Questions bêtes à propos du fond diffus cosmologique

[Lebleu34]

Bonjour,

Si j'ai bien compris, au niveau de l'horizon cosmique, à 46,5 milliards d'années-lumière on observe le fond diffus cosmologique (ou rayonnement fossile ou CMB) qui est les plus vielles lueurs de l'univers.

Il y a plusieurs choses que je comprends pas :

Dans ce cas, est-ce que ça veut dire que plus on s'éloigne de la terre et plus les galaxies observées sont âgées ? (et donc de notre point de vue, notre galaxie serait la plus jeune ?)

Il y a aussi cette histoire de 3 Kelvins au dessus du zéro absolu que l'on retrouve (partout ?) dans le vide intergalactique, ça aussi c'est bien le CMB ?
Et donc dans ce cas les restes des premiers instants de l'univers sont partout et non pas au niveau de l'horizon cosmologique.

Je m'y perds, pourriez-vous éclairer ma lanterne ?

Merci d'avance pour vos réponses
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[yves95210]

Bonjour,

Dans ce cas, est-ce que ça veut dire que plus on s'éloigne de la terre et plus les galaxies observées sont âgées ? (et donc de notre point de vue, notre galaxie serait la plus jeune ?)

Plus une galaxie observée est lointaine, plus le rayonnement qu'elle a émis mis du temps à nous parvenir, et donc plus l'image qu'on en a est celle d'une jeune galaxie.

Il y a aussi cette histoire de 3 Kelvins au dessus du zéro absolu que l'on retrouve (partout ?) dans le vide intergalactique, ça aussi c'est bien le CMB ?
Et donc dans ce cas les restes des premiers instants de l'univers sont partout et non pas au niveau de l'horizon cosmologique.

Oui, puisque le "big bang" a eu lieu partout en même temps.

L'horizon cosmologique est une notion relative à la position de l'observateur, ce n'est pas une limite physique - de même que lorsque tu te déplaces à la surface de la Terre, "ton" horizon se déplace avec toi.
Tu peux imaginer un astronome habitant dans une galaxie très lointaine, disons à plus de 30 milliards d'années-lumière en distance comobile. Au même instant du temps cosmologique (aujourd'hui) il verrait grâce à ses instruments une image de la Voie Lactée à une époque bien plus ancienne (quelques centaines de millions d'années après le big bang), donc d'une jeune galaxie, tout juste en formation. De même que nous voyons une image de sa galaxie à une époque où elle était bien plus jeune qu'aujourd'hui.
Et un astronome habitant une galaxie encore plus lointaine (à 46 milliards d'années-lumière) observerait une toute petite région de "son" CMB correspondant à la future Voie Lactée pas encore formée.

[Gilgamesh]

Une analogie pour compléter. Imagine que tu es au sein d'une foule qui s'étend à infini. En un moment donné, tous les monde tape du pieds, une seule fois, partout en même temps. Ce claquement des talons, c'est l'analogie de la lumière qui se libère du brouillard initial au même instant dans tout l'univers. On va imaginer que le sol est une surface élastique où les ondes se propagent en cercles concentriques a une vitesse de 10 m par seconde avec une longueur d'onde de 1 mm. Au bout de 1 s tu écoutes celui du le cercle des gens situés à 10 m de toi, à 10 s celui situé à 100 m de toi, etc. Il y a de plus en plus de gens, mais ils sont situé de plus en plus loin, et les deux se compensent. Tu entends donc un son continu, pendant une durée infinie. C'est l'analogue du rayonnement fossile.

Sauf que l'intensité devrait rester la même. Le rayonnement ayant été émis à 3000 K, on devrait être dans un four incandescent.

Il faut imaginer ensuite que la surface de propagation est élastique et grandit en permanence. Les gens s'éloignent de toi proportionnellement à leur distance, et l’extension de la surface fait que la longueur d'onde qui se propage grandit proportionnellement à la surface. la vibration est de plus en plus dans les graves c'est l'analogue du redshift cosmologique qui s'applique au rayonnement fossile.

[Deedee81]

Salut,

Un petit détail technique mais qu'il peut être intéressant de savoir.
La température dont il est question est celle du corps noir, plus exactement du rayonnement émit par un tel corps à cette température :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Corps_noir

Comme dit ci-dessus, la température à l'émission était de 3000 K. Mais avec l'expansion, il y a un décalage vers le rouge. Et le spectre du rayonnement se décale vers les grandes longueur d'onde. Si tu regardes les courbes dans le lien ci-dessus, tu verras que le rayonnement à température plus basse n'est pas juste un décalage vers la droite de la courbe !!! Oui, mais l'expansion c'est aussi une "dilution" du rayonnement : le nombre total de photons restant constant, le nombre de photons par unité de volume diminue. De manière plutôt remarquable, les deux "conspirent" pour garder au spectre l'allure d'un rayonnement de corps noir mais à plus basse température. Actuellement 3K pour ce bon vieux rayonnement fossile.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Lebleu34]

Bonjour,

Oups !

En parcourant le forum, je découvre un sujet qui m'intéresse et, surprise, c'est moi l'auteur... mais voilà que je me rends compte que comme un sagouin, je suis venu poser ma question et que je ne suis jamais venu remercier les auteurs (toujours les mêmes) pour leurs explications claires et détaillées (comme toujours, jamais lassés de répéter les mêmes simplifications).

J'étais revenu lire vos réponses bien sur, puis j'avais projeté de répondre plus tard... puis j'ai oublié [honteux].

Je m'excuse platement et vous remercie chaleureusement

...

Quand vous dites que l'émission était de 3000 k (avant que l'expansion ne dilue cette température (à 3°C c'est bien ça ?)... je trouve ça très peu chaud finalement, non (quand on sait qu'une petite étoile comme notre soleil fait 6000 k) ?

Comme ça correspond aux premières lueurs de l'univers, les 300 000 ans qui les ont précédés étaient, à priori, surement bien bien plus chauds, non ?

[Gilgamesh]

Bonjour,

Oups !

En parcourant le forum, je découvre un sujet qui m'intéresse et, surprise, c'est moi l'auteur... mais voilà que je me rends compte que comme un sagouin, je suis venu poser ma question et que je ne suis jamais venu remercier les auteurs (toujours les mêmes) pour leurs explications claires et détaillées (comme toujours, jamais lassés de répéter les mêmes simplifications).

J'étais revenu lire vos réponses bien sur, puis j'avais projeté de répondre plus tard... puis j'ai oublié [honteux].

Je m'excuse platement et vous remercie chaleureusement

...

Quand vous dites que l'émission était de 3000 k (avant que l'expansion ne dilue cette température (à 3°C c'est bien ça ?)... je trouve ça très peu chaud finalement, non (quand on sait qu'une petite étoile comme notre soleil fait 6000 k) ?

Comme ça correspond aux premières lueurs de l'univers, les 300 000 ans qui les ont précédés étaient, à priori, surement bien bien plus chauds, non ?

3 Kelvin (-270 °C)

Plus précisément : 2.72548 ± 0.00057 K

Oui, c'est carrément froid mais c'est une température qui résulte du redshift du rayonnement APRES sont émission, durant le cours du trajet qui a durée 13,8 milliards d'années.

Quand il a été émis, 380 mille ans après le début de l'expansion, le milieu émissif, un plasma d'hydrogène et d'hélium déjà très dilué, était à 3000 K. L'univers, après ça, a grandit d'un facteur ~1000, et la longueur d'onde λ du rayonnement a subit le même grandissement. Comme la température du rayonnement est en 1/λ, elle été divisée du même facteur. 3000 K/1000 = 3 K.

[Lebleu34]

Oui bien sûr au temps pour moi... je voulais dire 3°C en plus des -273°C

Et dire que l'univers est encore bien jeune et qu'il ne cesse de se refroidir...

Du coup à ce rythme là, arrivé par exemple "en milieu de vie" il ne serait plus qu'à quelques minuscules fractions du zéro absolu ?

Serait-il d'ailleurs possible qu'il puisse finir par l'atteindre ?

[Gilgamesh]

Oui bien sûr au temps pour moi... je voulais dire 3°C en plus des -273°C

Et dire que l'univers est encore bien jeune et qu'il ne cesse de se refroidir...

Du coup à ce rythme là, arrivé par exemple "en milieu de vie" il ne serait plus qu'à quelques minuscules fractions du zéro absolu ?

Serait-il d'ailleurs possible qu'il puisse finir par l'atteindre ?

La durée dans le futur de l'univers n'est pas bornée dans l'état actuel du modèle (ΛCDM -> Big Chill). Donc pas possible de définir une "demi-vie".

La température du CMB est en 1/a avec a le facteur d'échelle.

a augmentera dans le futur comme exp(H_∞t)

avec
H_∞ = H₀√(Ω_Λ) la valeur constante que va atteindre asymptotiquement le taux d'expansion
H₀ ~ 70 km/s/Mpc ~ 2,3.10^-18 s^-1 la valeur actuelle du taux d'expansion
Ω_Λ ~ 0,7 la densité d'énergie sombre aka cte cosmo exprimée en fraction de la densité critique
soit
H_∞ ~ 60 km/s/Mpc ~ 2.10^-18 s^-1

Si tu prend par exemple :

t = 100 milliards d'années, l'univers aura grandit d'un facteur 400 environ, la température sera donc de 3/400 ~ 0,007 K
t = 1000 milliards d'années, l'univers aura grandit d'un facteur 10²⁶ environ, la température sera donc de 3/10²⁶~ 3.10^-26 K

[Lebleu34]

Merci pour ta réponse, mais désolé pour la compréhension des calculs : les maths et moi ça fait 3...

Il me semblait avoir lu ou entendu que, à priori, l'univers est plutôt jeune et qu'il pourrait perdurer encore un bon bout de temps... j'aurai mal interprété ?

Il n'y a vraiment pas de pistes qui iraient plutôt dans ce sens ?

[Deedee81]

Salut,

Il me semblait avoir lu ou entendu que, à priori, l'univers est plutôt jeune et qu'il pourrait perdurer encore un bon bout de temps... j'aurai mal interprété ?
Il n'y a vraiment pas de pistes qui iraient plutôt dans ce sens ?

On a aucune indication sur les futurs possibles. On peut juste faire des hypothèses et récapituler "les possibles", au mieux. Juste en extrapolant le modèle actuel on trouve une durée de vie.... infinie. Donc oui l'univers est jeune, l'infini étant très long (j'insiste, c'est une extrapolation, et donc une grosse spéculation, c'est pas plus sûr que d'autres hypothèses)

Concernant les 3000 K lors de l'émission du rayonnement fossile, pas très chaud (vis à vis d'une étoile typique à 6000 K), c'est simplement la température d'ionisation du gaz. Plus chaud les électrons sont libres (et l'univers opaque car les particules chargées interagissent très bien avec le rayonnement), plus froid ils sont liés aux noyaux, les atomes neutres, et le rayonnement part vivre sa vie dans le lointain cosmos jusqu'au jour où il sera observé par une petite créature sur un gros caillou appelé Terre

Les étoiles peuvent être beaucoup plus chaudes car elles n'ont aucune raison de s'arrêter à 3000 (ni d'aller jusque là, les naines brunes peuvent être très froides), ça dépend juste de l'énergie disponible venant du coeur.

[Lebleu34]

Bonjour Deedee81, merci pour ces explications,

Il me vient une question :
Si un infini avec un début mais sans fin est possible, un infini sans début mais avec une fin l'est-il ?

[Deedee81]

Si un infini avec un début mais sans fin est possible, un infini sans début mais avec une fin l'est-il ?

Oui. Et même pas comme "modèle jouet" (sans contre-partie dans la réalité). Il n'est pas exclut (au moins d'un point de vue théorique) d'avoir un pré-bigbang remontant infiniment dans le passé et une fin à l'univers (j'ai déjà vu des modèles avec "fin", je les trouve trop tirés par les cheveux mais je ne saurais pas les réfuter).
Il n'y a guère de limite à l'imagination et sa théorisation.

Ca m'en rappelle une bonne, une fois je parlais de la partie de l'univers au-delà de l'horizon de notre univers observable. Et je disais : "il est entièrement remplit de canards, prouvez-moi que j'ai tort"

Et ceci conduit à quelque chose d'assez frustrant quand on y pense. Même avec l'amélioration des théories, à supposer qu'on arrive à une théorie complète de gravitation quantique sans paramètre libre (on peut rêver ) et qu'on ait des données précises sur le début de l'univers voire même sur l'avant big bang (grâce au mégafuturomagico-télescope). Même comme ça on ne pourra que spéculer sur le futur. On pourra dire "on est à peu près sûr que...." mais sans jamais vraiment le savoir avec certitude. Dur dur la vie de scientifique

[Lebleu34]

Pour moi la physique c'est en même temps les plus grandes découvertes de l'humanité et la frustration de ne pouvoir en entrevoir qu'une si infime partie

[Lebleu34]

Ca m'en rappelle une bonne, une fois je parlais de la partie de l'univers au-delà de l'horizon de notre univers observable. Et je disais : "il est entièrement remplit de canards, prouvez-moi que j'ai tort"

C'est à celui qui affirme qu'incombe la charge de la preuve

[Deedee81]

C'est à celui qui affirme qu'incombe la charge de la preuve

C'était justement dans le but de faire remarquer ça. C'était un participant avec une théorie, hummmm, disons-le, débile. Il disait "si c'est faux prouvez-le moi". J'ai donc aussi invoqué le problème de renversement de charge de preuves. Et le fait qu'on pouvait imaginer les trucs les plus farfelus. En l'illustrant avec les canards.

Mais c'est vrai aussi de toutes les spéculations qu'on lit sur le futur de l'univers (ou l'avant big bang, ou l'au-delà de l'univers observable, ou les boucles, les cordes, etc....) : on peut faire des inventaires des possibles (qui sont très larges évidemment) mais sur telle ou telle spéculation, leur auteur ne peuvent pas prouver que c'est juste (on ne peut pas prouver que c'est faux non plus). C'est non réfutable au moins actuellement (certaines choses pourraient éventuellement être vérifiées dans l'avenir, mais sûrement pas tout).

Cela incite à la prudence.

Note qu'au début la relativité générale a eut ce statut. Malgré son succès avec la déviation des rayons lumineux et l'avance du périhélie. Elle était considérée par les astrophysiciens comme "un truc de théoricien sans intérêt pour nous", même si la théorie était prise au sérieux. Ca a commencé à changer avec la découverte du rayonnement fossile (naissance de la cosmologie "sérieuse") et des pulsars (en astrophysique, où la RG est incontournable).

[Lebleu34]

Quand physique et métaphysique se confondent...

[Deedee81]

Quand physique et métaphysique se confondent...

Ou se rapprochent disons, en faisant gaffe à la frontière qui peut devenir floue

C'est comme la distinction que je fais parfois entre spéculation sérieuse et la spéculation sauvage.
(la sérieuse étant construire rigoureusement à partir de peu d'hypothèses et des calculs théoriques, la sauvage n'étant qu'hypothèses gratuites sans véritable théorie. On a vite fait de faire quelques pas et de se retrouver dans les marais spéculatifs.... voire dans la métaphysique en effet).

[Gilgamesh]

Merci pour ta réponse, mais désolé pour la compréhension des calculs : les maths et moi ça fait 3...

En gros l'idée c'est qu'avec l'expansion, la matière se dilue et il ne reste que la cte cosmologique, ce qui se traduit par un taux d'expansion H constant, ce qui implique une croissance exponentielle exp(Ht). Et la température varie comme l'inverse de ça (si l'univers croit d'un facteur 2, la température est divisée par 2)

Il me semblait avoir lu ou entendu que, à priori, l'univers est plutôt jeune et qu'il pourrait perdurer encore un bon bout de temps... j'aurai mal interprété ?

Il n'y a vraiment pas de pistes qui iraient plutôt dans ce sens ?

Oui, c'est ce que j'écris : la durée dans le futur de l'univers n'est pas bornée dans l'état actuel du modèle. Ça veut dire que y'a pas de fin prévue. Donc on ne peut pas définir une date où il serait à la moitié de son existence.