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L 'expansion de l'univers Il est l'augmentation moyenne de la métrique de distance (c.-à-mesuré) entre deux objets dans l'univers de faire varier le temps. Cette expansion est intrinsèque, qui est définie par la séparation relative des régions de l'univers, et non pas le mouvement dans un espace existant. L'expansion métrique est une caractéristique fondamentale de la théorie de Big Bang et il a été exprimé mathématiquement avec le métrique Friedmann - Lemaitre - Robertson - Walker.

Ce modèle est valable que dans l'ère actuelle d'échelle relativement importante, ce qui est à peu près à l'échelle de superamas et au-delà. Sur les petites échelles de la matière agglomérante ensemble sous l'influence de 'attraction gravitationnelle et ces agglomérats ne se développent pas individuellement, même si elles continuent de se éloigner les uns des autres. L'expansion est provoquée en partie par "inertie, c'est la matière dans l'univers se déplace loin parce qu'il était déjà séparé dans le passé, et en partie par une force répulsive qui ne connaît pas encore la nature exacte, mais qui peut être expliqué par un constante cosmologique et qui serait responsable de la 'l'accélération de l'expansion. L'inertie dominé l'expansion dans la première partie de l'histoire de l'univers et, selon la modèle Lambda-CDM, la constante cosmologique dominera l'expansion à l'avenir, mais maintenant ces deux contributions agir dans la mesure à peu près égale.

L'expansion métrique conduit à une vitesse d'expulsion qui dépassent la vitesse de la lumière c et à des distances supérieures à c Parfois, l'âge de l'univers; Ce fait provoque souvent la confusion entre les experts et les débutants.[1] La vitesse de la lumière n'a pas de signification particulière aux échelles cosmologiques.

Une évaluation plus complète peut être que la performance de l'espace métrique d'expansion continue de fournir des paradoxes qui sont encore un sujet de débat.[2][3][4][5] L'opinion dominante est de Michał Chodorowski, qui stipule que: Contrairement à la dilatation du substrat externe, l'expansion de l'espace est indétectable.[6]

Comprendre l'expansion de l'espace

Espace d'extension métrique
Espace d'extension métrique
Deux images d'un isométrique d'immersion une partie de 'univers observable, montrer comment un rayon de lumière (ligne rouge) peut parcourir une distance effective de 28 milliards années-lumière (Ligne orange) en seulement 13000000000 années temps cosmologique. Cliquez sur l'image pour avoir la détails mathématiques

la espace-temps, sur une échelle cosmologique, il est fortement incurvée et, par conséquent, l'expansion de l'univers est inhérent à la relativité générale, car il ne peut pas être comprise à la seule relativité restreinte. Les images de droite montrent la géométrie de l'univers à grande échelle sur la base modèle Lambda-CDM. Deux dimensions de l'espace ont été omis, en laissant un espace et une dimension temporelle. L'extrémité étroite du diagramme correspond à un cercle temps cosmologique 700 millions d'années après le Big Bang; Le cercle supérieur représente un temps cosmologique plus de 18 milliards d'années, où vous pouvez voir le début de 'l'accélération de l'expansion qui domine la fin de ce modèle.

Les lignes violettes (la « parallèle ») sont le temps cosmologique à la distance d'un milliard d'années après le Big Bang, alors que les lignes bleues (les « méridiens ») représentent la distance comobile avec un intervalle d'un milliard d'années. La ligne brune dans le diagramme est le univers en ligne de la Terre (ou, dans les premiers instants, la question qu'il a rejoint pour former la Terre), tandis que la ligne jaune est la ligne de l'univers quasar le plus éloigné connu. La ligne rouge est un faisceau de lumière émis par un quasar il y a environ 13 milliards d'années pour atteindre la Terre à ce jour. La ligne orange représente la distance réelle entre le quasar et la Terre, environ 28 milliards d'années lumière.

selon principe d'équivalence de relativité générale, les règles de la relativité restreinte sont localement valide dans des parties de l'espace limité qui sont à peu près plat. En particulier, la lumière se déplace toujours à la vitesse locale c; dans le schéma précédent, cela signifie que les rayons de lumière formant localement un angle de 45 ° avec les lignes de la grille. Cela ne veut pas dire que la lumière a parcouru un espace égal à ct à la fois t, comme représenté par la ligne rouge. Alors que le faisceau lumineux se déplace toujours à des vitesses localement c, son temps pour parcourir la distance (environ 13 milliards d'années) est pas liée à la distance parcourue de quelque manière simple. En fait, la distance parcourue est ambiguë en raison de l'ampleur du changement de l'univers. Cependant, il est possible d'identifier deux distances qui semblent physiquement importantes: la distance entre la Terre et le quasar lorsque la lumière est émise et la distance entre eux à présent.

La première distance est d'environ 4 milliards d'années lumière, beaucoup moins que ct. La seconde distance (représentée par la ligne orange) est d'environ 28 milliards d'années, qui est beaucoup plus grande que ct. Vous remarquerez peut-être que la lumière prend plus de 4 milliards d'années pour atteindre la Terre, même si elle a été émise par les 4 milliards d'années lumière. En fait, vous pouvez voir dans le diagramme que la lumière se déplace de la Terre quand il a été publié, en ce sens que la distance métrique de la Terre a augmenté avec le temps cosmologique pour les premiers milliards d'années de son voyage. Aucun de ces comportements proviennent de propriétés d'extension métriques, mais vient simplement d'un principe de la relativité générale locale construite sur une surface courbe.

Notez que l'univers ne se développe pas dans le vide; Ceci est tout simplement plus d'espace à l'avenir de fois qu'il y avait dans les premiers temps. De plus, cette notation de « plus » l'espace est local, pas global: il est impossible de savoir combien d'espace il y a au total.

perturbations locales

L'expansion de l'espace est parfois décrite comme une force agissant sur les objets et de les déplacer à une distance les uns des autres. Bien que ce soit une description précise de constante cosmologique, Il n'est pas une image réelle du phénomène général de l'expansion. Pour la plupart de l'histoire de l'univers, l'expansion a été principalement causée par 'inertie. La question dans l'Univers s'éloignait en particulier l'effet initial de 'l'inflation cosmique et il a continué à le faire par l'inertie, mais à un taux plus faible et plus faible en raison de l'effet attractif de la gravité. En plus de l'expansion ralentit, la gravité a provoqué l'épaississement de la matière qui a généré étoiles et galaxies. Ces étoiles et les galaxies se sont éloignés les uns des autres alors, puisqu'il n'y avait actuellement aucune force qui permettrait. Il existe des différences substantielles entre l'expansion d'inertie de l'univers et la séparation inertielle des objets proches dans le vide: le premier cas est tout simplement une généralisation à grande échelle de la seconde. Un type de dilatation uniforme locale du matériau peut être décrit localement par métrique Friedmann - Lemaitre - Robertson - Walker, la même métrique qui décrit l'expansion de l'univers dans son ensemble.

Cette situation change compte tenu de l'introduction d'une constante cosmologique. Ce terme a l'effet d'une force de répulsion entre les objets qui est proportionnelle (non inversement proportionnelle) à la distance. Contrairement à inertie, il agit directement sur les objets gravitationnellement liés et aussi sur les atomes. Cependant, cette force ne provoque pas la croissance constante des objets ou leur destruction; à moins qu'ils ne sont pas liés faiblement, ils vont tout simplement être mis dans un état d'équilibre qui est un peu différent de ce qui aurait été autrement. Puisque l'univers se dilate et se déplace la matière à une distance, l'attraction gravitationnelle diminue (car elle est proportionnelle à la densité), tandis que la répulsion due à l'augmentation constante cosmologique; alors le sort ultime de l'univers décrit par modèle Lambda-CDM Il est toujours plus grande expansion en raison de la constante cosmologique. Toutefois, le seul effet visible localement 'l'accélération de l'expansion Il est la disparition des galaxies les plus lointaines. En fait, les objets liés gravitationnellement, tels que la voie lactée, Ils ne se développent pas.

D'autres modèles de migration

L'expansion de l'espace est souvent illustré avec des modèles qui ne montrent à un instant donné l'ampleur de l'espace, laissant la dimension temporelle implicite.

Dans le modèle « boule », il est une bille sphérique est gonflé à partir d'une taille initiale de zéro (ce qui représente la grande explosion). Une balle a une courbure positive tandis que les observations suggèrent que l'univers est dans l'espace plat, mais cette incohérence peut être éliminé en supposant que la balle est très large afin qu'ils puissent être considérés comme plat dans les limites d'observation. Cette analogie peut être source de confusion, car il peut suggérer que le Big Bang a eu lieu du centre du ballon. Les points en dehors de la zone n'a pas de sens, même si elles étaient occupés plus tôt.

Espace d'extension métrique
Animation du modèle d'expansion du pain aux raisins. Lorsque le pain double la taille (longueur et profondeur), aussi la distance entre les raisins double.

Dans « modèle pain avec des raisins » vous pouvez imaginer un morceau de pain avec des raisins qui se développe. Le pain (à savoir l'espace) se développe dans son ensemble, mais les raisins (c.-à-gravitationnellement liés) ne se développe pas, mais sont limités à se éloigner les uns des autres.

Tous ces modèles ont le problème conceptuel d'exiger une force extérieure qui agit sur l'espace à tout instant de temps pour permettre l'expansion. Contrairement à l'expansion réelle, ces modèles offrent une interaction électromagnétique entre les différents éléments et ceux-ci, après une poussée initiale, ne va pas continuer à se développer.

Vue d'ensemble de la métrique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: Distance (mathématiques).

Pour mieux comprendre comment l'expansion métrique, ce qui suit est brièvement ce que la métrique.

Définition d'une métrique

la métrique On définit comme la distance peut être mesurée entre deux points voisins dans l'espace, en termes de système de coordonnées de ces points. Un système de coordonnées localise des points dans un espace (quelle taille) En attribuant un numéro unique, appelé coordonnées, à chaque point. La mesure est donc une formule qui permet de convertir les coordonnées des deux points à une certaine distance.

La mesure sur la surface de la Terre

Par exemple, il peut être considéré comme une mesure de la distance entre deux points sur la surface de la Terre, qui est un cas de géométrie non-euclidienne. Depuis est en deux dimensions de la surface de la terre, les points peuvent être identifiés par deux coordonnées, par exemple latitude et longitude. Pour utiliser une métrique doit préciser les coordonnées utilisées et, dans ce cas, il est possible de choisir soit le système de coordonnées donné par la latitude et la longitude, à la fois les 3 axes de référence (x, y, z) de la système cartésien. Après avoir choisi un système de référence, la valeur numérique des coordonnées des deux points est déterminé de façon unique, à savoir en fonction des propriétés de l'espace pris en compte, et il est possible de déterminer la métrique appropriée pour le système. Sur la surface courbe du terre, Cet effet peut être vu dans le Voyage aérien long-courrier, où la distance entre deux points est mesurée par la circonférence maximale et non par la ligne droite qui passe à l'intérieur de la Terre. En théorie, cet effet, causé par la courbure de la surface, est également visible pour les petites distances, mais en pratique pour deux points proches de la courbure de la surface de la Terre est si petit qu'il peut être exclu dans le cas du calcul des distances.

La métrique pour l'espace-temps

Les points de la surface de la Terre peuvent être déterminées en donnant deux coordonnées. depuis le espace-temps est à quatre dimensions, il est nécessaire de prévoir quatre coordonnées pour déterminer l'emplacement des points. Les coordonnées les plus utiles pour l'utilisation de la cosmologie sont distance comobile. Étant donné que l'espace à grande échelle semble être euclidien, vous pouvez spécifier les coordonnées spatiales en fonction des coordonnées x, y et z, bien que d'autres types sont utilisés, tels que coordonnées sphériques. La quatrième coordonnée demande est le temps, qui est spécifié dans la distance de comobile que temps cosmologique. Bien que la grande échelle de l'univers semble être la géométrie euclidienne, la même chose ne peut pas dire la métrique de l'espace-temps. La nature non-euclidienne de l'espace-temps se manifeste par le fait que la distance entre les points de coordonnées spatiales constantes, augmente avec le temps au lieu de rester constant.

bases théoriques et premiers tests

La loi de Hubble

L'expansion métrique de l'espace est une caractéristique de la plupart des solutions équations de champ d'Einstein de relativité générale et la distance est mesurée en utilisant l'intervalle de Lorentz. Cette explication théorique fournit une explication possible pour la La loi de Hubble, ce qui indique que galaxies plus loin d'un observateur, ils semblent se déplacer plus vite que les galaxies qui sont plus proches.

Dans un espace qui se développe, la métrique change avec le temps afin d'augmenter les distances avec le temps de plus en plus; Donc, si notre univers a été l'origine par Big Bang, Il est possible d'observer des phénomènes liés à l'expansion métrique de l'espace. Si notre univers à travers une période de contraction (c.-à-une étape qui peut conduire à Big Crunch) Il serait possible d'observer des phénomènes liés à la contraction de l'espace métrique.

constante cosmologique et équations Friedmann

Les premiers modèles de la relativité générale prédit qu'un univers dynamique et contenant de la matière ordinaire gravitationnel devraient réduire plutôt que se développer. La première proposition d'Einstein pour une solution à ce problème a été avec l'ajout d'un constante cosmologique au sein de sa théorie pour compenser la contraction, de façon à obtenir une solution avec un univers statique. Mais en 1922, Alexander Friedman Il dérive les équations connues sous le nom équations de Friedmann, qui montrent que l'univers peut se développer et avoir la vitesse de cette expansion.[7] Les observations de Edwin Hubble en 1929 a montré que les galaxies les plus lointaines semblaient se éloigner de la Terre, tant de scientifiques ont commencé à accepter le fait que l'univers était en expansion.

L'utilisation de l'inflation pour expliquer l'expansion

Avec le passage du temps, le fait que l'univers est en expansion, il est devenu un fait reconnu et accepté. Jusqu'à ce que les développements théoriques années quatre-vingt, il n'y avait aucune explication quant à la raison pour laquelle cette expansion se produise, mais avec des modèles de développements concernant la 'l'inflation cosmique, l'expansion de l'univers est devenu une caractéristique générale résultant de faux vide. La raison de cette expansion est maintenant justifiée par les détails du processus de désintégration inflationniste qui a eu lieu dans les premiers instants de l'univers. On croit que, à cette époque, la mesure a augmenté de façon exponentielle, ce qui provoque l'expansion de la taille de l'univers par la taille d'un atome (10 -10 mètres) jusqu'à 100 millions années-lumière.

Espace d'extension métrique
L'expansion de l'univers se déroule dans toutes les directions fournies par constante de Hubble. Cependant, la constante de Hubble peut changer le passé et l'avenir, parce que cela dépend de la valeur observée de la densité critique (Ω). Avant la découverte de 'l'énergie sombre, on a cru que l'univers est dominé par la matière et par conséquent Ω, dans ce graphe correspond à la relation entre les données de densité de la matière première et de la densité critique ().

Mesure de la distance dans un espace métrique

icône Loupe mgx2.svg Le même sujet en détail: distance comobile.

Dans un espace qui se dilate, la distance est une grandeur dynamique qui change avec le temps. Il y a plusieurs façons de définir les distances en cosmologie, mais sont les plus courants distances comobiles.

La métrique ne définit que la distance entre deux points voisins. Afin de définir la distance entre deux points distants de façon arbitraire, vous devez spécifier les deux points et une courbe qui les relie. La distance entre ces points peuvent être trouvées en calculant la longueur de cette courbe. La comobile distance définit cette courbe sous forme de courbe en un temps constant cosmologique. Opérationnellement, les distances comobiles ne peuvent pas être mesurés par un seul observateur lié à la Terre. Pour déterminer la distance des astronomes des objets les plus lointains mesurent généralement la luminosité de chandelles standard, ou le décalage vers le rouge des spectres des galaxies et convertir ces mesures en distances en fonction de certains systèmes particuliers, comme espace-temps comme le modèle Lambda-CDM.

des tests d'observation

Cosmologistes, le développement de divers modèles de l'univers, Ils ont été inspirés par un petit nombre d'hypothèses, qui nous ont permis de comprendre que l'expansion métrique de l'espace est une caractéristique de l'univers. Les principes de base dans les modèles qui incluent l'expansion métrique sont:

  • la principe cosmologique, qui stipule que l'univers a la même dans toutes les directions (c.-à- isotrope) Et il a à peu près les mêmes propriétés à chaque point (il est homogène).
  • la principe copernicien, qui indique qu'aucune position privilégiée dans l'univers est que l'univers n'a pas de « point de départ ».

Les scientifiques ont testé si ces hypothèses étaient valides et confirmées par des observations. Les cosmologistes ont découvert des preuves soutenant ces hypothèses et, par conséquent, l'expansion métrique de l'espace est considéré comme une caractéristique de l'univers, parce que même si vous ne pouvez pas voir directement, les vérifications fournissent diverses confirmations. Parmi les résultats les plus importants sont les suivants:

  • Edwin Hubble a montré que tous les galaxies et les objets astronomiques éloignés se détournent l'une de l'autre, que l'expansion cosmique prévu, en raison de la La loi de Hubble.[8] En calculant la décalage vers le rouge de leur spectre électromagnétique pour déterminer la distance et la vitesse de ces objets, il a montré que tous les objets se déplacent l'un de l'autre et que leur vitesse est proportionnelle à la distance, une caractéristique de dilatation métrique. D'autres études ont montré que l'expansion est isotrope et homogène, qui semble avoir aucun point privilégié le « centre » de l'expansion, mais il semble universel et indépendant de tout point « central » fixe.
  • La répartition isotrope du cosmos éclats et supernovae Il est une confirmation du principe cosmologique.
  • Le principe de Copernic n'a pas été vérifiée directement échelle cosmologique jusqu'à ce que vous avez mesuré les effets de rayonnement de fond cosmologique sur la dynamique des systèmes astronomiques les plus éloignés. Un groupe d'astronomes Observatoire européen austral Ils ont noté, en mesurant la température d'un nuage intergalactique en équilibre thermique avec le rayonnement de fond, le rayonnement provenant du Big Bang a été plus chaud dans le passé.[9] Le refroidissement uniforme du rayonnement de fond est produite en milliards d'années est explicable que si l'univers subit une expansion métrique.

La seule théorie qui explique ces phénomènes constamment dans son ensemble, est basé sur l'expansion de l'espace en raison d'un changement de la métrique. En fait, jusqu'à ce que la découverte deux mille ans preuve directe des changements de température dans le rayonnement de fond cosmologique, il n'a pas été possible d'exclure les bâtiments et les hypothèses les plus bizarres. Jusqu'à ce moment-là, on croyait que l'univers ne se comportait pas comme voie lactée placé au centre d'une métrique fixe par expansion universelle de galaxies dans toutes les directions (tels que, par exemple, en Milne modèle).

Les scientifiques sont optimistes que les théories, basées expansion de l'univers sont corrects parce qu'ils ont dépassé les normes du méthode scientifique. En particulier, lorsque les calculs de physique sont basées sur les théories actuelles (y compris l'expansion métrique), ceux-ci semblent fournir des résultats et des prévisions qui, en général, sont compatibles avec les observations astrophysiques et celles concernant la la physique des particules. L'universalité spatiale et temporelle de lois physiques Il a été considéré, jusqu'à une époque très récente, une hypothèse philosophique fondamentale qui est maintenant testé par des limites d'observation de l'espace et le temps. Cette hypothèse est prise en grande considération parce que le niveau de précision et la grande quantité de mesures que les théories prédisent peuvent apparaître avec précision pour correspondre à la réalité visible. Le niveau de précision est difficile à quantifier, mais est similaire à celle présente dans le constantes physiques qui régissent la physique et l'univers.

notes

  1. ^ Tamara M. Davis et Charles H. Lineweaver, Confusion en expansion: les idées fausses d'horizons cosmologiques et l'expansion de l'Univers superluminal. astro-ph / 0310808
  2. ^ Alan B. Whiting, L'expansion de l'espace: Motion particule libre et le redshift cosmologique, en arXiv prépublication, 2004.
  3. ^ EF Bunn DW Hogg, L'origine cinématique du décalage spectral cosmologique, en arXiv prépublication, 2008.
  4. ^ Yu. V. Baryshev, Espace de développement: La racine des problèmes conceptuels de la physique cosmologique, en cosmologie pratique, vol. 2, 2008, pp. 20-30.
  5. ^ JA Peacock, Une diatribe sur l'espace en expansion, en arXiv prépublication, 2008.
  6. ^ Michał J. Chodorowski, Une conséquence directe de l'expansion de l'espace?, en Avis mensuels de la Société royale d'astronomie, vol. 378, 2007, pp. 239-244.
  7. ^ Friedman, A: Über die Krümmung des Raumes, Z. Phys. 10 (1922), 377-386. (Traduction Inglese en général Rel. Grav. 31 (1999), 1991-2000.)
  8. ^ Hubble, Edwin, "Une relation entre la distance et la vitesse radiale entre extra-galactique Nebulae« (1929) Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, Volume 15, Numéro 3, pp. 168-173 (article complet, PDF)
  9. ^ Les astronomes ont rapporté leurs mesures dans un article Décembre 2000 dans la revue nature intitulé La température de fond de micro-ondes au redshift de 2,33771 qui peut être lu ici. un communiqué de presse Classé 15 juin 2006 sur l'Internet Archive. venant de l'Observatoire européen austral explique les résultats au public

bibliographie

  • Eddington, Arthur. « Grand Débat » de l'astronomie, 1900-1931: L'expansion de l'Univers. Press Syndicate de l'Université de Cambridge, en 1933.
  • Liddle, R. Andrew et David H. Lyth. Cosmologique L'inflation et la structure à grande échelle. Cambridge University Press, 2000.
  • Lineweaver, Charles H. et Tamara M. Davis, "Les idées fausses sur le Big Bang" Scientific American, Mars 2005.
  • Mook, Delo E. et Thomas Vargish. A l'intérieur Relativité. Princeton University Press, 1991.

Articles connexes

  • Big Bang
  • L'inflation cosmique
  • univers accélérer

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