L'astronomie

[Son Goku]

Je suis pas très au fait de la question, mais il me semble avoir lu que si on peut déterminer avec une relative précision comment était l’univers à ses premiers "instants" de vie, c'est grâce au Rayonnement Fossile ( Fond diffus cosmologique)

[Whis]

Hello !

Comment a-t-on pu élaborer des théories aussi précises sur l'origine de l'univers ? Comment peut-on prétendre savoir ce qu'il y avait à une seconde, ou à 20, ou à un an (j'ai lu que ce n'est qu'avant 10^-45 secondes qu'on ne sait plus ce qu'il y avait) ?

Je vais essayer de répondre à la question "comment a-t-on pu élaborer des théories aussi précises sur l'origine de l'Univers ?".

Tout d'abord, il me semble que les périodes de l'Univers que nous distinguons avec des mesures aussi précises comme l'ère de Planck, l'inflation, les protons formés jusqu'au rayonnement fossile, ne découlent en réalité que des équations de la relativité générale. Il s'agit donc de données théoriques. C'est grâce à ces équations, notamment celle de Friedman, que nous pouvons savoir avec exactitude quel était la taille de l'Univers il y a 1, 2, 3 jusqu'à 13,5 milliards d'années.

La relativité générale est une théorie qui décrit tellement bien le fonctionnement de la matière à l'échelle macroscopique qu'elle a pu prédire : l'existence des trous noirs, les ondes gravitationnelles, l'expansion de l'Univers, la courbure des rayons lumineux, la périhélie de Mercure et la dilatation du temps au sein d'un champ gravitationnel. Toutes ces prédictions ont été vérifiées expérimentalement et c'est ça qui donne autant de crédit à cet ensemble d'équations décrivant l'Univers à l'échelle macroscopique. C'est à partir de ces équations mathématiques qu'on a pu établir des théories aussi précises sur le passé de l'Univers à défaut de pouvoir les observer de nos propres yeux.

En utilisant l'équation de Friedman, par exemple, nous pouvons voir à quel point l'Univers était contracté dans le passé. On se rend compte que plus on remonte dans le temps, plus l'Univers se réchauffe et se densifie jusqu'à atteindre des densités et des températures tellement extrêmes qu'il nous est alors impossible de décrire ce qui s'y passe à l'aide de la relativité générale seule. La relativité générale ne décrit que la gravitation, globalement. Or, à l'ère de Planck, la densité est tel qu'il faudrait également prendre en compte les effets de la mécanique quantique.

Le problème c'est que, aujourd'hui, il est impossible, à priori, d'unifier mécanique quantique et relativité générale. Pourtant, c'est bien la seule façon de décrire ce qui se passe à l'ère de Planck. Donc si on a pas de théorie qui unifie mécanique quantique et relativité générale, on ne peut malheureusement pas savoir ce qui s'y passe.

Edit : En me relisant, je me suis rendu compte que j'ai peut-être mal vulgariser la réponse en utilisant un vocabulaire scientifique. Si jamais quelque chose ne semble pas clair, je peux essayer de le clarifier sauf si quelqu'un de plus inspiré se sent capable de le faire.

[Antarka]

Pas mieux que Whis, enfin tant que RMR dit pas qu'il a pas compris, vais m'abstenir d'en rajouter trop pour pas l'embrouiller (mais la vulgarisation me semble impossible pour certains principes physiques). L'observation directe du passé via la lumière à ses grosses limites, largement postérieures à l'ère de Planck. C'est effectivement la vérification, la validation des théories sur la relativité générale qui nous font déduire/spéculer sur ce qu'il y avait au début. Tant que les équations collent avec ce qu'on peut observer, on les valide et on extrapole sur ce qu'on peut pas observer, et en général on vérifie ça avec succès, et éventuellement on affine legerement nos données.

Et le problème de certains trucs (le temps 0 de l'univers, ou certains principes des trous noirs) c'est qu'on ne sait concilier mathématiques générales (la relativité générale, qui ne se suffit pas en elle-même dans ces cas la) et mecanique quantique, comme l'a dit Whis. En gros les equations sont trop incompletes pour que les théories sur tout ça dépasse le stade de la simple spéculation pour celui de l'étude scientifique rigoureuse.

Juste un mot sur la vitesse d'expantion de l'univers pour RMR : ce n'est pas une constante, en fait elle accelere, c'est surtout ce qui a mis à mal les théories du big crunch ces dernieres années (l'inverse du Big bang : le grand rassemblement de la matière à la fin de l'univers), et ce qui a pu tendre à faire penser que les equations d'Einstein étaient fausses et/ou incompletes (pour la ptite histoire, Einstein a rendu son équation incomplete, pour que ça colle avec la théorie d'un univers fixe et immuable, mais c'était une erreur, et donc son équation était juste, même s'il comprenait pas pourquoi et n'avait pas les moyens de le vérifier).

J'en profite pour dire qu'il n'y a pas de points d'origine à l'univers. Enfin RMR, tu imagines un point fixe a partir de laquel l'univers aurait grandi, mais c'est une représentation inexacte. L'univers n'a pas de point d'origine car le Big Bang s'est produit dans tout l'univers à la fois (aussi rikiki était il). Il y a un centre geographique à l'univers observable (la Terre, et l'univers observable est donc aussi vaste qu'il est vieux, soit 13,7 milliards d'années en gros) mais pas à l'univers dans sa globalité qui est bien plus vaste que ça (j'ai vu du 50 milliards d'années lumière, et seulement dans les théories d'un univers fini). Tout est le point d'origine si tu preferes.

[Abysse]

Déjà, une façon simple de « voir » que l'univers est probablement fini, et non infini :

Si l'univers était infini et éternel, il y aurait donc également une infinité d'étoiles visibles dans le ciel ; les lumières visibles de cette infinité d'étoiles se colleraient et se superposeraient les unes aux autres ; le ciel devrait donc être brillant en permanence, même la nuit. Le simple fait d'observer du noir entre les étoiles démontre que l'univers n'est pas infini.

Donc si l'univers est fini, il a très certainement un début.

Ensuite, on a observé et calculé que le « noir » entre les étoiles s'agrandit. Il existe plusieurs façons de l'observer :

-Par analyse spectrographique de la lumière qui nous parvient (plus la lumière sur la raie de la bande spectrographique est décalée vers le rouge, plus l'étoile est lointaine. Et en espaçant les mesures, genre 6 mois entre deux mesures, on relève du mouvement de décalage de plus en plus progressif vers le rouge)

-Ou alors, on mesure tout simplement la distance entre deux étoiles en superposant des photos extrêmement précises du ciel. On constate également du décalage entre deux clichés pris à des intervalles de temps réguliers.

-Il y a également d'autres manières de déterminer la distance entre deux étoiles, en prenant pour référence des étoiles céphéides, des étoiles dans la luminosité varie par intervalles réguliers. Il y a aussi le calcul de la parallaxe, qui mesure le changement de position d'un observateur par rapport à ce qu'il observe, etc.

Toutes ces méthodes ont été expérimentées un nombre incalculable de fois par une multitude d' organismes scientifiques, tous volontairement impartiaux et indépendants les uns des autres.
Le verdict est unanime et sans appel ; les étoiles semblent bel et bien s'éloigner les unes des autres.
Or, si les étoiles s'éloignent, on peut en déduire que par le passé, elles étaient plus proches les unes des autres.

Si connaît avec exactitude la vitesse et la position d'une poignée d'étoiles à un instant T, on peut calculer et prédire avec leur position dans le passé ou dans le futur.
On a donc calculé que par le passé, cette poignée d'étoiles étaient plus proches, et dans le futur, ces étoiles seront plus éloignées les unes des autres.

En se basant sur divers groupes d'étoiles et en prenant en compte leurs vitesses et leurs positions entre divers instants T, on a pu rembobiner très loin dans le temps et c'est là qu'on a déduit que toute la matière de l'univers devait être condensée et compressée en une seule entité minuscule, d'une densité infinie et d'une température de plusieurs milliards de milliards de degrés :
Une singularité.

Si tu veux, de manière simpliste, les « 10^-45 » et autres valeurs extrêmes sont les résultats de divers calculs théoriques extrêmement complexes et poussés sur l'histoire à l'envers de quelques groupes d'étoiles à partir de leurs positions et vitesses à divers instants.

[Lalilalo]

Déjà, une façon simple de « voir » que l'univers est probablement fini, et non infini :

Si l'univers était infini et éternel, il y aurait donc également une infinité d'étoiles visibles dans le ciel ; les lumières visibles de cette infinité d'étoiles se colleraient et se superposeraient les unes aux autres ; le ciel devrait donc être brillant en permanence, même la nuit. Le simple fait d'observer du noir entre les étoiles démontre que l'univers n'est pas infini.

Pas compris.

Pourquoi on ne pourrait pas avoir un univers infini avec un nombre d'étoiles fini ?

[Seychar]

J'en profite pour dire qu'il n'y a pas de points d'origine à l'univers. Enfin RMR, tu imagines un point fixe a partir de laquel l'univers aurait grandi, mais c'est une représentation inexacte. L'univers n'a pas de point d'origine car le Big Bang s'est produit dans tout l'univers à la fois (aussi rikiki était il). Il y a un centre geographique à l'univers observable (la Terre, et l'univers observable est donc aussi vaste qu'il est vieux, soit 13,7 milliards d'années en gros) mais pas à l'univers dans sa globalité qui est bien plus vaste que ça (j'ai vu du 50 milliards d'années lumière, et seulement dans les théories d'un univers fini). Tout est le point d'origine si tu preferes.

Si si, il a un point d'origine, le seul truc c'est qu'il ne faut pas partir du principe que son expansion se fait de manière multidimensionnel (ou multidirectionnel) à la même vitesse le seul truc c'est que ce point d'origine n'a qu'une valeur "historique" et "scientifique", mais aucune au niveau géographique, les deux pourraient se confondre à certains moments de par leur position, mais ne doivent pas être confondus d'un point de vue scientifique pour leurs significations somme toute diamétralement opposés dans l'idée.

[Antarka]

Ce que je veux dire, c'est que le "point" qui a été le Big Bang n'est pas geographiquement présent dans notre univers. Il s'est étendu quoi, à tout l'univers. Le centre est partout.

Y'a la théorie des tableaux à la Donkey Kong qui est assez répandue sur la finitude de l'univers sinon (en gros si tu arrives à un "bord" de l'univers, tu te retrouves direct au bord opposé).

Pour l'expansion de l'univers, ça a surtout été calculé en fonction de la distance et de la vitesse d'éloignement des galaxies/amas lointains, par analyse spectrographique effectivement (plus elles s'éloignent vite plus elles tendent vers le rouge).


J'ai du mal à vulgariser, déja que je suis nul en physique.

Enfin voila, Abysse a dt plein de choses interessantes. Même si sa définition du Big Bang pourrait s'appliquer à n'importe quel trou noir (Enfin n'importe quelle singularité : densité infinie, temperature extreme, état de la matière totalement inconnu). Ce qu'on ignore vraiment c'est le tout début, le déclencheur de tout ça, et l'état d'un éventuel "avant". Certains pensent à un Big Bounce (un Big Crunch réunissant toute la matière de l'univers, ré-explosant en un Big Bang pour former un nouvel univers) mais les modèles actuels collent pas trop, le Big Crunch semblant etre mis de coté vu l'acceleration de l'expansion de l'univers (on aura plutôt, à très très long terme, un univers encore plus vaste, froid et à la densité de matière plus faible, qu'un Big Crunch).

[Abysse]

@ Lalilalo :

L'univers infini avec un nombre fini d'étoiles n'est pas un modèle impossible, en effet. Pourquoi pas ?

Mais si c'est le cas, si l'univers est infini et que les étoiles d'un nombre fini s'éloignent les unes des autres, alors le ciel ne devrait-il pas être complètement noir ?

Il se trouve juste que le modèle de l'univers infini ne cadre pas avec la plupart des observations et des prédictions mathématiques les plus communément admises. C'est un modèle qui semble créer trop de contradictions et qui crée plus de problèmes qu'il n'en résout. Et comme une théorie scientifique sur l'univers se doit d'être élégante et de créer le moins de contradictions possibles, le modèle d'un univers infini n'est pas le modèle le plus retenu et le plus privilégié.

Et apparemment, ce ne sont pas les étoiles qui s'éloignent les unes des autres, c'est l'espace entre les étoiles qui s'agrandit. L'espace se crée au fur et à mesure qu'il se dilate. Un peu comme un ballon de baudruche qu'on gonfle.

Je ne suis pas le plus qualifié pour parler de physique théorique, mais je lis pas mal d'ouvrages et d'articles de vulgarisation scientifique et j'essaye de restituer au maximum ce que j'ai compris de cette vulgarisation. Et j'ai simplement retenu que le modèle d'un univers fini mais sans bords semble être le modèle qui colle le plus aux diverses observations et prévisions mathématiques.

Après, c'est vrai, on en sait rien. Pour paraphraser un certain Stephen Hawking, nous pourrions très bien être semblables à des poissons rouges qui ont une vision du monde extérieur déformée par le prisme des parois du bocal. Un corps qui se déplace et dont la trajectoire nous apparaît rectiligne semblerait suivre une courbe pour le poisson rouge.
Comment savons-nous que nous avons l'image véritable et non déformée de la réalité ?

@ Antarka :

Il existe des théories comme quoi la singularité d'un trou noir serait le point de départ d'un big bang et de la création d'un nouvel univers. Des univers à l'intérieur de l'univers, en somme. Comme des bulles d'eau qui se forment et meurent à l'intérieur d'un verre d'eau...

[Lalilalo]

L'univers infini avec un nombre fini d'étoiles n'est pas un modèle impossible, en effet. Pourquoi pas ?

Mais si c'est le cas, si l'univers est infini et que les étoiles d'un nombre fini s'éloignent les unes des autres, alors le ciel ne devrait-il pas être complètement noir ?

Pourquoi ? Une étoile éloignée nous enverra toujours de la lumière. Elle mettra juste plus de temps à nous joindre. A moins que quelque chose puisse intercepter la lumière qui nous parvient.

Il se trouve juste que le modèle de l'univers infini ne cadre pas avec la plupart des observations et des prédictions mathématiques les plus communément admises. C'est un modèle qui semble créer trop de contradictions et qui crée plus de problèmes qu'il n'en résout. Et comme une théorie scientifique sur l'univers se doit d'être élégante et de créer le moins de contradictions possibles, le modèle d'un univers infini n'est pas le modèle le plus retenu et le plus privilégié.

Je te crois sur parole. Je faisais juste remarquer que de ce que j'ai compris, l'absence d'un ciel totalement éclairé le soir ne démontre pas à elle seule que l'univers est fini.

[Seychar]

L'univers infini avec un nombre fini d'étoiles n'est pas un modèle impossible, en effet. Pourquoi pas ?

Mais si c'est le cas, si l'univers est infini et que les étoiles d'un nombre fini s'éloignent les unes des autres, alors le ciel ne devrait-il pas être complètement noir ?

Pourquoi ? Une étoile éloignée nous enverra toujours de la lumière. Elle mettra juste plus de temps à nous joindre. A moins que quelque chose puisse intercepter la lumière qui nous parvient.

Un trou noir le peut ^^

(enfin il me semble)

[Whis]

La relativité générale s'oppose à l'idée d'un Univers infini. Mathématiquement, l'Univers est instable. Instable dans le sens où celui-ci n'est pas statique mais en expansion. Si l'Univers était réellement infini, on ne pourrait pas observer son extension, cela n'aurait aucun sens.

[RMR]

(on aura plutôt, à très très long terme, un univers encore plus vaste, froid et à la densité de matière plus faible, qu'un Big Crunch)

Et y a une densité minimale scientifiquement infranchissable ou ça peut continuer sans fin ? Est-ce qu'à s'étendre à l'infini, l'univers ne risque pas de... se rompre ? Comme un élastique qu'on tend trop ?

[niicfromlozane]

Et y a une densité minimale scientifiquement infranchissable ou ça peut continuer sans fin ? Est-ce qu'à s'étendre à l'infini, l'univers ne risque pas de... se rompre ? Comme un élastique qu'on tend trop ?

C est a peu près le concept du Big Rip. Et d'après ce que j'ai compris, il existerait dans cette théorie des densités négatives.

[Antarka]

Je doute de l'effet de rupture.

Je veux dire, l'espace c'est déja énormement de vide. On peut même imaginer ça comme un ocean, avec des petites bulles très éloignées les unes les autres, représentées par des champs gravitationnels (des systemes planetaires). On sait a peu près regarder ce qu'il y a dans les bulles les plus proches, mais de l'espace vide entre ces bulles on ne sait quasiment rien. La perte de densité de l'univers se repercutera dans l'éloignement entre ces bulles, mais localement la situation changera pas trop, d'une bulle à l'autre, qui seront pas moins dense qu'avant.



Un jour, dans un futur bien plus vieux que ne l'est l'univers aujourd'hui, les nouvelles étoiles seront sans doute plus rare (car les nuages de gaz le seront aussi, à l'échelle d'une région), la majorité d'entre elles seront des naines noires (le stade ultime des étoiles qui finiront pas en trou noir ou en étoiles à neutrons, jamais observé car l'univers est encore trop jeune) qui ne dégageront pas ou peu de chaleur, et auront une luminosité quasi nulle. On estime à plus de 100 milliards d'année la durée que mettra le soleil a devenir une naine noire, une fois qu'il sera une naine blanche (ce qui la, ne prendra que 5 milliards d'années en gros).

Donc on aura un univers qui semblera vide et froid, selon des critères humains. Mais la matière y sera bien présente, bien que plus "inerte" qu'actuellement. Avant que les galaxies "s'éteignent" faudra que chacune de ses étoiles soient devenus un trou noir ou une naine noire, et que ces corps aient absorbé toute autre trace de gaz ou poussière spatiale à leur portée. Me semble que ça prendra bien plus de 100 milliards d'années.



Abysse : les univers de poche dans les trous noirs, j'ai toujours été dubitatif. J'admet qu'un horizon des evenements vu de l'intérieur doit pouvoir etre assimilé à une frontière de leur univers (s'il existe : c'est une limite qu'on peut pas franchir au vu de l'horizon des evenements, car l'énergie pour se faire n'existe pas, et que c'est un principe physique). J'admet aussi que la densité moyenne d'un trou noir peut etre faible (plus il sera massif, plus il sera grand, moins il sera dense, et la densité du machin reste plus forte que celle de notre univers), c'est la singularité au milieu du trou noir qui a une densité infinie. Mais qu'est ce qui permet d'accrediter la théorie "sous univers" autre que la spéculation brute ?

[Abysse]

Le scénario de « Big Freeze » va de pair avec la deuxième loi thermodynamique, ou entropie, qui stipule que livrée à elle même, une tasse de café chaud refroidira toujours, et jamais l'inverse. Il en va de même pour l'univers. Tout ce qui est ordonné finira par se désordonner. Une fois que l'entropie sera maximale, ou que le désordre de l'univers sera absolu, c'est à dire que tous les trous noirs se seront évaporés, que toute matière et toute énergie se sera désagrégée, que tous les atomes se seront séparés, que tous les protons et les tous électrons retourneront à l'état de quarks et de bosons et que eux même seront de retour à l'état de soupe quantique et que elle même basculera à nouveau à l'état de fluctuation quantique. Soit il n'y aura tout simplement plus rien, une non existence absolue, soit un big bang finira par redémarrer à partir de ce « rien ». Personne ne sait. Ce sont là des choses qui échappent totalement à l'entendement humain, conditionné pour que chaque chose ait une cause et une conséquence. La physique quantique n'a que faire des concepts de causalité. Selon elle, l'univers est en mesure d'exister et/ou ne pas exister, même à partir de rien.


D'autres disent que le Big Crunch (contraction de l'univers après expansion) est encore possible. Nous serions donc simplement encore en phase d'expansion, même si cette dernière accélère et contredit la possibilité d'un Big Crunch.
L'expansion du ballon de baudruche qu'est l'univers ne serait pas encore parvenu à son « équateur », moment où l'expansion est à la limite, avant le début de la contraction. Et à l'issue de ce Big Crunch, bizarrement, même scénario que pour le Big Freeze ; réunification des quatre forces fondamentales régissant l'univers (gravité, force forte, force faible et électromagnétisme), disparition du concept de temps et d'espace, retour de la matière et de l'énergie à l'état de "simples" fluctuations quantiques.

PS : Sur les quatre lois principales de l'univers :

Gravité:La plus faible des quatre forces, mais qui possède un champ d'action qui agit sur l'ensemble du cosmos. Tout ce qui est plus léger est attiré par plus lourd.

Force forte : C'est elle qui soude indéfectiblement entre eux les composants des noyaux des atomes.

Force faible : elle permet aux noyaux des atomes de se transformer en autre chose et d'émettre des particules nouvellement créées à l'issue de ces transformations. Par exemple, la fusion nucléaire dans le soleil transforme les noyaux soudés des atomes en d'autres noyaux soudés, avec émission de radiations.

Force électromagnétique : Elle oblige les électrons à tourner autour des noyaux des atomes et à souder ces derniers entre eux par échange d'électrons, donnant consistance à la matière. Sans elle, votre poing traverse la table et vous vous enfoncez dans le sol.

Ces quatre forces, séparément, donnent naissance aux lois de l'univers telles qu'on les connaît, avec tout le lot d'interprétations et de prédictions mathématiques qui vont avec.
Lorsque ces forces sont unies, comme c'était le cas pendant l'ère de Planck (les premiers instants du big bang), toutes les lois mathématiques s'effondrent. On se perd dans les infinis. Et c'est la séparation de ces quatre forces, au début de l'univers, qui a donné naissance aux concepts d'espace et de temps.

Il n'y a qu'en unissant la relativité générale et la physique quantique qu'on pourra comprendre ce que ça signifie d'avoir les quatre forces en une seule, comme c'était le cas au début de l'univers et comme ce sera probablement le cas à la fin, quel que soit le modèle d'effondrement.

Tout ce que je dis n'a aucune force de vérité ou de prédiction, il s'agit juste d'un consensus global parmi la communauté scientifique.