Expansion et décalage vers le rouge

[MyL38]

Bonjour,

Quand on pose la question "pourquoi il y a un décalage vers le rouge ?" la réponse est souvent : c'est à cause de l'expansion de l'univers... Ok
Quand on pose la question "comment peut-on affirmer que l'expansion de l'univers existe ?" la réponse est souvent : Car il y a un décalage vers le rouge...

Bah oui mais non... C'est le serpent qui se mord la queue cette histoire. Finalement aucune des deux affirmations ne prouve l'autre ?

On est parti du décalage vers le rouge pour émettre l'hypothèse qu'il y a une expansion, or aujourd'hui la preuve de cette expansion, c'est justement ce décalage vers le rouge. Il y a un problème.

Il y a un problème car on ne peut pas affirmer que l'un prouve l'autre. Supposons qu'à la place de l'expansion, on avait postulé que le vide agrandit les longueurs d'onde sur de longues distance, alors aujourd'hui on aurait également des questions du même type :

Si on posait la question "pourquoi il y a un décalage vers le rouge ?" la réponse serait : c'est à cause de la grande quantité de vide entre nous... Ok
Si on posait la question "comment peut-on affirmer que le vide agrandit les longueurs d'onde ?" la réponse serait : Car il y a un décalage vers le rouge...

Donc finalement, on penserait tous (à tort) que le vide étire les longueurs d'onde... Voyez le soucis ? Finalement tout un tas d'hypothèses auraient pu fonctionner.
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[Deedee81]

Salut,

Effectivement, ça se mord la queue

Deux choses en préliminaire.
1) D'abord puisque l'expansion est bien établie on mesure facilement les distances en mesurant le décalage vers le rouge. Ce serait bête de s'en priver.
2) Ensuite, le décalage vers le rouge suite à une vitesse de récession est bien établie. Comme : https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Doppler Et c'est donc bien à l'origine (Hubble) ainsi que l'on a découvert une vitesse de récession proportionnelle à la distance et donc une expansion.

Notons toutefois deux bémols.
1b) (b pour bémol ). Tu as raison, ça se mord la queue. Et certains avaient même imaginé d'autres explications tel que la lumière fatiguée. https://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C..._fatigu%C3%A9e C'est tout à fait l'idée que tu évoques à la fin de ton message.
2b) J'ai dit "proportionnel à la distance". C'est vrai car vu le principe cosmologique (très bien respecté à grande échelle) https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_cosmologique alors on doit avoir proportionnalité. Ou dit autrement la constante de Hubble est une constante. MAIS elle est constante dans l'espace pas dans le temps, elle a varié au cours du temps. Et comme voir loin c'est voir le passé, on doit avoir une variation. De plus, le décalage vers le rouge cosmologique n'est pas strictement équivalent à l'effet Doppler, il s'apparente à l'effet Einstein : https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A...e_d%27Einstein qui est le décalage vers le rouge dû à la gravité (bien observé avec les étoiles et même le GPS). La lumière émise y a longtemps "sort" du puits gravitationnel de l'univers car celui-ci diminue (à cause de l'expansion) d'où le décalage. On a donc des écarts (aux très grandes distances).

Le 2b est le point majeur dans le cadre du Modèle Standard de la cosmologie. Comment faire ? Hé bien en mesurant les distances par une autre manière qu'avec le décalage vers le rouge, tout bêtement. Et pour ça on a pour les objets proches : la parallaxe. https://fr.wikipedia.org/wiki/Parallaxe Devenu précis et couvrant une bonne partie de notre voisinage stellaire (et même au niveau galactique maintenant grâce à Gaïa). Puis on a les chandelles cosmiques : https://fr.wikipedia.org/wiki/Chandelle_standard

Par exemple, les céphéides ont une pulsation qui dépend de leur luminosité. Mesurer la pulsation => donne sa luminosité. Et comme plus un objet est loin, moins il parrait lumineux, on a automatiquement sa distance. Les céphéides furent utilisées par Hubble. Mais depuis on a des chandelles couvrant tout le spectre de distances dans l'univers et avec une grande précision. Même s'ii faut toujours faire attention (voir la publication un peu précipitée des galaxies primordiales avec le JWST : les distances avaient établies par luminosité.... mais ils avaient sous-estimé la quantité de poussière. D'où des annonces "des galaxies trop précoces" C'est les mesures de spectres quo ont remis l'église au milieu du village)

Reste le 1b, comment différencier un rougissement dû à l'effet Doppler/Einstein d'un rougissement dû à par exemple la lumière fatiguée.

Et là il y a un astuce très simple (outre ce qui est dit dans l'article wikipedia) : c'est la dilatation du temps NON RELATIVISTE (on ne l'appelle pas comme ça, plutôt "temps apparent"). C'est le fait que lorsque un objet s'éloigne la lumière met de plus en plus de temps à nous parvenir. Et donc la durée mesurée entre deux événements est plus grande mesurée à distance pour un objet qui s'éloigne. En réalité cet effet est analogue à l'effet Doppler, mais ici on mesure directement le temps et pas des longueur d'onde. Or les chandelles standards, en particulier les supernovae Ia, ont une telle durée (pour les supernovae la durée de la courbe de luminosité https://fr.wikipedia.org/wiki/Naine_...ova_de_type_Ia (voir aussi en anglais, là il y a une figure de la courbe). Et donc on en combinant avec la mesure de distance, on obtient la distance ET la vitesse de récession.

Mais bien sûr comme dit dans wikipedia, il y a tout le reste et en particulier le rayonnement fossile, la nucléosynthèse primordiale, l'évolution de l'univers (par exemple les quasars n'existent que pendant une certaine période), etc.... Qui toutes vont dans le sens du Modèle Standard.

S'il existe des difficultés (les machins noirs, la tension actuelle sur la constante de Hubble, des incertitudes sur le scénario de formation des grandes structures), le tronc commun est TRES solide et aucune théorie alternative (et quantitative !!!!) n'arrive à reproduire tout ce qui est observé.

[yves95210]

Bonjour,

Le premier modèle cosmologique basé sur la théorie de la relativité générale a été établi avant que soit constaté le décalage vers le rouge des galaxies lointaines. Il s'agit de la solution de Friedmann (qui n'a pas eu le temps d'en explorer les conséquences) et de Lemaître qui a redécouvert cette solution et montré qu'elle avait pour conséquence que l'univers devait être en expansion ou en contraction, car un univers statique aurait été instable (ce qu'Einstein a fini par reconnaître).

On peut donc considérer que l'expansion de l'univers était prédite par ce modèle comme conséquence théorique de la relativité générale, à condition que les hypothèses de symétrie sur lesquelles repose le modèle soient (à peu près) conformes à la réalité physique. Et l'expansion conduit inévitablement à un décalage vers le rouge.

Si celui-ci n'avait pas été observé, le modèle aurait été réfuté. Et à moins qu'on ait su aussi réfuter les hypothèses sur lesquelles il repose (ce qu'on n'a pas fait jusqu'à présent, car elles restent grosso-modo conformes aux observations), c'est la relativité générale qu'on aurait dû considérer comme réfutée, alors que ses prédictions dans tous les autres domaines ont été vérifiées expérimentalement...

PS : je n'avais pas lu la réponse que Deedee a postée pendant que je rédigeais mon message. Mais autant commencer par les bases...

[Deedee81]

PS : je n'avais pas lu la réponse que Deedee a postée pendant que je rédigeais mon message. Mais autant commencer par les bases...

Tu as abordé ça par l'autre bout de la lorgnette, tant mieux, ça donne une explication plus complète

[A voir en vidéo sur Futura]

[Lansberg]

On peut donc considérer que l'expansion de l'univers était prédite par ce modèle comme conséquence théorique de la relativité générale, à condition que les hypothèses de symétrie sur lesquelles repose le modèle soient (à peu près) conformes à la réalité physique. Et l'expansion conduit inévitablement à un décalage vers le rouge.

Ce décalage vers le rouge est expliqué par Lemaître dans sa publication de 1927 : "Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques".
A cette époque la relation entre vitesse de récession et distance n'est pas encore établie puisqu'il faut attendre Hubble et ses travaux en 1929, mais Lemaître suppose que ces grandeurs sont proportionnelles (forcément, puisque c'est une conséquence du modèle) !

[Gilgamesh]

Ce décalage vers le rouge est expliqué par Lemaître dans sa publication de 1927 : "Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques".
A cette époque la relation entre vitesse de récession et distance n'est pas encore établie puisqu'il faut attendre Hubble et ses travaux en 1929, mais Lemaître suppose que ces grandeurs sont proportionnelles (forcément, puisque c'est une conséquence du modèle) !

Si, si, Lemaître a trouvé (grâce à la théorie) et quantifié (grâce aux observations) la relation distance-redshift dès 1927, soit deux ans avant Hubble.

"Utilisant les 42 nébuleuses extra-galactiques figurant dans les listes de Hubble et de Strömberg, et tenant compte de la vitesse propre du Soleil, on trouve une distance moyenne de 0,95 millions de parsecs et une vitesse radiale de 600 km/s, soit 625 km/s à 10⁶ parsecs. Nous adoptons donc R'/R = v/rc = 0,68x10^-27 cm^-1 "

source
autre source

[Lansberg]

Si, si, Lemaître a trouvé (grâce à la théorie) et quantifié (grâce aux observations) la relation distance-redshift dès 1927, soit deux ans avant Hubble.

"Utilisant les 42 nébuleuses extra-galactiques figurant dans les listes de Hubble et de Strömberg, et tenant compte de la vitesse propre du Soleil, on trouve une distance moyenne de 0,95 millions de parsecs et une vitesse radiale de 600 km/s, soit 625 km/s à 10⁶ parsecs. Nous adoptons donc R'/R = v/rc = 0,68x10^-27 cm^-1 "

Oui, j'ai lu la publication. Mais il y a un petit renvoi (N°2) indiqué à la fin de la phrase : "...soit 625 km/s à 10⁶ parsecs." !

Et la remarque me semble importante.

"En ne donnant pas de poids aux observations, on trouverait 670 km/sec à 1,16 x 10⁶ parsecs, 575 km/sec à 10⁶ parsecs.Certains auteurs ont cherché à mettre en évidence la relation entre v et r et n'ont obtenu qu'une très faible corrélation entre ces deux grandeurs. L'erreur dans la détermination des distances individuelles est du même ordre de grandeur que l'intervalle que couvrent les observations et la vitesse propre des nébuleuses (en toute direction) est grande (300 km/s d'après Strömberg), il semble donc que ces résultats négatifs ne sont ni pour ni contre l'interprétation relativistique de l'effet Doppler. Tout ce que l'imprécision des observations permet de faire est de supposer v proportionnel à r et d'essayer d'éviter une erreur systématique dans la détermination du rapport v/r. Cf. Lundmark..."

Lemaître dit lui-même que la relation entre v et r n'est pas établie formellement mais qu'il la suppose vraie !