Quel niveau d'organisation est concerné par l'expansion cosmique ?

[sunyata]

Bonjour,

Je m'interroge de la nature de l'expansion de l'univers et la manière dont elle modifie sa structure à grande échelle.

Je crois comprendre que l'expansion fait que les galaxies s'éloignent les unes des autres. OK

Mais par ailleurs comme les galaxies se regroupent en amas de galaxies, faut-il en déduire que le volume apparent des amas de galaxie augmente par l'action de l'expansion cosmique ?

Si ce n'est pas le cas, alors l'expansion ne concernerait que l'espace entre amas de galaxies, et non pas l'espace entre galaxies.

Merci pour vos éclaircissements,

Cordialement
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[Deedee81]

Salut,

Je crois comprendre que l'expansion fait que les galaxies s'éloignent les unes des autres. OK

A partir d'une certaine distance, oui.
De l'ordre d'une 20aine de méga-parsec. Evidemment il n'y a pas de limite stricte, ça dépend de :

Mais par ailleurs comme les galaxies se regroupent en amas de galaxies, faut-il en déduire que le volume apparent des amas de galaxie augmente par l'action de l'expansion cosmique ?

Non car ces galaxies sont liées ensembles par la gravitation.

Si ce n'est pas le cas, alors l'expansion ne concernerait que l'espace entre amas de galaxies, et non pas l'espace entre galaxies.

C'est vrai que c'est plutôt les amas qui s'écartent et même plutôt les superamas.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Superamas_de_galaxies

[sunyata]

Sur Wiki, on peut lire :

À plus petite échelle, l'expansion n'affecte pas la taille des galaxies elles-mêmes, la gravité « intérieure » ayant un effet prédominant.

Donc en effet on peut aussi dire que l'expansion n'affecte pas la taille des amas de galaxies qui sont liés par la gravité.

Mais par ailleurs on peut lire :

Les amas sont les plus grandes structures de l'univers liées par la gravitation. Ils se rassemblent par ailleurs en superamas ! Ainsi, notre Galaxie, la Voie lactée, fait partie du Groupe Local contenant une quarantaine de galaxies, mais aussi du superamas de la Vierge.

Les amas sont les plus grandes structures liées par la gravitation.

La même question se pose alors pour les super-amas. Les galaxies du superamas de la Vierge sont-elles liées par la gravité ?

Si c'est le cas, alors les amas ne sont pas les plus grandes structures liées par la gravité.
Si ce n'est pas le cas, alors le volume du super-ama de la Vierge devrait augmenter en fonction de l'expansion ?

[Deedee81]

Si c'est le cas, alors les amas ne sont pas les plus grandes structures liées par la gravité.

Non, non, fait attention. C'est juste du "flou" dans le langage. Parfois on dit superamas, parfois on dit amas.

Toutefois, la phrase que tu cites (qui vient de https://www.futura-sciences.com/scie...s-galaxies-13/ ) me fait douter. Attendons d'avoir confirmation d'autres participants.

[A voir en vidéo sur Futura]

[sunyata]

Non, non, fait attention. C'est juste du "flou" dans le langage. Parfois on dit superamas, parfois on dit amas.

Toutefois, la phrase que tu cites (qui vient de https://www.futura-sciences.com/scie...s-galaxies-13/ ) me fait douter. Attendons d'avoir confirmation d'autres participants.

Oui c'est la question que je me pose :

Un super-ama est-ce un amas de plus grande taille, ou bien un ensemble d'amas qui constituerait un autre niveau d'organisation.

D'où ma question de savoir si les superamas sont des structures stables par rapport à l'expansion.

[Deedee81]

Oui c'est la question que je me pose :
Un super-ama est-ce un amas de plus grande taille, ou bien un ensemble d'amas qui constituerait un autre niveau d'organisation.
D'où ma question de savoir si les superamas sont des structures stables par rapport à l'expansion.

Oui pour la "structure d'ordre supérieur", mais pour l'autre je doute. Voyons ce que dirons les autres ou s'il y a de meilleures références.

[yves95210]

Oui c'est la question que je me pose :

Un super-ama est-ce un amas de plus grande taille, ou bien un ensemble d'amas qui constituerait un autre niveau d'organisation.

D'où ma question de savoir si les superamas sont des structures stables par rapport à l'expansion.

Ce sont plutôt des ensembles d'amas exerçant une influence gravitationnelle les uns sur les autres, sans que celle-ci suffise à compenser complètement l'effet de l'expansion et à entamer une phase de contraction.

[sunyata]

Je comprends mieux, c'est donc seulement à l'échelle des super-amas que l'expansion commence à se faire sentir.
Alors qu'à l'échelle d'un amas l'effet de courbure est suffisant pour
maintenir les galaxies captives de leur puit gravitationnel.
Les amas s’éloignent donc lentement les uns des autres et la taille des superamas augmente avec le temps.

[yves95210]

Je comprends mieux, c'est donc seulement à l'échelle des super-amas que l'expansion commence à se faire sentir.
Alors qu'à l'échelle d'un amas l'effet de courbure est suffisant pour
maintenir les galaxies captives de leur puit gravitationnel.
Les amas s’éloignent donc lentement les uns des autres et la taille des superamas augmente avec le temps.

Oui, de manière générale (mais il y a quand-même des amas qui se rapprochent les uns des autres, donnant lieu à des collisions...)

[physeb2]

Bonjour tout le monde.

Cette question interessante me permet de parler d'un point assez peu vulgariser alors que très intéressant (et fondamental pour la compréhension de l'étude de la formation des structures en cosmologie). Je profite donc de ce fil dans lequel les échelles ont été bien expliquées et je vais profiter de la discussion sur la différence entre les amas et les super-amas.

La subtilité dans tout ça est de comprendre ce que que l'on entend par "graviationnellement lié". Il est plus correcte de parler de structure qui a collapsé car en fait les super-amas sont liés gravitationnellement, comme dit avant de le fil, mais ne sont pas structures collapsés, du moins pas encore.

Mais qu'est-ce donc le collapse? Et c'est fondamental pour comprendre pourquoi il n'y a pas d'expansion dans les ces structures.
Les équations de Friedmann (plus généralement de la RG) peuvent s'appliquer a différentes échelles. Quand on définit le facteur d'échelle ou le paramètre de Hubble, c'est en considérant les densités énergétiques moyenne dans le volume considéré. Si on applique les équations a l'Univers observable on obtient l'évolution du facteur d'échelle (donc l'expansion) de l'Univers observable moyen. Cependant, cela ne signifie pas qu'en tout point de l'Univers observable l'expansion soit exactement la même. En particulier, les flutuations de température du CMB nous renseigne sur l'état des fluctuations de densité au moment du découplage photon-baryons. Ces perturbations sont faibles (variation relative inférieure a 1/10,000) mais elles vont faire toute le différence!

Si on considere un tres grand volume, la densité a l'intérieur sera la densité moyenne de l'Univers, et donc une densité proche de la densité critique (les mesures montrent que la courbure de l'Univers est extrêmement plate donc que la densité est très proche de la densité critique). On peut considéré pour la suite que la courbure de l'Univers moyen est nulle et donc que (correspond a la zone A dans le graphique). Par définition, si on considere désormais une region plus petite qui contient une surdensité, la densité moyenne dans ce plus petit volume est donc légèrement plus grande que la densité moyenne de l'Univers et donc il y a une légère courbure positive (zone B du graphique). Le calcul de l'expansion de l'Univers A et l'Univers B donne donc une petite différence par l'apparition de la courbure:

Collapse_spherique.jpg

Cela fait que le facteur d'expansion local de la zone B croit légèrement moins vite que pour l'Univers moyen, ce qui fait que sa densité diminue légèrement moins vite que la desnité moyenne de l'Univers. Mais encore plus important, les différentes densités d'énergie de la matière diminue au moins comme le cube du facteur d'échelle quand la densité de courbure diminue avec le carré du facteur d'échelle. Donc le terme de courbure va prendre de plus en plus d'importance dans la composition énergétique de la zone B jusqu'a devenir dominante. Le moment où la courbure devient dominante correspond a un changement de signe de la dérivée temporelle du facteur d'échelle quand on résout l'équation de Friedmann. Donc le facteur d'échelle local de la zone B va commencer a diminuer, ce qu'on appelle le 'turn-around'. A partir de ce moment le volume B commence a 'collapser' par le fait que son facteur d'échelle réduit. La courbure va dominer de plus en plus et donc le collapse ne s'arrêtera pas:

Collapse_spherique2.jpeg

Le facteur d'échelle tend donc vers 0 et donc la zone B tend vers un collapse ponctuel, ce qui donnerait un trou noir. C'est d'ailleurs une maniere de comprendre comment pourrait se former les trous noirs primordiaux au tout debut du modele du big bang. Cependant, ici on considere des temps bien plus tardifs quand la matière a une certaine agitation thermique Si la matière suit tranquillement le facteur d'échelle elle irait a la formation d'un trou noir également mais les vitesses initiales font que non, on va arriver a un equilibre entre l'énergie potentielle gravitationnelle et les vitesses des particules : La virialisation. En soit on parle de structure virialisée pour les amas.

Ce mécanisme permet de comprendre la formation de tous les halos. D'abord se forment les petits halos, dans lesquels vont pouvoir se former des galaxies individuelles (avec des plus petits compagnons) puis ces halos vont éventuellement se regrouper dans un halos plus grand qui les contient qui collapse plus tard dans le temps. C'est la formation d'un amas de galaxies. Un super amas est une zone qui est en train de collapser qui contient plusieurs amas de galaxies mais n'a pas collapser, donc n'a pas virialisé. Le facteur d'expansion n'a donc pas encore disparu dans cette zone mais est tres certainement en cours de diminution.

J'espere que ce long message permettra de mettre un peut la lumière sur cette pierre angulaire de la compréhension de la formation des structures. Les travaux de bases sont les articles de Gunn & Gott 1972 puis l'associant a un champs gaussien aléatoire le superbe article de Press & Schechter 1974 qui nous donne la construction de la fonction de masse de halos. Des travaux plus récents comme Sheth & Tormen 1999 et 2001 ont permit de prendre les corrections elliptiques dans le collapse. Puis des travaux encore plus récents bien plus nombreux.

PS: si un modérateur pourrait enlever le pdf en fichier attacher, je n'arrive pas a le retirer. Merci beaucoup dpar avance

C’est fait
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Comme ce post est excellent et fera référence, j'ai corrigé les "collasse" et la "variolisation" Que l'auteur n'hésite pas s'il veut apporter d'autres corrections [Gilgamesh]

[Deedee81]

Jolie explication ! Merci physeb2

[sunyata]

Merci pour ces explications !
Pour faire le parallèle avec les trous noirs,
Peut-on dire dans le jargon de la relativité, que le collapse dans une région de l'espace qui aboutit à la formation d'un superamas
correspond à l'apparition d'un horizon des évènements, correspondant aux cercles dans les graphiques ?

[physeb2]

Tout d'abord merci aJPL pour avoir retirer le pdf lourd qui ne servait a rien et merciDeedee pour ton message.

Je vois où tu veux en venir sunyata, c'est une analogie qui me plait bien que comme toute analogie elle comporte des points dangereux.
En effet une particule au repos ou de faible vitesse qui est contenu a l'intérieur de la sphère (qui correspond aux cercles des graphiques) va appartenir au halo collapsé et une particule de faible vitesse en dehors non, du moins a ce moment. Comme montré dans la deuxième figure, je prends en compte la meme surdensité mais je considere une zone C plus grande qui donc prend en plus de la zone B un volume extra d'Univers moyen. Ainsi la densité dans C est inférieur a la densité dans B mais toujours plus grande que dans A. Donc il y a toujours un terme de courbure mais plus faible que dans B au départ. De la meme maniere la courbure terminera par dominer, mais cela prendra plus de temps. Cette décomposition en couche d'oignon est le modele d'accrétion des halo dans le schéma de collapse sphérique.

La grande différence avec l'horizon évènement est que physiquement du peut donner un bon coup de pied dans une particule de la zone B pour qu'elle s'en échappe! Donc il n'y a pas d'impossibilité physique d'échapper a cette sphère. D'ailleurs, des processus astrophysique comme les Jets de trou noir actif (AGN) propulse la matière hors du halo meme après collapse.

J'en profite pour ajouter une information que je n'ai pas mise (il y en a des dizaines de ces informations, mais il faut faire un peu de tri sélectif pour ne pas noyer tout le monde):
On a vu que les amas resulte finalement de la varialisation de la matière (dominé par la matière noire) et donc il y a une relation d'équilibre entre la distribution des vitesses des particules et la masse qui a collapsée. Donc il y a une relation entre la vitesse thermique (ou dispersion des vitesses) des galaxies a l'intérieur des amas et la masse. C'est ainsi qu'on peut mesure une masse virielle des amas par la mesure de dispersion des vitesses des galaxies. Encore plus interessant, une grande partie de la matière baryonique d'un amas n'a pas préalablement collapsé dans un sous-halo (ceux qui contiennent les galaxies) et donc cette matière a simplement gagné de la vitesses et virialisé en tant que gaz inter-galactique (qu'on nomme plutôt gaz intra-amas). La vitesse de ce gaz est donc lui aussi lié a la masse totale du halo qui a collapsé et correspond a un gaz de température de 1,000,000K a 10,000,000K pour les amas de 10^13 masses solaires a 10^15 masse solaire. En d'autres termes, un gaz de l'ordre du million de degré pour les amas de galaxies et donc émet en rayon X. Pour cela, nous observons les amas avec des satellite X comme XMM-Newton, Chandra et plus récemment eRosita. On obtient ce qu'on appel les relation d'échelles M-X entre la masse des amas et la température du gaz X qui est extrêmement precise en comparaison des relations en optique en utilisant les galaxies, qui ont une histoire astrophysique complexe qui peut faire varier grandement les relations d'un amas a l'autre.

Pour finir, ce gaz X s'observe également dans les cartes de CMB au travers de l'effet Sunyaev-Zeldovich qui est juste une petite merveille sachant que l'article de sa prédiction est de 1970, donc avant meme les travaux de Gunn&Gott. Pour finir, tu comprends que contrairement aux amas, les super-amas n'ont pas ces relations d'échelle car pas encore virialisés. Quand le collapse aura lieu, il y aura un gros amas avec ses relations et plus de super-amas.C'est l'histoire hiérarchique de la formation des halos et par définition les amas de galaxies sont les plus grandes structures virialisées.