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jeanlg

L'Univers a t-il une forme symétrique ?

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A propos du Big Bang son expansion est-elle symétrique ou non : sa vitesse est-elle égale en tout point depuis l'instant initial ou il existe des variations et donc influer sur sa forme d'expansion ?

jeanlg

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Et belle réponse de ta part...!

Oups, désolé, c'est plus fort que moi, j'ai bouffé du comique ce matin....

Ben, c'est une excellente question, qui en soulève d'autres tout aussi importantes et délicates, à savoir la "forme" de l'Univers.
Pas sa condition physique hein, mais sa topologie !

Moi, ben par exemple, si on me le demandais, mais en générale personne ne s'en soucie, et ben je dirais (et j'ai même pas peur) que l'Univers est un vaste bordel pas très uniforme et très "sphérique".

[Ce message a été modifié par astroperenoel (Édité le 14-01-2006).]

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Ben, il faut se dire que le big bang a eu lieu de partout dans l'univers en même temps, ici, ailleurs et qu'il était déjà infinis à l'époque puisque il est contenut et contenant à la fois. Que la trame espace temps s'est dilatée depuis et que nous ne voyons qu'un petite partie de l'univers. Notre horizon est à environ 13,5 millard d'année lumière. C'est tres local (dans l'infinis). De la à déduire quelques chose sur sa géométrie globale...Bon localement, il parait que l'expansion espace temps accélère et de façon uniforme dans toutes les directions. Mais là aussi ce n'est pas encore tranché.

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Pour préciser ma question c’est en voyant les photos de Cobe et autres sur le rayonnement fossile qui montrent que ce rayonnement fossile de l’Univers est relativement homogène !
Est-ce que cela traduit que l’Univers est symétrique en termes de répartition de ce rayonnement ou que cela montre que la portion visible (accessible), aux satellites correspond à un volume/énergie relativement homogène ?
Si cela est lié à un Univers visible est-ce en rapport avec le chiffre de 14 milliard d’années que l’on attribue à l’âge de l’Univers, les photos correspondent alors à un diametre (traversant la Terre) de 28 milliard d’années et montrent un volume homogène ?


jeanlg

[Ce message a été modifié par jeanlg (Édité le 14-01-2006).]

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Si on considère que le rayonnement de fond cosmologique correspond à la dernière surface d'émission de lumière lors de la brutale transition de désionisation de l'univers alors cette surface n'était pas si homogène que ça. C'ést encore plus compliqué si la désionistion de l'univers à cette époque, 300 000 aprés le big bang, ne s'est pas faites en même temps de partout.
La lumière des objets les plus lointains que l'on pourrait voir a été émise au max il y a 13,5 millard d'années. Mais il sont beaucoup plus distant du fait de l'expansion de l'univers. Corrigé de ces effets, l'univers observable correspondant à la période de 13,5 mda serait de 30 mda, 60 en diamêtre. Mais belle inconnue, on ne connait pas la taille d'univers.

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> jeanlg

D'abord, l'âge de l'univers, c'est en gros 13,7 milliards d'années, mais la taille de sa portion observable est bien plus grande. La région qui a émis le rayonnement fossile est située aujourd'ui à près de 45 milliards d'années lumière. Le diamètre de l'univers observable est donc de l'ordre de 100 milliards d'années lumière.

Ensuite, pour ce qui est de la répartition de la matière, les observations suggèrent que la matière est à grande échelle (au delà de 20 Mpc) relativement uniformément répartie. À petite échelle, il y a bien sûr plus d'irrégularités (amas, galaxies, étoiles, etc). L'univers observable est donc homogène.

L'homogénéité ne suffit pas. A priori, il se pourrait très bien que l'univers soit en expansion le long de deux directions et en contraction le long d'une troisième : il existe des modèles homogènes non isotropes. On n'a cependant jamais trouvé d'indication que l'expansion n'est pas la même dans toutes les directions. L'univers observable est donc, dans la limite des observations (comme toujours) isotrope.

Dans cette optique, le seul degré de liberté géométrique qu'il reste, c'est la courbure, à savoir le fait si le théorème de Pythagore reste valable à très grande échelle. Aucune observation sérieuse ne suggère que ce ne soit pas le cas : l'univers (observable) est spatialement plat.

En fait, la question la plus intéressante c'est de savoir pourquoi l'univers est si homogène et isotrope. Il n'y a en fait aucune raison à cela a priori : deux points suffisamment éloignés n'ont en principe pas eu le temps depuis le big bang d'échanger de la matière ou une quelconque forme d'information pour se retrouver avec des caractéristiques physiques semblables, quand bien même il étaient infiniment proches lors du big bang (ils étaient très proches, mais se sont éloignés très vite l'un de l'autre). Si on regarde le rayonnement fossile, on calcule que des régions séparées de plus d'un degré ne devraient pas avoir la même température à cause de cela. Or c'est le cas. Donc on en conclut qu'il existe probablement un mécanisme qui a permis à des régions extrêment éloignées d'avoir les mêmes caractéristiques physiques. L'idée est très simple : comme on ne peut pas échanger des informations sur des distances très grandes... ce sont les distances que l'on fait varier. On suppose donc que ces régions aujourd'hui éloignées ont été dans le passé beaucoup plus proches l'une de l'autre que ce à quoi l'on s'attend dans un scénario cosmologique standard. Étant proches, elles ont eu le temps de s'homogénéiser. Reste ensuite à trouver un mécanisme qui éloigne ces régions les unes des autres. Pour cela, il suffit d'une phase d'expansion très violente : c'est l'idée de l'inflation. Grâce à cela, au lieu d'avoir un univers homogène sur quelques megaparsecs de distance, on l'a sur des distances "arbitrairement" grandes, en l'occurence plus grandes que la taille de l'univers observable.

Pourquoi "arbitrairement" ? Parce que si le mécanisme de l'inflation est connu et compris, on ne peut prédire ou mesurer (pour l'instant) de quel facteur la phase d'inflation a gonflé l'universe. Cela pourrait être à peine plus que ce qui est nécessaire pour expliquer l'homogénéité de l'univers observable, ou considérablement plus, genre 10^1000000 (un 1 suivi d'un million de zéros...). On passe qu'au delà une certaine taille (incommensurablement plus grande que l'univers observable), l'univers devient très inhomogène.


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Merci gabal et dg2.

Plus particulièrement les explications de dg2 qui me rassurent, au moins pour cet aprés midi...

jeanlg

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Est-ce que l'on a une idée de la taille de l'univers, si ça a un sens ?
Ne peut t'on pas l'extrapoler a partir de la courbure de la surface de dernière émission du rayonnement cosmologique ?

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Bé, on va peut être nous le dire ?
J'imagine que par transformation de fourrier on puisse sortir des harmoniques de fréquences nous renseignants sur la courbure de la surface émmitrice du 3K (si la résolution angulaire des cartes du 3K est suffisante).

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Ce que les modèles prédisent, c'est (de façon très schématique), c'est la taille physique (= en km) des "taches" des anisotropies du fond diffus cosmologique (cf la carte de WMAP). Ensuite, en observant ces taches, on déduit leur taille angulaire. Il existe habituellement une relation entre la distance d'un objet, sa taille angulaire et sa taille réelle. Si on connait deux de ces quantités on déduit la troisième (ex.: diamètre lunaire = 1/4 diamètre terrestre, soit 3000 km, taille angulaire = 30', d'où distance = 400000 km, à la louche).

En cosmologie c'est un poil différent. La distance qui nous sépare de la surface d'émission du fond diffus cosmologique est grosso modo connue, ce qui n'est pas connu, c'est la vitesse à laquelle deux rayons lumineux s'écartent l'un de l'autre. "En principe", la vitesse à laquelle deux rayons lumineux s'écartent l'un de l'autre est constante, et la distance qui les sépare croît linéairement. par exemple, si le Soleil et la Lune ont même diamètre apparent, on déduit que le rapport des distances Soleil-Terre/Lune-Terre est égal au rapport diamètre Soleil/diamètre Lune.

En relativité générale, on n'a pas une telle relation. La façon dont le diamètre apparent d'un objet décroît (ou croît...) avec la distance dépend de la fameuse courbure des sections spatiales de l'univers (improprement appelée "courbure de l'univers"). Donc dans ce cas, on n'a plus 3 mais 4 quantités : la taille physique des taches, la distance qui nous sépare d'elles, leur taille angulaire et la courbure.

De ces quatre quantités, les trois premières sont à peu près connues. On déduit donc la quatrième par l'intermédiaire des trois autres.

Quelle est l'interprétation de la courbure ? Une courbure nulle correspond à un espace euclidien ordinaire, dans lequel le théorème de Pythagore est valide. Une courbure positive correspond à un espace sphérique. À deux dimensions, c'est la sphère ordinaire. Le théorème de Pythagore n'est plus valable, la somme des angles d'un triangle est supérieure à 180 degrés, et la taille angulaire des objets décroît moins vite avec la distance que dans un espace euclidien (exercice : comprendre pourquoi). Une courbure négative correspond au contraire à une situation (qui n'a hélas pas vraiment d'analogue simple à deux dimensions) où la somme des angles d'un triangle est inférieure à 180 degrés et où la taille angulaire décroît assez rapidement avec la distance. Le premier et le dernier cas correspondent à des espaces infinis (sauf dans des cas tordus où la topologie joue un rôle), seul le second correspond à un espace fini.

Que disent les observations ? Que la courbure est très faible. Bref, on ne peut pas dire grand chose d'autre que le fait que l'univers est "grand" s'il n'est pas carrément infini. Évidemment, tout ceci est à prendre avec des pincettes, car le fait que la courbure locale soit ceci où cela ne garantit pas qu'elle soit constante partout. Par exemple, en revenant à un cas bidimensionnel, on pourrait imaginer que nous n'ayions accès qu'à une région légèrement sphérique, qui ne serait pas un morceau d'une sphère, mais simplement une légère bosse sur un plan infini. À l'inverse, un région apparemment "plate" pourrait être une région d'un sphère qui aurait été aplatie à cet endroit là. Il faut donc, pour bien interprêter ce que l'on voit, avoir quelques idées sur ce à quoi il est réaliste de s'attendre. À l'heure actuelle, la plupart des modèles prédiset que la structure à très grande échelle de l'univers est probablement très irrégulière, mais que la courbure moyenne moyenne est en général très faible. Une détection d'une valeur non nulle de la courbure serait dans ce cadre là une révolution car les modèles ne prédisent pas de courbure non nulle mesurable à l'échelle de l'univers observable.

L'observation est bien sûr le juge suprême, mais disons qu'une observation qui irait à l'encontre des modèles communément admis serait considérée comme douteuse et plus que soigneusement étudiée avant d'être présentée comme robuste.

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Merci dg2 de nous donner ton temps pour nous expliquer.
Tout ceci est très clair et très pédagogique.
Merci encore.

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Merci dg2 pour cette explication. Et à Sieur Gabal avec cette question pertinente.

jeanlg

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En fait, à travers ta question, je m'aperçois que bien souvent on confond l'Univers et la toute petite portion qui nous est accessible, 100 millard d'al. Toutes les conclusions cosmologiques portent sur les propriétés de cet univers local, mis à part son âge (si j'ai bien compris).
Fascinant, car nous n'apréhendrons jamais les propriétés de L'Univers.
Mais il ne faut jamais dire jamais...

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Tout à fait gabal.
Les réponses aux différentes questions m'ont poussé à lire quelques ouvrages sur ce sujet. Pour résumé cette question de taille de l'Univers la confusion vient du fait que notre Univers observable correspond en fait au rayon de Hubble (16 milliard d'année lumière de distance visible alors que l'Univers est agé de 14 milliard d'années) dont chaque photon qui entre dans ce rayon de Hubble devient visible aux observations.
Les autres photons à l'extérieur de ce rayon de Hubble sont à l'image de cette personne qui marche au pas, dans le sens opposé, à un tapis roulant. La question de la vitesse du tapis est importante versus celle du marcheur.

L'expansion de l'Univers est-elle supérieure ou égal à celle de la célérité de la lumière ?
Aux dernières nouvelles, la vitesse du tapis accélère...

jeanlg

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Une petite contribution :

J'ai étudié avec J.P.Luminet la cosmologie et j'aimerais vous exposer vite fait sa théorie, que je trouve géniale, qu'il cherche à prouver avec d'autres et qui a déjà fait la première page de "Nature".

Il faut distinguer l'univers observable et l'univers réel. Contrairement à ce que l'on dit souvent, ici l'univers réel serait plus petit (120 fois plus petit) que l'univers observable. En fait, l'univers observable serait une sorte de cristal cosmologique, la répétition d'un motif élémentaire : l'univers réel. Pour Luminet et sa bande, ce motif élémentaire serait un dodécaèdre, une sorte de surface 4D dont chaque face est reliée à sa face opposée apres rotation de 36°. Ce qui est fascinant dans cette théorie, c'est qu'elle fait des prédictions qui sont falsifiables par l'expérience. J'en cite deux : l'analyse harmonique du fond cosmologique (rayonnement 2.72 K) et une analyse statistique de la distribution des distances entre galaxies et amas de galaxies. Pour la deuxième méthode, il faudra attendre que l'on ait des catalogues d'objets plus fournis (au minimum, à redshift z=2), ce qui n'est pas le cas actuellement. Pour la première méthode, et c'est là que ca devient vraiment intéressant, une première analyse des données de WMAP a donné une première piste de confirmation de la théorie, d'après l'analyse du spectre de puissance du rayonnement 2.72K à grande résolution angulaire. Les résultats sont tellement frappants que l'équipe de WMAP a retraité toutes les données pour confirmer ou non le résultat. La deuxième série de résultats était attendue pour l'année dernière mais on attend toujours (selon mon prof, ils sont tellement dérangés par les résultats qu'ils essaient à tout prix de trouver des erreurs qui supprimeraient ce qui gêne, et si il y a délais, c'est qu'il n'y parviennent pas !).

Moi je trouve cette théorie fascinante, parce qu'elle répondrait enfin à la question de la forme globale de l'univers et aussi parce que, enfin, nous avons une cosmologie confirmable par l'expérience.

Voilà, tout ceci est dit aussi, mieux que je ne le fais, dans le bouquin de mon prof Luminet : "l'univers chifonné", si ca vous intéresse.

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"c'est qu'elle fait des prédictions qui sont falsifiables par l'expérience."
vérifiables ? Peut-être

J'ai lu le bouquin et je le conseille.
Cela dit, les observations restent seules maîtres. Attendons les résultats

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Mais il y a une chose frappante sur les observations du satellite WMAP (répartition du rayonnement fossile de l’Univers). Cette répartition qui dépend de la répartition de la densité de la matière et de l’échelle d’observation, ne fait apparaître aucun phénomène d’amplification de lentille gravitationnelle comme on le constate dans le rayonnement visible !

Le modèle que tu cites « la répétition d’un motif élémentaire : l’univers réel » aurait la forme d’un dodécaèdre. N’est-ce pas le modèle d’espace de Poincaré ? alors pourquoi on n’observe pas, sur les observations de WMAP ou dans les autres gammes de rayonnement (infra, visible,…), cette répétition ou du moins les différentes représentations du même motif élémentaire initial. Et quid des phénomènes lenticulaires dans ce modèle ?


Il semble qu’il ne faille pas attendre longtemps pour confirmer ou infirmer ce modèle grâce au lancement du satellite « Planck Surveyor » prévu pour 2007 !

jeanlg

[Ce message a été modifié par jeanlg (Édité le 27-01-2006).]

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Je ne pense pas que la théorie cosmologique valable pour notre univers observable soit un jour démontrée simplement en effectuant des observations astrophysiques et phénomènes associés. La cosmologie est une science théorique et les observations de validation de telles ou telles théories seront toujours limitées.
Les théories s’adapteront toujours aux observations du moment et il ne sert à rien d’extrapoler par des bifurcations douteuses géométriques pour expliquer l’incompréhension du moment.
Ce sont des exercices de style mathématique et géométrique et il faut les considérer comme tel. On a une fâcheuse tendance a vouloir prévoir l’avenir (de l’univers)a partir d’une création admise généralement et une période d’observation incomplète, et si l’on stagne on remet une partie des faits ou du model en doute et on réadapte le tout.
L’histoire des sciences n’est faite que de ce genre de théorie a parfaire.
La question l’univers a t il une forme n’a pas de sens d’après moi.
On n’est pas très loin des croyances farfelues des siècles passés, alors prudence avec cette <<cosmologie moderne>>

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Mais pour modérer je dirai qu'il n'est pas inutile que certains (des pros pas des charlatants) explorent cette voie, pourvu que leurs résultats soient validés par d’autres avant d'affirmer quoi que ce soit.

jeanlg

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