Quelle était l’hypothèse dominante ancienne sur l’expansion de l’univers

[Daniel1958]

Bonjour

Petit Post
Je voulais réparer un oubli et aussi remercier au Mthéorie pour sa patience, sa pédagogie et ses articles de hauts niveaux (quelques fois vraiment hauts)


Je comprends (avec mes limites) la théorie actuelle avec la constante Lambda qui a été brillamment expliquée sur le plan physique avec une pincée de mathématiques par Physb2 avec en parallèle l’évocation de l’énergie du vide.

Mias en reprenant des vieux bouquins dont celui Stephen Hawking (une brève histoire du temps).

Je n’y ai vu aucune théorie particulière sur l’ancienne situation.

L’approche était, il me semble, que l’univers était instable et se dilatait perpétuellement. On rappelait qu’il faillait distinguer la matière (inerte) du vide qui s’étendait perpétuellement. L’équation de la RG pouvait décrire un monde en expansion avec ou sans constante Lambda

Avez-vous des éléments plus précis sur l’ancienne approche ?

Cordialement
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[jiherve]

bonjour
ancienne soit mais à quelle époque?
JR

[Daniel1958]

Oh en fait c'est avant 1999. Je ne trouve aucune information descriptive et explicative de l'expansion de l'univers. On se contentait de l'observer. Je grossis volontairement le trait. Mais je n'ai jamais vu/lu (il y en avait peut-être) d'explications probantes sur ce phénomène.

[mach3]

Dans mes souvenirs le consensus juste avant les résultats fracassants du ballon sonde boomerang était l'univers fermé avec contraction après un certain temps d'expansion et big crunch à la clé.
Je me souviens que j'étais encore lycéen et que j'étais monté seul à Paris à la villette exprès pour voir des conférences de vulgarisation à ce sujet avec entre autre Luminet et Lehoucq.

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]

[Daniel1958]

Oui il y en a eu surtout l'univers courbé dont on pouvait (façon de voir) le tour.

Mais de voir "ces génies" dire simplement il y a l'expansion. On avait envie de leur dire mais comment est-ce possible ???

Je vais être un peu "méchant" là tout d'un coup on a une théorie "complète" qui sort. Bien que je ne sois pas du tout un spécialiste elle est (de mon petit point de vue) cohérente. Je passe sur les problèmes de calculs qui me dépassent. Mais ils devraient se résoudre.

[yves95210]

Les observations existaient (les toutes premières datent de Hubble et lui ont permis d'établir empiriquement sa "loi" en 1929) et la théorie aussi (depuis Lemaître en 1927, préalablement à ces observations).

Il fut un temps (dans les années 1950 ou 60) où les observations n'étaient pas assez précises (et surtout pas d'objets assez éloignés) pour donner une valeur précise de la "constante" de Hubble. Il y avait débat entre les tenants d'une valeur ~50 km/s/Mpc et ceux d'une valeur ~100 km/s/Mpc, suivant la nature des observations qu'ils privilégiaient. Et bien sûr, les observations n'étaient surtout pas assez précises pour permettre de constater l'accélération de l'expansion.
Mais la théorie était là et elle n'a pas changé. On a seulement ajusté les paramètres du modèle - en particulier, introduit une valeur non nulle de la constante cosmologique; mais celle-ci était déjà présente dans l'équation d'Einstein (qui l'avait ajoutée pour de mauvaises raison, avant d'y renoncer également pour de mauvaises raisons) et les travaux de Lemaître (même si ce dernier n'avait aucun élément à sa disposition pour en prédire la valeur).

Au sujet de l'évolution du modèle cosmologique depuis les années 1980 tu peux lire ce post de blog de Stacy McGaugh, "A personal recollection of how we learned to stop worrying and love the Lambda"

[Daniel1958]

Alors oui pour Lemaitre, Friedman a travaillé sans constante (et sans valeur ?).

Bon tu es un spécialiste, je ne vais pas te contredire car tu as raison à 100%.

J'avais entendu effectivement que des gens voulais remettre en route la constante lambda mais c'était vague

they definitely made that case for ΛCDM

Belle image du docteur Folamour. Je n'avais pas ces précisions qui change ma vision. Cela indique, un peu, que tout était prêt/mur pour une expansion avec ou sans accélération.

Mais la contrepartie physique Energie du vide/Energie Noire est (il me semble) vraiment nouvelle.


J'ai le bouquin de Thorne "trous et distorsion du temps" (je commence à le comprendre) il s'est bien gardé de parler de l'expansion de l'univers.

D'ailleurs c'est frappant entres les deux livres de Hawking une brève histoire du temps et sa réécriture en une belle histoire du temps l'expansion de l'univers était enfin "expliquée". Sur le premier "rien"

Merci pour tes infos mais il me semble qu'avant les trous noirs avaient plus la côte.

Tiens je me posais à l'occasion une question sur cette constante. Comment l'analyser car dans le futur l'univers (probablement et pour les théories actuelles) sera de plus et en plus froids et éclatera en photons froids.
La constante lambda sera-t-elle à Zéro ? Ce ne sera plus une constante car elle va vite décroitre ?

[yves95210]

mais il me semble qu'avant les trous noirs avaient plus la côte.

De tout temps il y a eu des sujets à la mode et d'autres moins (surtout sur le plan médiatique). Dans les années 60 les trous noirs c'était tout neuf (d'ailleurs l'expression "black hole" est apparue pour la première fois en 1964), alors que l'expansion de l'univers était déjà admise par (quasiment) tout le monde, à la fois du point de vue observationnel et du point de vue théorique.

Mais de ce côté les cosmologistes de l'époque avaient peu de moyens d'avancer : faute d'observations adéquates, les estimations de H0 sont restées comprises dans une large fourchette allant de 50 à 100 km/s/Mpc jusque dans les années 90, et d'autre part les estimations de la densité de matière moyenne de l'univers étaient également bien trop incertaines pour imposer une contrainte précise sur la valeur de H0, et les observations manquaient aussi au sujet de la géométrie de l'espace (fermée, plate ou ouverte), et encore plus pour justifier d'introduire une constante cosmologique non nulle. Evidemment tout ça a bien évolué depuis la fin des années 90, avec en particulier la découverte de l'accélération de l'expansion, puis les observations du CMB et la confirmation de la "platitude" de l'univers à l'époque où le CMB a été émis.

D'ailleurs si le sujet revient à la mode aujourd'hui, c'est surtout parce que les mesures de plus en plus précises font à nouveau apparaître une tension entre les valeurs de H0 obtenues suivant différentes méthodes de calcul (plus ou moins dépendantes du modèle cosmologique, et basées sur des observations de nature différente), même si l'écart entre ces valeurs (~68 ou ~74 km/s/Mpc) est évidemment bien plus faible qu'à l'époque du débat entre Sandage et de Vaucouleurs.
Mais sur le fond, rien n'a changé : le modèle de concordance (LambdaCDM) reste basé sur les équations de Friedmann, dont (dans l'univers post-CMB, ou la densité de pression du rayonnement est négligeable) les seuls paramètres sont la densité de matière-énergie, le scalaire de courbure spatiale et la constante cosmologique. Jusqu'à présent, les observations de plus en plus précises (en particulier celles du CMB par WMAP puis par Planck) n'ont fait que contraindre de plus en plus fortement les valeurs de ces paramètres et donc la valeur de H0, et n'ont pas entraîné une remise en cause du modèle par la grande majorité des cosmologistes.

[Daniel1958]

D'abord merci pour ton historique très riche.

la densité de pression du rayonnement est négligeable

Bien sûr mais pas nul ça existe (utilisée entre-autre dans des armes)

les seuls paramètres sont la densité de matière-énergie, le scalaire de courbure spatiale et la constante cosmologique

Je vais essayer de comprendre :

Là tu parles en "local" ? Car en univers global il me semble que le scalaire de courbure spatiale doit être quasi nul (espace quasi euclidien) comme la valeur densité de matière-énergie très faible au regard de l'univers.

[yves95210]

Là tu parles en "local" ? Car en univers global il me semble que le scalaire de courbure spatiale doit être quasi nul (espace quasi euclidien) comme la valeur densité de matière-énergie très faible au regard de l'univers.

Je parle des paramètres qui interviennent dans l'équation de Friedmann de manière générale, sans préjuger de leurs valeur :

où k = -1, 0, 1 suivant que la courbure est négative, nulle, ou positive.

C'est la théorie sur laquelle est basé le modèle, dans lequel les valeurs des paramètres rho, k et Lambda sont imposées par des observations, et à l'aide duquel on calcule une valeur de H₀ (valeur de H aujourd'hui) qui doit être confirmée (ou pas) par d'autres observations. En l'occurrence cette théorie est ni plus ni moins que la relativité générale, appliquée à un espace-temps spatialement homogène et isotrope, et c'en est une des applications les plus simples.

Compte-tenu des contraintes observationnelles, le terme de courbure est négligeable (même si k est non nul, a² doit être très supérieur au rayon de l'univers observable), et les termes de densité de matière (baryonique + noire) et de constante cosmologique représentent aujourd'hui respectivement environ 30% et 70% de la valeur de H₀.

Le modèle cosmologique étant basé sur l'hypothèse d'une homogénéité et isotropie de l'univers à toute échelle^(*), il n'y a pas de différence entre équation locale et équation globale : l'équation locale est la même partout.

(*) ou, moins naïvement, d'une homogénéité et isotropie à grande échelle, mais en considérant que la valeur de H calculée à partir des valeurs moyennes des paramètres de densité et de courbure selon l'équation ci-dessus est en très bonne approximation la même que la valeur moyenne de H qui serait calculée (de manière bien plus compliquée...) à partir des taux d'expansion locaux de zones plus ou moins denses et plus ou moins "courbées" de l'univers (typiquement les murs ou filaments cosmiques contenant les grandes structures et les vides cosmiques).
Autrement dit en considérant que l'équation globale est égale à la moyenne des équations locales en très bonne approximation malgré la non-linéarité des équations de la RG - question qui fait débat entre théoriciens, certains (minoritaires) allant jusqu'à estimer que le besoin d'un Lambda non nul ne serait qu'un artefact dû à cette approximation.

[Daniel1958]

Merci


1er nouvelle je ne savais pas que cette équation avec constante servait globalement de support (elle doit dater des années 20). Je ne pensais pas qu'elle était utilisée. Tout le monde ne parlait que de la métrique de Scharwfield en RG comme essentielle. Mais je trouve que l'équation de Freidman que tu me présentes est assez simple.
H => taux d'expansion de Hubble (H_°) mais à/a facteur échelle a'/facteur d'échelle a ???. C'est ça ? .

[yves95210]

H est le taux d'expansion du facteur d'échelle a : H = (da/dt)/a

Et non, il n'y a pas que la métrique de Schwarzschild qui est "essentielle". Mais c'est en général la première qui est étudiée, à la fois pour des raisons historiques (il s'agit de la première solution exacte de l'équation d'Einstein), pour des raisons de simplicité (symétrie sphérique et solution du vide, ce qui permet de simplifier drastiquement les équations), et parce qu'elle a permis de prédire les premiers résultats expérimentaux qui ont confirmé la validité de la RG comme théorie de la gravitation (les seules expériences qui étaient accessibles à l'époque et qui permettaient de distinguer les résultats de la RG de ceux de la gravitation newtonienne).

Mais en ce qui concerne par exemple les trous noirs "réels" (en rotation), c'est la métrique de Kerr (1963) qui est essentielle, plus que celle de Schwarzschild.
Et bien sûr, en ce qui concerne la cosmologie, la métrique de Friedmann-Lemaître (revisitée plus tard par Robertson et Walker, d'où le nom FLRW sous lequel elle est connue habituellement). Mais aussi la métrique de Lemaître-Tolman (revisitée plus tard par Bondi et souvent citée sous le nom LTB) pour étudier l'effondrement des zones de sur-densité (jusqu'à la formation éventuelle d'un trou noir) mais pas que : en fait on retrouve comme cas particuliers de la solution de Lemaître-Tolman les solutions de Friedmann-Lemaître et de Schwarzchild (exprimée dans un système de coordonnées où le temps propre est celui des observateurs en chute libre, et qui n'a pas le défaut du système de coordonnées de Schw. de présenter une singularité mathématique au niveau de l'horizon d'un trou noir).

[Daniel1958]

Encore une fois merci pour ton érudition

Et puis c'est bien de remettre "les pendules à l'heure" en rappelant ce remarquable physicien qu'était Friedmann. Par contre je ne pense pas qu'il ait eu vent de travaux de Hubble. Peut-être ceux de Vesto Slipher qui aurait ainsi confirmé l'expansion.

[yves95210]

Encore une fois merci pour ton érudition

Et puis c'est bien de remettre "les pendules à l'heure" en rappelant ce remarquable physicien qu'était Friedmann. Par contre je ne pense pas qu'il ait eu vent de travaux de Hubble. Peut-être ceux de Vesto Slipher qui aurait ainsi confirmé l'expansion.

Sans oublier Lemaître, qui a abouti à la même solution indépendamment des travaux de Friedmann, antérieurs mais qu'il ne connaissait pas : Lemaître a été le premier à théoriser le fait que la récession des galaxie était due à l'expansion, à en dériver la "loi de Hubble" (d'ailleurs renommée officiellement loi de Hubble-Lemaître par l'International Astronomical Union en 2018) et à publier la première estimation (erronée) de ce qui a été nommé plus tard "constante de Hubble", avant que Hubble ait publié son article. Et, ce qui n'était pas une mince affaire, c'est lui qui a convaincu Einstein de l'impossibilité d'un modèle d'univers statique (alors qu'Einstein avait initialement introduit la constante cosmologique pour autoriser un tel modèle d'univers, qui correspondait mieux à ses croyances).

Mais le premier article de Lemaître avait été publié en français dans les Annales de la société scientifique de Bruxelles (probablement pas le plus connu des journaux scientifiques au-delà des frontières belges...) et il a fallu plusieurs années avant que ses travaux soient connus (et leur valeur reconnue).
Ses contributions ne se sont pas arrêtées là. J'ai cité aussi la métrique de Lemaître-Tolman (car là aussi cette solution a été établie indépendamment par les deux scientifiques), sans-doute moins connue mais aussi d'un intérêt majeur - je l'ai d'ailleurs rencontrée entre autres dans les "Principes de la cosmologie" de James Rich, qui l'utilise dans son chapitre sur la formation des structures (et le modèle d'effondrement sphérique) sans même en donner le nom - et qui nomme d'ailleurs aussi la métrique FLRW métrique de Robertson-Walker en oubliant Friedmann et Lemaître dont les travaux sont antérieurs...

En tout cas, près d'un siècle plus tard, c'est encore la métrique de Friedmann-Lemaître qui est la base du modèle cosmologique standard.

[Nicophil]

Salut Yves,

modèle d'univers statique (alors qu'Einstein avait initialement introduit la constante cosmologique pour autoriser un tel modèle d'univers, qui correspondait mieux à ses croyances).

Tout le monde répète ça mais c'est à croire que personne ne lit les textes originaux, même l'article Einstein - De Sitter de 1932, pourtant aussi court que fameux :
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/art...076193/?page=1

[Lansberg]

Bonsoir,

je ne vois pas la contradiction. Sans constante cosmologique l'univers est "dynamique" et c'est bien en ajoutant ce terme avec une valeur précise qu'Einstein rend l'univers statique. En 1932 (l'article cité), l'expansion étant actée, la solution la plus simple est de supprimer la constante cosmologique ce que Lemaître se refuse de faire car cela augmente le champ des possibles (les fameux modèles de Friedmann-Lemaître). Lemaître dans les années 30 rencontrera d'ailleurs Einstein pour discuter de la pertinence de "lambda".

[yves95210]

Salut Nicophil,

Ta citation et la réponse de Lansberg confirment ce que je disais plus haut : Einstein avait introduit la constante cosmologique (parfaitement compatible avec la théorie) pour autoriser mathématiquement l'existence d'un modèle univers statique de densité moyenne finie, hypothèse qu'il privilégiait (et qui relevait plus de ses croyances personnelles que de la rationalité scientifique). Et il n'y a renoncé que quand il a été démontré que ce modèle serait instable. Comme il le dit (avec de Sitter) un univers de densité moyenne finie (ne) peut exister (que) "in the dynamic case", autrement dit si l'univers n'est pas statique mais en expansion / contraction (Le "ne" ... "que" est un ajout de ma part).

Et Lemaître a bien eu raison de refuser de supprimer la constante cosmologique des équations (puisque sa valeur nulle éventuelle n'en était qu'un cas particulier) et qu'il s'est avéré 70 ans plus tard qu'elle était bien utile pour rendre son modèle compatible avec les observations.

Bref, la raison pour laquelle Einstein avait introduit la constante cosmologique était mauvaise. Et celle pour laquelle il l'a supprimée aussi... Ce qui ne retire rien à son génie, mais je trouve qu'il faut rendre justice à Lemaître, qui a eu le courage de contredire "le maître" Einstein et dont les contributions en matière de cosmologie se sont avérées primordiales même si son nom avait été quasiment oublié dans la littérature scientifique (en particulier anglophone).