Photon et expansion

[invite4a87a96d]

Je voudrais clarifié un point sur lequelle quelqu'un à introduit un doute.

Prenons un photon partie d'une trés vieille étoile primordial..
Le photon parcours l'univers et l'espace courbé par la relativité (Admettons qu'il travers des galaxies et des espaces vide avant de nous arriver)
Au fur et à mesure que l'univers dans lequelle il voyage grandit à cause de l'expansion, le photon est étiré, sa longueur d'onde augmente, sa fréquence diminu, bref, il perd de l'énergie et est décalé vers le rouge.

Ma question est la suivante :

Le décalage est il oui ou non une fonction stricte de la distance qu'il a parcouru (distance certe impacté par la courbure de l'espace qu'il a traversé) ou bien est ce que, selon les endroits, un autre paramétre a joué sur la valeur de l'expansion..

C'est important les détails, et j'aimerais bien connaitre la réponse !


(Parce que ça change tout de savoir si l'expansion se joue uniformément sur l'espace (certe courbé), ou si c'est un effet matérielle.. )
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[obi76]

Bonjour,

Conformément à la charte :

2. La courtoisie est de rigueur sur ce forum : pour une demande de renseignements bonjour et merci devraient être des automatismes. Vous pouvez critiquer les idées, mais pas les personnes.

La prochaine fois je fermerai sans préavis.

Pour la modération,

[invite4a87a96d]

Bonjour,

Conformément à la charte :



La prochaine fois je fermerai sans préavis.

Pour la modération,

C'est un peu ironique, mais je suis trés courtoit !

[invite80fcb52e]

Le décalage est il oui ou non une fonction stricte de la distance qu'il a parcouru (distance certe impacté par la courbure de l'espace qu'il a traversé) ou bien est ce que, selon les endroits, un autre paramétre a joué sur la valeur de l'expansion...

Le décalage vers le rouge (ou le bleu) peut avoir plusieurs origines:
- l'expansion (seulement vers le rouge)
- la vitesse relative (effet doppler)
- le champ de gravitation (effet einstein)

Mais apparemment dans ta question tu ne t'intéresse qu'à l'expansion. Et toute façon sur de grandes distances, c'est l'expansion qui domine tous les autres.

Le redshift de l'expansion est simplement le rapport de taille entre l'univers au moment de l'émission et l'univers aujourd'hui:



où z est le redshift, a₀ est le facteur d'échelle aujourd'hui et a est le facteur d'échelle à l'époque de l'émission du photon.
Par exemple un objet vu avec un redshift de 2 veut dire que l'univers à l'époque où on le voit était 3 fois plus petit, ou bien que l'univers a grandit d'un facteur 3 entre le moment où le photon est parti et le moment où on le reçoit.

Maintenant si on veut connaitre la distance parcourue par un photon affecté d'un redshift z, il faut connaitre le temps qu'il a mis pour venir. Et ça dépend directement du taux d'expansion. Si l'expansion est rapide, il ne va pas parcourir une grande distance pendant que l'univers a grandit d'un facteur 1/1+z. Au contraire si l'expansion est lente, il va parcourir une plus grande distance.

Le temps de parcours des photons affecté d'un redshift z est donnée par cette intégrale:



où:
- est la constante de Hubble aujourd'hui
- est la densité d'énergie sombre
- est la densité de courbure de l'univers
- est la densité de matière
- est la densité de rayonnement

La distance parcourue est simplement: où c est la vitesse de la lumière.

Dans l'approximation z << 1 (petits redshift), on peut remplacer 1+z par 1, et la somme des fait 1 par définition. Donc on se retrouve avec:



Ce qui redonne la loi de Hubble: .

Mais de façon générale, le décalage vers le rouge ne dépend pas seulement de la distance parcourue, mais aussi de comment s'effectue l'expansion (à quel taux), et là ça dépend de la densité de matière, d'énergie sombre, de rayonnement et de la courbure (y a qu'à voir l'intégrale ).

A haut redshift (en fait plus grand que 0.1 je dirais) c'est l'expansion qui domine par rapport aux deux autres sources de décalage, donc la présence d'un puit de potentiel (redshift gravitationnel) ou une vitesse relative (doppler) ne change pas grand chose au décalage vers le rouge d'une galaxie (les plus lointaines observées sont à un redshift de 8 environ / 13,2 milliards d'années de trajet)

Par contre concernant le fond diffus cosmologique (plus lointaine observation à un redshift de 1100), ça va se voir. Cette lumière est celle d'un corps noir à la température de 2.7°K, autrement dit cela correspond à un maximum d'émission dans une certaine longueur d'onde. Longueur d'onde qui s'est redshifté d'un facteur 1100, ce qui explique qu'en fait l'univers faisait 2.7 x 1100 = 3000 °K au moment de l'émission.

Il existe en fait des petites fluctuations dans la "température" observée, causées par plein de choses: les fluctuations de vitesses de la surface d'émission vont créer un redshift ou blueshift, les fluctuations du champ de gravitation aussi: redshift quand c'est plus dense que la moyenne, blueshift quand c'est moins dense. Ces décalages vont se traduire par une température plus chaude (blueshift) ou plus froide (redshift), qui se rajoute aux fluctuations de température primordiales. En plus de ça les photons vont aussi subir des décalages sur tout le trajet avant de nous parvenir.

Par exemple en traversant un amas de galaxie, les électrons du gaz chaud de l'amas vont fournir de l'énergie aux photons par effet compton inverse (blueshift), c'est l'effet Sunyaev-Zel'dovich.

Autre exemple: quand les photons rentrent dans une grande structure encore en expansion (comme un superamas de galaxie), il vont subir un blueshift à l'entrée et un redshift à la sortie par effet einstein. Et comme la structure est en expansion le décalage à l'entrée et à la sortie n'est pas forcément le même car le potentiel gravitationnel a changé pendant l'expansion. Ceci permet de mesurer directement l'effet de l'énergie sombre ou de la courbure de l'univers si elle domine. C'est ce qu'on appelle l'effet Sachs-Wolfe intégré.

M'enfin ces effets, très intéressant à étudier pour sonder l'énergie sombre ou les amas de galaxies, sont très faibles (1 pour 100000 au maximum) par rapport à l'effet de l'expansion sur les photons du CMB (facteur 1100).

Et concernant uniquement l'expansion, l'univers est suffisamment homogène pour que le redshift se fasse au même taux partout. Suffit de voir le fond diffus cosmologique qui est homogène avec une incroyable précision (1 pour 100000). Si l'expansion n'était pas partout la même on observerait des températures sensiblement plus fluctuantes d'une direction à l'autre.

J'espère répondre à ta question!

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite4a87a96d]

Le décalage vers le rouge (ou le bleu) peut avoir plusieurs origines:
[..... inutile de tout citer...]

J'espère répondre à ta question!

merci donc c'est bien ce que je pensais !

[invite4a87a96d]

Le décalage vers le rouge (ou le bleu) peut avoir plusieurs origines:
- l'expansion (seulement vers le rouge)
- la vitesse relative (effet doppler)
- le champ de gravitation (effet einstein)
[..... inutile de tout citer...]

J'espère répondre à ta question!

Encore une question !!
La masse de l'univers à telle varié ?

Le Red Shift, certe dépend de la courbure de l'univers (et donc des masses qu'il contient).. Mais l'expansion ?
A priori la vitesse de l'expansion changé au cours de l'histoire.. hors si cette vitesse est lié à la masse de l'univers, ça signifierait que la masse de l'univers (du moins disont la densité corrigé, c'est à dire la densité par unité de volume marqué dans l'univers moyen plat) a changé.. ?

[Deedee81]

Salut,

La masse de l'univers à telle varié ?

Pas a notre connaissance. Ce qui y est y reste.

Attention toutefois, il convient plutôt de parler d'énergie (c'est plutôt elle qui est responsable des effets en relativité générale) et celle-ci n'est pas une grandeur bien définie pour l'univers dans sa globalité.

A priori la vitesse de l'expansion changé au cours de l'histoire.. hors si cette vitesse est lié à la masse de l'univers, ça signifierait que la masse de l'univers (du moins disont la densité corrigé, c'est à dire la densité par unité de volume marqué dans l'univers moyen plat) a changé.. ?

La densité varie forcément si l'univers est en expansion !!!!

Attention : "densité par unité de volume" ne veux rien dire.

[invite80fcb52e]

A priori la vitesse de l'expansion changé au cours de l'histoire..

Le taux d'expansion à un redshift de z est donné par le paramètre de Hubble H:



Tu vois que H augmente avec z, mais il est lié aux densités respectives de chaque composante et pas à la masse.

[invite4a87a96d]

Salut,



Pas a notre connaissance. Ce qui y est y reste.

Attention toutefois, il convient plutôt de parler d'énergie (c'est plutôt elle qui est responsable des effets en relativité générale) et celle-ci n'est pas une grandeur bien définie pour l'univers dans sa globalité.



La densité varie forcément si l'univers est en expansion !!!!

Attention : "densité par unité de volume" ne veux rien dire.

Je voulais dire "masse par unité de volume".. en fait c'était pour évité de parler de l'énergie total vu que l'univers visible augmente et qu'on ne sait toujours pas ce qu'il y a derrière..
Le truc que je cherchais à définir n'est pas la masse par volume, mais la masse par volume une fois l'expansion corrigé..
D'ailleurs, ça m'amène à une autre question : existe il une unité spatial qui justement prend en compte et corrige l'effet de l'expansion.. ???

Je sais que la relativité est subtil et qu'il n'y a pas de référentiel privilégié, mais j'imagine qu'on peut quand même définir une vitesse moyenne des toutes les étoiles observables d'un point donné, et appeler cette vitesse la vitesse "moyenne".
Au pire on peut utiliser le décalage Doppler et définir la vitesse nulle comme celle qui minimise la valeur absolue du Shift.. ce qui nous donne systématiquement une vitesse de "base".
A partir de là on peut tracé une trajectoire dans l'espace-temps qui serait la trajectoire immobile moyenne (celle qui a chaque instant minimise les décalages des photons reçu de toutes les directions) et donc définir un volume corrigé (une zone d'espace qui grandit donc avec l'expansion).. pour obtenir une mesure de la densité qui ne varie pas..
Est ce une idée ? comment on fait habituellement pour caractériser la densité constante de l'univers... ? (on doit bien s'en servir pour simuler les phases de l'inflation etc.. )