Expansion de l'univers

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physique2612
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Expansion de l'univers

Message par physique2612 » mar. févr. 12, 2019 9:33 pm

Bonjour,

Dans cette vidéo, l'astrophysicienne Sandrine Codis, chargée de mission Euclide et Prix Merac 2018, nous explique à la 24ème seconde de la 7ème minute que si la terre était au centre de l'univers tel que le pensaient certains de nos ancêtres, il n'y aurait plus de contradiction entre les équations de la relativité générale, autrement dit la gravitation telle qu'on la comprend aujourd'hui, et l'expansion accélérée de l'univers.

Je ne vois pas du tout pourquoi ? Est ce que quelqu'un pourrait m'expliquer ce point de vue ?

La traditionnelle image du ballon qui gonfle me semble demeurer exacte en prenant la terre au centre de l'univers, et la question du paradoxe entre cette expansion accélérée et la gravité qui était sensée garder les corps proches les uns des autres reste intacte. Du coup vraiment je ne la comprends pas. Pourtant après une petite recherche sur internet j'ai vu que c'est une réflexion connue, mais je n'ai pas trouvé d'explication. Si quelqu'un ici peut m'aider merci beaucoup !!!

PS lien vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=Cfggeai3JPg#t=7m24s

zede
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Re: Expansion de l'univers

Message par zede » mar. févr. 12, 2019 10:56 pm

Effectivement, elle est un peu ambigüe,

je pense qu'elle fait référence à ça:
L’univers observable est une sorte de mousse où se concentrent les amas et superamas de galaxies à l’échelle de quelques centaines de millions d’années-lumière, bien qu’il puisse en général être considéré comme homogène à de plus grandes échelles.
Des observations soutiennent l’idée que notre galaxie serait en fait dans une zone de sous-densité, donc à l’intérieur de l’équivalent d’une bulle de cette mousse. Dans le jargon des cosmologistes, c’est un vide cosmique et il serait d’un diamètre d'environ 2 milliards d’années-lumière.
Avec une gravité plus faible dans cette bulle, nous mesurerions une expansion de l’univers plus rapide que prévu avec les supernovas, mais ce ne serait qu’un phénomène local.
https://www.futura-sciences.com/science ... que-67716/

physique2612
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Re: Expansion de l'univers

Message par physique2612 » mar. févr. 12, 2019 11:10 pm

Merci beaucoup zede. Ta réponse est très intéressante par rapport au vide cosmique auquel elle fait effectivement référence, mais je ne comprends toujours pas pourquoi le fait que cette bulle soit au centre de l'univers ou pas a une incidence dans les calculs de l'accélération de l'expansion ...

Si tu pouvais m'éclairer...

D'ailleurs sur internet j'ai remarqué un site qui commençait sa présentation du concept de l'expansion accélérée ainsi : Nous ne sommes pas au centre de l'univers, donc l'expansion est accélérée.

Plus généralement je peux poser une seconde question (probablement encore plus triviale que la première) : pourquoi seulement le fait que l'expansion de l'univers soit accélérée est en contradiction avec la gravitation ? Intuitivement j'aurais dit que même sans accélération cette expansion est contraire à l'attraction des corps non ?

Du coup maintenant ça fait deux questions... désolé de vous embrouiller. Je résume :

1) Pourquoi si l'on était au centre de l'univers on résoudrait le problème de l'accélération de l'expansion ?
2) Pourquoi seule l'accélération de l'expansion est en contradiction avec la gravitation et pas l'expansion tout court ?


Merci beaucoup.....

zede
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Re: Expansion de l'univers

Message par zede » mar. févr. 12, 2019 11:28 pm

Oublie cette histoire de centre de l'Univers, l'expression est trompeuse,

dans une bulle cosmique, d'un Univers non homogène, voilà ce qu'il faut retenir. Ce qu'on peut dire, c'est que si l'Univers est non homogène, alors nous ne sommes pas "n'importe où"...mais pas au centre, il n'y a pas de centre.

Bon, je t'avoue que je préfère passer la main aux spécialistes. ;)

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Hibiscus
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Re: Expansion de l'univers

Message par Hibiscus » mer. févr. 13, 2019 2:10 am

physique2612 a écrit :
mar. févr. 12, 2019 9:33 pm
Dans cette vidéo, l'astrophysicienne Sandrine Codis, chargée de mission Euclide et Prix Merac 2018, nous explique à la 24ème seconde de la 7ème minute que si la terre était au centre de l'univers tel que le pensaient certains de nos ancêtres, il n'y aurait plus de contradiction entre les équations de la relativité générale, autrement dit la gravitation telle qu'on la comprend aujourd'hui, et l'expansion accélérée de l'univers.
Derrière cette phrase se cachent des phénomènes (et des lois) physiques atrocement compliqués, les plus simples d'entre eux n'ayant même pas d'équivalent Newtonien discible.
zede a écrit :
mar. févr. 12, 2019 11:28 pm
Oublie cette histoire de centre de l'Univers, l'expression est trompeuse,
dans une bulle cosmique, d'un Univers non homogène, voilà ce qu'il faut retenir. Ce qu'on peut dire, c'est que si l'Univers est non homogène, alors nous ne sommes pas "n'importe où"...mais pas au centre, il n'y a pas de centre.
Pour reformuler cette image du ballon qui gonfle. Chaque point lumineux du ballon sphérique quelle que soit sa nature (galaxie, amas, etc..) s'écarte des autres lorsque le ballon gonfle. (analytiquement, fonction de corrélation à deux points).
"Le ballon a un centre" est une phrase qui impose une vue, une description de ce ballon "limitée" à trois dimensions. Typiquement, place un observateur (un machin) dans (pas sur) la surface. Ils ne peuvent pas percevoir la dimension supérieure de l'espace, et ne peuvent savoir que leur surface est courbe, ils ne voient que les choses s'éloigner "comme ça". Notre espace(-temps) est similaire, mais courbe dans une dimension qui n'est pas perceptible (autre que par le calcul, et ses conséquences, mesures).

Dans ce sens, parler de "centre", de part l'ensemble des cosmologies standards sur la "forme" (courbure) de l'univers, n'a pas de sens.

Plus proprement, pour mettre de la physique dans des mots qui sonnent creux :
- On connaît avec une grande précision l'évolution du redshift d'autres galaxies avec leur distance par rapport à nous.
De là, les religieux diront "donc on est au centre ! Le/La [insérer un texte sacré ici] avait raison !"
Et puis on ajoute les fluctuations de métrique, et on se rend compte que ce phénomène est observé depuis n'importe quel point.
Donc si nous avions vécu sur le bras de Persée de la voie Lactée, c'est lui qui aurait été le centre de l'univers. Mais comme on est sur un autre bras, alors c'est nous qu'on est au centre. Na. En clair, ça colle pas :mrgreen:
- La cosmologie observationelle, le calcul de ces fluctuations de métrique est tout simplement immonde à niveau prépa.
Sans parler du CMB, de tous les trucs atroces, de l'inflation, etc.. Et la RG est largement hors programme.
Ne pouvoir écrire aucune équation parlante, et ne devoir utiliser que des phrases pour répondre est difficile, mais en gros "à moins que tu ne veuilles écrire le truc, il faut croire les papiers".

Et tu vas dire "'oui, mais dans Lambda-CDM l'univers est plat.." et là, ça devient une histoire compliquée.
Tu pourras lire Dodelson, 2003 si tu veux, mais c'est inabordable en prépa. (et ya pas vraiment de bouquin de cosmologie plus "simple").
physique2612 a écrit :
mar. févr. 12, 2019 11:10 pm
Plus généralement je peux poser une seconde question (probablement encore plus triviale que la première) : pourquoi seulement le fait que l'expansion de l'univers soit accélérée est en contradiction avec la gravitation ? Intuitivement j'aurais dit que même sans accélération cette expansion est contraire à l'attraction des corps non ?
La gravitation, c'est pas l'attraction des corps. Ca, c'est la gravitation newtonienne, et ça marche dans un monde d'arbres et de pommes.
Dans des échelles cosmologiques, on utilise une "nouvelle" gravitation : la relativité générale (1915).
Et, le modèle Lambda-CDM (pour ne citer que lui), part du postulat que la relativité générale est vraie, et obtient un excellent accord sur :
le CMB (existence et structure), les grandes structures de l'univers, la distribution des galaxies, les abondances d'éléments primordiaux (H,He,D, Li un peu moins), et l'accélération de l'expansion de l'univers (qui est mesurée par observant des supernovae Ia).

Je ne sais pas ce que tu as envie d'appeler gravité, mais si c'est la gravité newtonienne, "ça ne marche pas".
Tu mets dans une boîte un paquet galaxies, tu les fais évoluer avec V=-GMm/R, tu es loin d'obtenir une "toile cosmique" avec des amas et des filaments. Tu mets les lois de la RG, ça colle.

Il n'y a pas de contradiction entre l'accélération de l'expansion et la RG (<- qui est la Gravitation "moderne/standard").
Il suffit d'écrire la RG, avec la constante cosmologique $ \Lambda $ positive.

Tu soulèves des points qui sont très compliqués, et qui sont très difficiles à vulgariser proprement.
On peut te faire le coup du "tu verras en cours de cosmo dans 2-3 ans", mais ça n'apporte rien. Pour essayer de mettre un peu de physique :
Une équation (dite de Friedmann) définit comment l'énergie impacte l'expansion de l'univers, avec $ a $ le facteur d'échelle, $ K $ la courbure de l'univers
$ $$\displaystyle H^2 = {\left({\frac {\dot {a}}{a}}\right)}^{2}={\frac {8{\pi }G}{3}}\rho -{\frac {{\mathrm {K} }c^{2}}{a^{2}}}$$ $
La dedans, on dit que $ {\displaystyle H(a)=H_{0}{\sqrt {{\Omega _{k}a^{-2}+\Omega }_{m}a^{-3}+\Omega _{r}a^{-4}+\Omega _{\mathrm {DE} }a^{-3(1+w)}}}} $ dépend de certains composants de (l'énergie de) l'univers : la courbure, la matière, la radiation, et l'énergie noire.

En jouant avec les proportions, on arrive à quantitifer combien il y a de chaque, et leur effet sur l'expansion. (par exemple si elle est lente lorsque le terme d'énergie noire domine, si elle est rapide lorsque la matière domine..). Et comme on peut mesurer cette expansion, on a un "modèle" gravitationnel (RG) pour en parler. Tu vois bien qu'il y a de la gravitation, ya un $ G $ :lol:

(C'est la première ligne, sans doute, d'un livre de cours de cosmo, mais c'était juste pour montrer qu'on pouvait écrire aussi des équations pas si moches :mrgreen: )
C'est à la fois beaucoup trop court, et beaucoup trop long, comme réponse/commentaire.. Désolé !
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Re: Expansion de l'univers

Message par physique2612 » mer. févr. 13, 2019 11:37 am

Wao Merci beaucoup ! Non ce n'est pas une réponse trop courte ou trop longue, c'est une super réponse. Tu peux mettre quelques équations ne te gêne pas c'est toujours enrichissant de lire ces choses là hihi :)

En fait dans ta seconde réponse tu es parti du principe qu'il y avait une constante cosmologique, or si je ne me trompe pas Einstein l'a retirée, la considérant comme une erreur. Du coup tentons une réponse sans constante cosmologique si tu es d'accord : pourquoi l'expansion de l'univers ACCELEREE est en contradiction avec les équations de la relativité générale alors que l'expansion de l'Univers tout court s'accorde avec ces équations ?

Si tu as les nerfs de répondre c'est super gentil, sinon ne t'inquiète pas c'est déjà vraiment super méga gentil de m'avoir répondu à ma question précédente !!!!!

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Hibiscus
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Re: Expansion de l'univers

Message par Hibiscus » mer. févr. 13, 2019 4:18 pm

En 1915 (certains disent 16), on introduit la RG, les équations d'Einstein avec le tenseur énergie-impulsion, et juste après la constante cosmologique.
Elle servait à contrebalancer les effets de la gravité et obtenir un univers statique, qui était la vision de l'univers de l'époque.
En 1931, Loi de Hubble, l'univers s'étend, donc pas statique, donc on la retire.
De cette époque jusqu'aux premières observations modernes (fin-90), on ne sait toujours pas que l'expansion de l'univers accélère.
Lors de la première mesure (je vais dire Riess et al 98, mais ya d'autres papiers dessus, personne sait trop qui est le "premier"), on observe cette accélération et donc la nécéssité d'avoir une $ \Lambda $ strictement positive.
De là, sortes les premiers modèles, il y a 68% d'énergie noire, 24% dematière noire, 8% de baryons, et le modèle Lambda-CDM, qui colle parfaitement avec les observations.

Petite précision sur la phrase "la mesure oblige Lambda>0".
On a une relation en 98 distance-redshift pour les supernovae Ia, qu'on combine avec les observations du CMB, pour obtenir la fraction $ \Omega_\Lambda=\Omega_{DE} $ d'énergie noire qu'il y a dans l'univers, dans la racine que j'avais mise dans le précédent message à 0.7.
Prendre une constante cosmologique est la solution la plus simple. C'est ce qu'est le modèle Lambda-CDM. Pourtant il colle (tu peux chercher les papiers) à la quasi-perfection avec des quantités innombrables d'observations.
Derrière, tu peux faire a posteriori des théories cheloues, de la quintessence, machin toussa pour expliquer si tu veux.
Tu peux dire que cette constante positive revient, à cause de propriétés de la théorie quantique des champs à avoir une entropie maximale finie pour l'univers observable, et d'autres propriétés étonnantes.

Il n'y a pas de "contradiction" à proprement parler. C'est juste un fait historique, qui revient à choisir la valeur d'une constante.
Newton n'avait pas utilisé $ G $ la première fois, Coulomb n'avait pas utilisé $ \frac{k}{4\pi\epsilon_0} $ il n'avait aucune idée de qui était $ \epsilon_0 $. C'est un peu pareil.
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siro
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Re: Expansion de l'univers

Message par siro » mer. févr. 13, 2019 4:24 pm

Pour un pas néophyte : quel est le lien entre le redshift observé depuis la Terre et le fait qu'on soit dans une bulle de faible densité de matière ? On observerait un RS différent d'ailleurs ? (vraie question)
Chaque vénérable chêne a commencé par être un modeste gland. Si on a pensé à lui pisser dessus.

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Re: Expansion de l'univers

Message par Hibiscus » mer. févr. 13, 2019 4:29 pm

Réponse probablement fausse (mais c'est ce qui me vient..) :
C'est pas strictement analogue à l'effet Kaiser ? Tu sais, les distorsions dans l'espace des redshifts.
Quand tu regardes une galaxie distante, ta ligne de vue dépend du champ de densité. Quand tu l'écris à l'ordre linéaire dans l'espace de fourier, et dans l'espace des redshifts, tu as la formule de Kaiser. C'est pas juste "pareil", sauf qu'au lieu de regarder une région avec "beaucoup" de densité, on regarde "depuis une région ou elle est faible" ?

On part de $ 1+z_{obs}\simeq(1+z)(1+v_{\parallel}) $ et on a
$ \displaystyle \delta^{(S)}(\mathbf{k})\simeq\int d^3\mathbf{x}\left(\delta_g(\mathbf{x})-\frac{1+z}{H(z)}\frac{\partial v_z}{\partial z}\right)\exp(-i\mathbf{k}\cdot\mathbf{x})=\delta_g(\mathbf{k})+\frac{1+z}{H(z)}k\mu_k^2v(\mathbf{k}) $
(à la louche, j'ai pas mes notes sur moi..)

Parce que typiquement, ça n'a vraisemblablement pas d'impact sur des mesures "locales"..
Donc ça ressemble à un effet fondamentalement cosmo, un peu comme Alcock-Paczynski.
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Néodyme
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Re: Expansion de l'univers

Message par Néodyme » mer. févr. 13, 2019 7:14 pm

Bon je ne suis pas spécialiste, moins que toi en tout cas.
Mais pour tenter des réponses à physique2612 ou pour rebondir sur des questions :

1) Pourquoi si l'on était au centre de l'univers on résoudrait le problème de l'accélération de l'expansion ?

Je ne comprends pas non plus ces histoires de "si on était au centre". Dans un univers infini, ou périodique, il n'y a pas de centre. Tout l'espace est en expansion et où qu'on soit on voit les points autour de soit s'éloigner (cf le ballon qu'on gonfle pour un cas 2D). (Je ne vois d'ailleurs pas pourquoi Hibiscus évoque des fluctuations de la métrique pour justifier ça ?)
Et donc il n'y a pas de centre.
Et donc quoi ? Si on était au centre (alors qu'il n'y en a pas...) ça expliquerait $ \Lambda $ ? :shock:

2) Pourquoi seule l'accélération de l'expansion est en contradiction avec la gravitation et pas l'expansion tout court ?

Ce n'est pas parce qu'il y a de la gravitation que tout les corps se rapprochent les uns des autres. Lance ta souris d'ordinateur en l'air... S'il y a une impulsion initiale, alors il y a une phase d'expansion, rien de contradictoire là dedans.
En revanche le fait que cette expansion s'accélère ne convient pas aux cosmologistes parce que ceci n'est pas prédit par leurs équations. Imagine que tu lances ta souris en l'air, et au lieu de ralentir puis retomber elle continue d'accélérer vers le haut ! Une solution pour l'expliquer par les équations de la RG est de mettre ce $ \Lambda $, qui revient en fait à ajouter plein plein d'énergie ("du vide") qui permet l'accélération...


Pour finir, juste une remarque :
Hibiscus a écrit :
mer. févr. 13, 2019 4:18 pm
Il n'y a pas de "contradiction" à proprement parler. C'est juste un fait historique, qui revient à choisir la valeur d'une constante.
Newton n'avait pas utilisé $ G $ la première fois, Coulomb n'avait pas utilisé $ \frac{k}{4\pi\epsilon_0} $ il n'avait aucune idée de qui était $ \epsilon_0 $. C'est un peu pareil.
Non ce n'est pas du tout pareil. $ G $ ou $ \frac{1}{4\pi\epsilon_0} $ cela a à voir avec le choix des unités dans lesquelles on fait les mesures, mais pas avec les lois elles-mêmes. Alors que l'apparition de ce $ \Lambda $ dans les équations est quelque chose de mis comme ça sans support théorique (du moins pas au sein de la RG, après comme tu dis on peut chercher à l'expliquer hors RG, énergie du vide tout ça, mais on n'y parvient pas).

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Re: Expansion de l'univers

Message par Hibiscus » jeu. févr. 14, 2019 1:53 am

Je n'ai utilisé la métrique que pour les observations post-98, c'est à dire le lien distance-redshift.
Dans le paragraphe d'avant, en partant d'une bulle (un peu plus réaliste que 2D pour un contexte consmo, certes), on n'a pas de centre si expansion, ce qui rejoint ce que tu dis.
Maintenant, si on est dans un monde ou la "seule" donnée est l'observation distance-redshift avec les 1a, ce lien peut tout à fait s'expliquer naivement en disant qu'on est au centre de tout, et que les choses s'éloignent par rapport à nous, en supposant qu'on ne connaisse "rien d'autre" que cette relation.
Et ça a été fait, ya eu des papiers qualifiés de "cosmologie religieuse", replaçant la Terre, sinon une échelle caractéristique au centre de l'univers.
C'est rompu en formulant mathématiquement le "ou qu'on soit on est au centre", dans le contexte de la RG. (je ne parle pas des fluctuations de métriques primordiales, juste d'effets distordants).

Pour la seconde partie, je faisais plutôt référence à ça
Dans le Principa , Newton considère l'écriture (reformulée bien sûr)
$ \displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}+B{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{3}}}\ \quad;\quad \text{B constante} $
pour le mouvement "apsidal" de la Lune (j'ai oublié le terme français...)
Derrière Laplace en 1790 proposait
$ {\displaystyle F(r)=k{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}\exp(-\alpha r)} $
Je trouvais ça simialire dans l'idée "ajouter un terme pour expliquer un phénomène".

Je suis bien d'accord que l'ajout d'une constante cosmo contenant plein d'énergie absurde et sortie d'on ne sait ou fait très artifice, et pour être honnête, à chaque intervenant de cosmo que je croise, j'ai jamais la même explication..
(J'ai eu Bernardeau et Taruya à quelques mois d'intervalles, ils bossent ensemble mais donnent l'impression de ne pas voir les choses de la même façon..)
le Lambda est là parce qu'il marche.. Et pour la même raison qu'en 82 on croyait pas à l'existence un halo CDM, et qu'aujourd'hui on a les WIMP, la CDM, les Axion-like Particles, les Fuzzy DM, et j'en passe et des meilleures modèles de matière noire, il n'est pas improbable qu'Euclide, ou d'autres projets donnent des informations sur c'ténergie.

Note : Je fais pas de cosmo à titre personnel, je reformule juste ce qui semble ressortir des papiers & confs "récentes". Mon avis reste que le Lambda sort de nulle part (du vide !! :mrgreen: ) et qu'on a rien de mieux qu'un vieux $ \chi^2 $ qui colle bien à la réalité pour le garder.
Meanwhile, tous les fous du quartier s'envoient des théories alternatives au Lambda-CDM, avec de la mod.grav. pour les plus gentils, et de la gravitation à boucles pour les plus courageux.. On verra bien qui a raison dans quelques années. :D
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Re: Expansion de l'univers

Message par Néodyme » jeu. févr. 14, 2019 10:53 pm

Hibiscus a écrit :
jeu. févr. 14, 2019 1:53 am
Maintenant, si on est dans un monde ou la "seule" donnée est l'observation distance-redshift avec les 1a, ce lien peut tout à fait s'expliquer naivement en disant qu'on est au centre de tout, et que les choses s'éloignent par rapport à nous, en supposant qu'on ne connaisse "rien d'autre" que cette relation.
Ah, donc dans ce modèle on serait au centre d'une bulle qui s'expend, mais cette bulle serait une fluctuation et des trucs différentes peuvent se passer ailleurs ?

Ok pour Newton et G :!:
Hibiscus a écrit :
jeu. févr. 14, 2019 1:53 am
On verra bien qui a raison dans quelques années. :D
C'est clair en tout cas que c'est une des grandes énigmes de la physique, voire probablement la plus grande...

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Re: Expansion de l'univers

Message par Hibiscus » ven. févr. 15, 2019 2:16 am

Néodyme a écrit :
jeu. févr. 14, 2019 10:53 pm
Hibiscus a écrit :
jeu. févr. 14, 2019 1:53 am
Maintenant, si on est dans un monde ou la "seule" donnée est l'observation distance-redshift avec les 1a, ce lien peut tout à fait s'expliquer naivement en disant qu'on est au centre de tout, et que les choses s'éloignent par rapport à nous, en supposant qu'on ne connaisse "rien d'autre" que cette relation.
Ah, donc dans ce modèle on serait au centre d'une bulle qui s'expend, mais cette bulle serait une fluctuation et des trucs différentes peuvent se passer ailleurs ?

Disons que, pour être légèrement plus tempéré,

[Des gens ont fait des calculs à des ordres délirants en LPT, avec beaucoup de loops et tout et tout, et semblent dire que]
il n'y a pas de raison pour que ça ne soit pas a priori juste une fluctuation, et que ce soit complètement différent, voire impensablement différent ailleurs.

Dans le modèle "standard" (le plus simple) des perturbations, ils prennent une gaussienne centrée mais asymétrique, allongée sur les grands vecteurs d'onde. Visiblement, ça leur permet de conclure sur "différent ailleurs", tout en collant presque parfaitement à l'univers local.

D'ailleurs, quand les simulations à $ 4096^3 $ corps font des beaux filaments et amas de galaxies, une première approximation géométrique "à plat" est de prendre un univers quasi-fractal.
Notre bulle pourrait très bien un de ces "creux inter-filaments", par autosimilarité.
(C'est dans un papier de Riess d'autour de 2005, mais je serais incapable de formuler cette argumentation)

D'autres y voient encore une raison pour parler de modèles de gravitation plus bizarres. :mrgreen:
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Re: Expansion de l'univers

Message par Néodyme » ven. févr. 15, 2019 11:23 am

Ok ok. Mais du coup ce serait tout de même pas de chance d'être vers le centre de cette fluctuation. Si on était décentré, on ne verrait pas les Ia s'éloigner uniformément dans toutes les directions.

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Re: Expansion de l'univers

Message par siro » ven. févr. 15, 2019 12:33 pm

Le "pas de chance" c'est toujours délicat en astro. Parce qu'à la fin on observe un univers très figé de notre point de vue (un siècle c'est que dalle à l'échelle de l'univers), dans lequel les conditions dans lesquelles la Terre est c'est un seul jet de dé.
Chaque vénérable chêne a commencé par être un modeste gland. Si on a pensé à lui pisser dessus.

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