Voir l'origine de l'Univers

[OQP]

Bonjour à toutes et à tous,

Les télescopes spatiaux permettent d'observer des "objets" extrêmement anciens. https://fr.wikipedia.org/wiki/GN-z11. Cette galaxie a 13,4 milliards d'années et été située à 2,7milliards d'années lumières de notre point au moment de l'émission des photons qui nous parviennent aujourd'hui.

Une question me taraude depuis plusieurs semaines: comment se fait-il que nous puissions observer des "objets" aussi anciens? plusieurs points me posent des problèmes de compréhensions.

Je pars des principes suivants:
- La Terre n'occupe pas de position privilégiée dans l'univers.
- Toute information (ici des photons) ayant dépassée notre position est à jamais perdue.


Alors comment se fait-il que nous n'ayons pas loupé le début du "film" de l'histoire de l'univers? ou que nous ne soyons pas arrivé avant le début de la séance ?
En effet, si la distance par rapport à cette galaxie au moment de l'émission avait été plus proche, elle ne nous apparaitrait pas si ancienne. Si la distance avait été plus grande, nous ne saurions pas qu'elle existe. Si l'humanité était apparue plus tôt ou plus tard dans l'histoire de la Terre de quelques milliards d'années, l'univers observable ne serait pas le même et nous ne pourrions pas voir la jeunesse de l'univers (l'information serait perdue ou pas encore arrivée jusqu'à nous).

Nous serions donc au bon moment et au bon endroit pour faire ces observations? Pourtant la Terre n'occupe pas de position privilégiée.

Un autre point me pose problème (et c'est peut être l'origine de mon incompréhension): l'univers ayant 13,8 milliards d'années et la distance entre notre position et celle de cette galaxie étant de 2,7 milliards d'années lumières au moment de l'émission des photons, j'en déduis que l'univers s'est dilaté de 2,7 milliards d'années lumières en 0,4 milliards d'années. La vitesse d'expansion de l'univers à sa naissance est donc nettement supérieure à la vitesse de la lumière. De plus l'expansion semble s'accélérer. https://fr.wikipedia.org/wiki/Expansion_de_l%27Univers
Malgré cela, comment la lumière d'objet lointain parvient-elle tout de même jusqu'à nous?


Ma piste de réflexion est pour l'instant une variation du temps (un univers plus dense à sa naissance ayant un écoulement du temps plus lent relativement à notre époque) ... et donc une variation de la vitesse de la lumière ... mais aussi de l'expansion du coup.


Pouvez m'aider à sortir du trou noir où ma pensée s'enfonce?

Merci à vous
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[Deedee81]

Salut et bonne année,

- La Terre n'occupe pas de position privilégiée dans l'univers.
- Toute information (ici des photons) ayant dépassée notre position est à jamais perdue.

Cela signifie que l'univers avait déjà une taille suffisante à cette époque (faut calculer, c'est moins que 13.4 milliards d'années-lumière car la lumière a dû nous rattraper because l'expansion, au pif je dirais au moins 4 milliards d'AL, à confirmer). C'est d'autant plus plausible qu'au tout début il y a eut l'inflation qui a violemment "enflé" l'univers.

Ou que la lumière a fait le tour de l'univers (univers fini mais sans bord. A noter qu'on ignore s'il est fini ou infini, s'il est infini il l'a toujours été y compris au temps cosmologique T = 0). Mais c'est peu probable car cela entrainerait des corrélations à grand angles dans les fluctuations du rayonnement fossile, et ça, ce n'est pas observé.

et la distance entre notre position et celle de cette galaxie étant de 2,7 milliards d'années lumières au moment de l'émission des photons

Ah ! J'avais di 4 au pif, j'étais pas loin

La vitesse d'expansion de l'univers à sa naissance est donc nettement supérieure à la vitesse de la lumière.

A partir d'une certaine distance oui (puisque c'est proportionnel à la distance) sans que ce soit problématique (c'est de la RG, pas de la RR). Et la distance est l'horizon cosmologique ..... situé à environ 13.8 AL, donc pas de soucis !
Même si tu as raison avec l'accélération, ça raccourcit l'horizon. Note que l'accélération n'est pas si forte que ça (heureusement ). Mais là je laisse d'autre chiffrer si c'est utile.

Ma piste de réflexion est pour l'instant une variation du temps [...]

Holà, attention, pas de théorie/idée personnelle sur Futura !!!!!

Ceci dit, parler d'une variation du temps en soi n'a pas de sens. Par contre le temps est relatif, on peut comparer l'écoulement du temps ancien et actuel, et là il y a une dilatation du temps : c'est le redshift cosmologique (et évidemment, on en tient déjà compte), analogue au redshift gravitationnel (décalage d'Einstein, la sortie du puits gravitationnel étant ici le passage d'un univers dense à moins dense) et de l'effet Doppler..... pour des distances pas trop grandes (quelques milliards d'AL, ai-delà il y a des écarts).

[JPL]

Alors comment se fait-il que nous n'ayons pas loupé le début du "film" de l'histoire de l'univers? ou que nous ne soyons pas arrivé avant le début de la séance ?

Ce que l’on observe est ancien, mais les plus anciennes galaxies observables sont loin du début (quel qu’il ait été) de l’univers. On est donc déjà en cours de séance, mais rien ne nous dit qu’on ne pourra pas, avec les progrès instrumentaux, voir des structures encore plus anciennes.

Ce qui est sûr, c’est qu’on ne peut pas être arrivé avant le début de la séance... parce qu’avant le début il n’y avait même pas d’atomes

[Gilgamesh]

Un autre point me pose problème (et c'est peut être l'origine de mon incompréhension): l'univers ayant 13,8 milliards d'années et la distance entre notre position et celle de cette galaxie étant de 2,7 milliards d'années lumières au moment de l'émission des photons, j'en déduis que l'univers s'est dilaté de 2,7 milliards d'années lumières en 0,4 milliards d'années. La vitesse d'expansion de l'univers à sa naissance est donc nettement supérieure à la vitesse de la lumière. De plus l'expansion semble s'accélérer. https://fr.wikipedia.org/wiki/Expansion_de_l%27Univers
Malgré cela, comment la lumière d'objet lointain parvient-elle tout de même jusqu'à nous?

Il n'y a pas de vitesse d'expansion (des m/s) mais un taux (des m/s/m donc des 1/s, l'inverse d'un temps).

La vitesse de récession entre deux points dans l'univers c'est le produit de ce taux H par une distance d:

v = Hd

Dès que d > c/H (ce qu'on appelle le rayon de Hubble) v > c. Ce qui ne pose aucun soucis. Pour bien comprendre pourquoi, il faut distinguer deux types de mouvements. Pour ce faire, couvres mentalement l'univers d'un repère de coordonnés, c'est à dire d'un grand calque millimétré en trois dimensions. Sur ce calque tu places les objets et tu notes leur coordonnées x, y, z.

Une fois que tu as fais ça, tu peux concevoir les deux types mouvements :

- le mouvement propre : les coordonnées de l'objet changent avec le temps. Le mouvement propre explique la formation des galaxies et des amas : les objets attirent les objets proches et se regroupent pour former des masses liées. Ce mouvement propre est strictement borné par c, la vitesse de la lumière.

- le mouvement comobile : les coordonnées de l'objet restent identiques, mais l’intervalle entre deux graduations grandit. Autrement dit, le calque est en expansion. Chaque objet voit tous les objets lointains s'éloigner de lui. Le v =Hd représente un mouvement purement comobile. L'objet ne bouge pas, c'est l'espace qui grandit entre deux points, et dès lors il n'y a aucune limitation d'aucune sorte, v n'est pas une vraie vitesse et peut être aussi grande que l'on veut, ça dépend juste de la distance.


Au cours du temps, H varie également, en rapport avec la densité de l'univers. H est une grandeur strictement décroissante, mais on mesure qu'il tend asymptotiquement vers une valeur constante. On interprète ça comme la présence d'une constante cosmologique non nulle (aka énergie sombre). Et dans ce cas, la distance entre deux points, ou facteur d'échelle a, au lieu de varier selon une fonction puissance (en t^1/2 ou t^2/3 selon que c'est le rayonnement ou la matière qui domine dans l'unvers) tend vers une exponentielle a ~ e^Ht. La vitesse de récession est la dérivée de cette quantité da/dt. Et la dérivée d'une exponentielle est également une exponentielle. Donc da/dt ~ e^Ht également. C'est ce passage à l'exponentielle qu'on appelle l'accélération de l'expansion.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Lansberg]

Bonjour,

Alors comment se fait-il que nous n'ayons pas loupé le début du "film" de l'histoire de l'univers?
ou que nous ne soyons pas arrivé avant le début de la séance ?

Problème de représentation de "l'histoire de l'univers".
A toute époque, l'univers observable est limité par un horizon qui ne correspond pas au "début du film" (voir à ce sujet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fond_diffus_cosmologique).

En effet, si la distance par rapport à cette galaxie au moment de l'émission avait été plus proche, elle ne nous apparaitrait pas si ancienne. Si la distance avait été plus grande, nous ne saurions pas qu'elle existe.

Ce raisonnement est piégeux dans un univers en expansion avec un taux d'expansion qui n'a pas cessé de diminuer depuis le bigbang. Si on prend le cas du fond diffus cosmologique (cité en référence ci-dessus), la lumière que nous recevons actuellement, vieille de 13,8 milliards d'années, provient de régions de l'espace qui formaient une sphère autour de nous située à 41 millions d'années lumière au départ de la lumière.

Si l'humanité était apparue plus tôt ou plus tard dans l'histoire de la Terre de quelques milliards d'années, l'univers observable ne serait pas le même et nous ne pourrions pas voir la jeunesse de l'univers (l'information serait perdue ou pas encore arrivée jusqu'à nous).

Si nous étions immortels nous verrions les galaxies évoluer au cours du temps. En remontant dans le passé nous aurions vu toutes les étapes de la formation de la galaxie GN-z11 depuis l'époque où elle n'existait pas encore, sinon sous la forme d'une région minuscule du FDC ou fond diffus cosmologique (l'univers avait alors environ 4 milliards d'années) jusqu'à aujourd'hui (âge de l'univers 13,8 milliards d'années) où elle a l'aspect que l'on voit sur wiki.
Si on continue de l'observer, on verra son évolution sur les milliards d'années qui viennent.
Pour ce qui est de la jeunesse de l'univers, à chaque époque on peut remonter jusqu'au FDC qui correspond à un âge de l'univers de 380000 ans environ (plus tôt, l'univers est opaque et on ne peut recevoir de lumière qui nous montrerait l'univers à sa naissance).

Nous serions donc au bon moment et au bon endroit pour faire ces observations?

Du coup, non.

Un autre point me pose problème (et c'est peut être l'origine de mon incompréhension): l'univers ayant 13,8 milliards d'années et la distance entre notre position et celle de cette galaxie étant de 2,7 milliards d'années lumières au moment de l'émission des photons, j'en déduis que l'univers s'est dilaté de 2,7 milliards d'années lumières en 0,4 milliards d'années. La vitesse d'expansion de l'univers à sa naissance est donc nettement supérieure à la vitesse de la lumière.

"Vitesse d'expansion de l'univers" n'a pas de signification. Ce qui est pertinent c'est le taux d'expansion de l'univers caractérisé par la constante de Hubble, qui n'est pas constante d'ailleurs. On parle plutôt de paramètre de Hubble qui s'exprime en km/s/Mpc (km/s par mégaparsec avec 1 mégaparsec = 3,2616 millions d'années lumière).
Actuellement il est de l'ordre de 70 km/s/Mpc. Cela signifie que deux points de l'espace séparés par 1 Mpc s'éloignent l'un de l'autre sous l'effet de l'expansion avec une vitesse de 70 km/s (on imagine un univers vide sans gravitation, car sinon 1Mpc c'est trop peu pour que l'expansion intervienne). Pour 2 Mpc la vitesse de récession est de 140 km/s, etc. Rien n'empêche d'avoir une vitesse de récession supérieure à la vitesse de la lumière.
Dans l'univers jeune, le taux d'expansion était considérablement plus grand.
Que deux points de l'espace puissent être éloignés de 2,7 milliards d'années lumière en 400 millions d'années ne suppose pas que le taux d'expansion atteigne la vitesse de la lumière par Mpc (loin de là d'ailleurs).

De plus l'expansion semble s'accélérer. https://fr.wikipedia.org/wiki/Expansion_de_l%27Univers
Malgré cela, comment la lumière d'objet lointain parvient-elle tout de même jusqu'à nous?

Comme le taux d'expansion n'a jamais cessé de diminuer et continuera à le faire pendant longtemps, la lumière d'objets lointains a pu nous parvenir en mettant le temps. Si on reprend l'exemple de GN-z11, la lumière que nous recevons aujourd'hui a voyagé pendant 13,4 milliards d'années alors que la distance à l'émission n'était que de 2,7 milliards d'années lumière. Au départ et pendant quelques milliards d'années, le taux d'expansion était trop grand pour que la lumière en provenance de la galaxie puisse nous parvenir. D'une certaine manière, le "front d'onde" nous fuyait avec une vitesse supérieure à celle de la lumière. Le taux d'expansion diminuant, la lumière a fini par gagner la bataille pour nous atteindre au bout d'un temps très long.

Pour ce qui est de l'accélération de l'expansion, c'est un autre problème.

[OQP]

Merci pour vos réponses.

je vois dans les liens de discutions similaires que c'est une question récurrentes.

Je pense avoir compris d'où viens mon problème de représentation. Souvent on utilise l'image d'un ballon de baudruche que l'on gonfle pour expliquer aux néophytes comme moi l'expansion de l'univers. Cela m'a inconsciemment donné l'illusion que l'univers (à la fin de l'âge sombre) avait une "taille" défini (ou fini), appréhendable par l'esprit (limité qu'est le mien).

Comme le montre le FDC (qui est homogène et isotrope à grande échelle) dès les premiers temps, l'univers avait une taille incommensurable (une fraction de l'infini reste l'infini, non?).

Donc quelque soit l'époque ou la position où se trouve l'observateur, ainsi que la direction où il regarde, l'objet le plus ancienne pouvant être observé avait, a et aura l'âge de l'univers - environ 0,4 milliards d'années (environ). La seule différence étant qu'au court du temps la distance au moment de l'émission entre l'observateur et l'objet le plus lointain pouvant être observé augmente. Dans 1 milliards d'année la galaxie GN-z11 ne sera plus la galaxie la plus ancienne pouvant être observée.

C'est pour ça que la taille l'univers observable augmente au fil du temps et qu'il n'est pas possible de déterminer les coordonnées du point d'origine que big bang.

Merci pour vos réponses, je pense avoir une représentation plus correcte de l'univers maintenant.

[Deedee81]

Salut,

Je pense avoir compris d'où viens mon problème de représentation. Souvent on utilise l'image d'un ballon de baudruche que l'on gonfle pour expliquer aux néophytes comme moi l'expansion de l'univers. Cela m'a inconsciemment donné l'illusion que l'univers (à la fin de l'âge sombre) avait une "taille" défini (ou fini), appréhendable par l'esprit (limité qu'est le mien).

Il y a pas mal de visualisation populaires comme ça. Une autre est la "feuille de caoutchouc" pour représenter la courbure de l'espace-temps. Personnellement j'évite d'utiliser ce genre de chose quand je peux car je n'aime pas. Pour deux raisons :
- ces représentations sont assez trompeuses. En effet, la représentation "ballon" est imparfaite (elle ne correspond qu'à un univers de géométrie sphérique, or il y a plusieurs autres possibles en fait il est même plat ou presque, un univers fini... et on en sait rien, et la surface du ballon est à deux dimensions alors qu'on est dans un espace 3D).
- les articles/vidéos oublient souvent de préciser les limites de l'analogie ou de la visualisation et même souvent de préciser que dans ce ballon, l'univers est la surface du ballon et rien que ça et que la "boule" n'existe pas ou juste sur papier pour aider à visualiser
Et de fait, je ne compte plus les messages de curieux/passionnés montrant qu'ils ont été induit en erreur par ce genre d'image. Ce qui.... m'énerve. La vulgarisation a pour but de populariser, de présenter l'état des connaissances, de passionner.... pas d'induire en erreur.

une fraction de l'infini reste l'infini, non?

Oui, s'il a été infini il l'a toujours été (mais il pourrait être fini et juste très grand).

et qu'il n'est pas possible de déterminer les coordonnées du point d'origine que big bang.

Pire encore. Au moins pour ce qu'on en sait l'univers est globalement homogène et isotrope. Et il n'a donc pas de centre, pas de point s'origine. Ce n'est donc pas juste une difficulté à déterminer les coordonnées. Pour reprendre le ballon : la boule et son centre font partie du modèle, pas de la réalité, l'univers est la surface et il n'y a pas de centre à la surface (comme sur Terre, il n'y a pas de point central à sa surface).