infini des temps le photon qu'on envoie aujourd'hui dans sa direction).
Comme le graphique 3 "embrasse" toute l'histoire de l'univers, il est évident qu'on peut définir cette distance pour chaque âge cosmique. Et c'est ce que les auteurs ont voulu traduire.

La distance de 62Gal concerne des évènements du passé et il faudrait trouver un autre terme, pour les différencier.

A l'infini des temps cet horizon des événements sera le cône de lumière passé.

D’autant que si il n’y avait pas de t=0 (big bang) il n’y aurait pas de limite, on pourrait toujours voir des évènements plus vieux et des photons partis de plus loin. Celui ci a une définition qui diffère de celle de l’horizon des évènements en RG. Je me trompe ?

Sans bigbang (avec expansion ?) on se retrouve dans quel type d'univers et de modèle cosmologique ?

[Daniel1958]

Ben

Il y avait les théories de l'univers stationnaire défendues par un certain Einstein et Fred Hoyle. Pour l'instant selon les données on ne voit pas comment on peut échapper au BG. Mais les théories actuelles jettent un peu le trouble surtout à cause de la partie quantique.

[JPL]

Non, Einstein a compris très vite qu’il ait tort sur ce point, mais Hoyle à persévéré jusqu’au bout dans sa théorie de l’état stationnaire, à ne pas confondre avec univers stationnaire (voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%...t_stationnaire). Ceci n’enlève rien à ses immenses mérites par ailleurs.

[Daniel1958]

Vite
Hum il me semble qu'il n'a pas vraiment percuté avec Lemaitre au début et qu'il a fallu "lu mettre les preuves sous le nez" (Hubble). On dit qu'il aurait arrêté partiellement la cosmologie à cause de l'expansion. Bon je n'étais pas là pour le voir.

[pm42]

Vite
Hum il me semble qu'il n'a pas vraiment percuté avec Lemaitre au début et qu'il a fallu "lu mettre les preuves sous le nez" (Hubble). On dit qu'il aurait arrêté partiellement la cosmologie à cause de l'expansion.

Tout le monde n'a pas la chance d'être un génie universel qui pige tout très vite comme toi.

Bon je n'étais pas là pour le voir.

Non et tu n'y aurais rien compris.

[Daniel1958]

Ah tu dis une chose et son contraire.
Pour Einstein c'était lié plutôt sa vision du monde. Il a mis du temps à s'en défaire car ça lui déplaisait.
Quant à comprendre nous- mêmes c'est certainement non vu le "pédigré" de l'abbé Lemaitre. Il avait déjà fréquenté les plus grandes universités américaines et anglaise (s'était un genie comme Einstein mais avec un registre plus restreint).

[Tourist77]

Bonsoir Lansberg,

Pardon pour l'attente, je n'ai pas été très disponible cette semaine.

Oui, l'horizon des événements concerne même le futur : c'est la distance au-delà de laquelle un photon émis "maintenant" ne nous atteindra jamais (ou réciproquement, la distance maximale (actuelle) de la source qui recevra à l'infini des temps le photon qu'on envoie aujourd'hui dans sa direction).
Comme le graphique 3 "embrasse" toute l'histoire de l'univers, il est évident qu'on peut définir cette distance pour chaque âge cosmique. Et c'est ce que les auteurs ont voulu traduire.

Oui, ce que je voulais dire c'est que si Ho ne varie pas alors la distance de 17Gal est une "barrière" que les photons ne peuvent franchir, car nous nous éloignons de la zone où ils sont à plus que c. Mais si Ho diminue, alors des photons qui sont aujourd'hui plus loin que 17Ga pourront quand même nous arriver, car l'espace qui ira à c "relativement à nous" sera de plus en pus loin. C'est amusant de se dire que la voie lactée a déjà reçu 46/62=74% de l'histoire de l'univers qu'elle pourra connaître, en seulement 14 milliards d'années ce qui est peu en regard de l'infini

A l'infini des temps cet horizon des événements sera le cône de lumière passé.

Oui mais finalement en distance d'émission ça n'aura peut être pas beaucoup changé. Tu as une idée d'où seraient partis ces photons pour que cette distance soit aujourd'hui 62Gal ? En proportion par rapport au FDC actuel (42 millions d'années lumière) ça pourrait être 60/70 millions d'années lumière ?

Sans bigbang (avec expansion ?) on se retrouve dans quel type d'univers et de modèle cosmologique ?

Un univers qui aurait toujours été "allumé". Il n'y aurait pas d'horizon dans ce cas, on verrait jusqu'à l'infini, un peu flou lol. Le redshift engendré par l'inflation, pourrait-il à lui seul simuler une "absence de lumière" avant une certaine date tellement celle-ci est décalée vers le rouge ?

Bonne soirée

[Lansberg]

Bonjour,

Oui mais finalement en distance d'émission ça n'aura peut être pas beaucoup changé. Tu as une idée d'où seraient partis ces photons pour que cette distance soit aujourd'hui 62Gal ? En proportion par rapport au FDC actuel (42 millions d'années lumière) ça pourrait être 60/70 millions d'années lumière ?

La réponse doit se trouver par ici ? : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichie...s_z_to_1e4.png

Un univers qui aurait toujours été "allumé". Il n'y aurait pas d'horizon dans ce cas, on verrait jusqu'à l'infini, un peu flou lol. Le redshift engendré par l'inflation, pourrait-il à lui seul simuler une "absence de lumière" avant une certaine date tellement celle-ci est décalée vers le rouge ?

Pour un tel univers est-il raisonnable de supposer une inflation ?

[Tourist77]

Bonsoir,

La réponse doit se trouver par ici ? : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichie...s_z_to_1e4.png

Exactement, merci ! Si je regarde la courbe diamètre angulaire, malgré l'échelle logarithmique qui nous dit que la pente est beaucoup plus horizontale, elle continue quand même de descendre. Donc plus le z est grand plus la distance diamètre angulaire est petite. Ca signifie, si je comprends bien, que le "dernier photon" parti de 62Gal (en distance comobile actuelle) a en fait été émis plus près que celui du FDC actuel, et donc plus tôt, quand l'espace était plus petit.

Pour un tel univers est-il raisonnable de supposer une inflation ?

J'émettais l'hypothèse que l’absence de lumière pendant l'age sombre pouvait s'expliquer par la dilution des photons lors de l'inflation. Mais ça ne correspond pas aux dates, le premier dure jusqu'à 400.000ans alors que le second est de l'ordre du temps de Planck.

[Lansberg]

Exactement, merci ! Si je regarde la courbe diamètre angulaire, malgré l'échelle logarithmique qui nous dit que la pente est beaucoup plus horizontale, elle continue quand même de descendre. Donc plus le z est grand plus la distance diamètre angulaire est petite. Ca signifie, si je comprends bien, que le "dernier photon" parti de 62Gal (en distance comobile actuelle) a en fait été émis plus près que celui du FDC actuel, et donc plus tôt, quand l'espace était plus petit.

Oui et ça peut paraître contre intuitif. Mais "plus tôt" dans l'histoire de l'univers ça suppose aussi un taux d'expansion très grand repoussant les régions émettrices concernées très loin.

[Tourist77]

Salut,

C'est ça. Je ne m'attendais pas à cette réponse mais la conclusion parait logique, dans ce modèle.

Encore merci pour tes réponses, à bientôt.