Les objets très lointains ne devraient-ils pas paraître agrandis ?

 (astronomy.stackexchange.com)
1 points par GN⁺ 2023-08-21 | 1 commentaires | Partager sur WhatsApp
  • Dans l’expansion de l’Univers, les objets ne paraissent pas toujours plus petits à mesure que la distance augmente : au-delà d’un certain point, ils peuvent de nouveau sembler plus grands à cause du point de retournement de la distance de diamètre angulaire
  • Dans le modèle standard ΛCDM, ce point de retournement se situe vers un décalage vers le rouge d’environ 1,5, une distance d’environ 15 milliards d’années-lumière, et un temps de trajet de la lumière proche de 10 milliards d’années
  • Une galaxie observée 400 millions d’années après le Big Bang se trouve aujourd’hui à une distance d’environ 32 milliards d’années-lumière, mais sa taille apparente peut être comparable à celle d’une galaxie située à environ 2,7 milliards d’années-lumière
  • On peut l’interpréter ainsi : les galaxies proches paraissent grandes et lumineuses, les galaxies plus lointaines deviennent plus petites, puis les galaxies très lointaines redeviennent grandes, sombres et rouges
  • Ces distances sont des valeurs arrondies sensibles aux paramètres de l’expansion cosmique, et les exemples de calcul s’appuient sur le calculateur de Ned Wright

Point de retournement de la distance de diamètre angulaire

  • Le sujet part d’une question : si l’espace lui-même est en expansion, des objets extrêmement lointains ne devraient-ils pas paraître agrandis ?
  • L’exemple utilisé est celui d’une galaxie observée par JWST telle qu’elle était environ 400 millions d’années après le Big Bang
  • Le texte examine aussi si l’effet ne devient visible qu’au-delà de l’horizon observable, et dans quelle mesure l’échelle de l’espace à cette époque différait de celle d’aujourd’hui

Repères dans le modèle ΛCDM standard

  • Dans les modèles d’expansion cosmique, ce phénomène est bien réel et s’appelle Angular diameter distance turnaround ou turnover
  • Dans un modèle ΛCDM classique, le point de retournement se situe approximativement dans la plage suivante
    • décalage vers le rouge d’environ 1,5
    • distance d’environ 15 milliards d’années-lumière
    • temps de trajet de la lumière d’environ 10 milliards d’années
    • environ 4 milliards d’années après le Big Bang
  • Cette distance est plus grande qu’une conversion simple fondée uniquement sur le temps de trajet de la lumière, en raison de l’effet de l’expansion de l’espace
  • Ces valeurs doivent être considérées comme des arrondis, car elles sont sensibles aux paramètres de l’expansion cosmique

Exemple des galaxies primitives observées par JWST

  • Une galaxie observée environ 400 millions d’années après le Big Bang correspond aujourd’hui à une distance d’environ 32 milliards d’années-lumière
  • Si l’on ne considère que sa taille apparente, cette galaxie peut sembler comparable à une galaxie située à environ 2,7 milliards d’années-lumière
  • Cette valeur de calcul est utilisée comme exemple à partir du calculateur de Ned Wright

Ressources utiles pour la compréhension visuelle

À lire aussi

1 commentaires

 
GN⁺ 2023-08-21
Avis sur Hacker News

  • L’article pédagogique intitulé « Expanding Confusion » (2003) [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf est un classique sur le sujet et vaut la lecture.
    Essayer de garder en tête à la fois un univers en expansion accélérée du point de vue des objets [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n... et une vitesse de la lumière fixe et finie, dans une intuition euclidienne, peut donner le vertige.
    Il faut être prêt à prendre plaisir à dessiner des schémas et à obtenir laborieusement, à la main, des conclusions contre-intuitives.

  • Ça me rappelle ceci : https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
    Quand un objet se déplace à une vitesse relativiste, même s’il va en ligne droite en réalité, il peut sembler tourner pour l’observateur, et on peut même voir sa face arrière.

    • Cette vidéo https://www.youtube.com/watch?v=ge_j31Yx_yk explique la rotation de Terrell et d’autres effets dans un moteur de jeu.
    • L’explication n’est pas parfaitement claire, donc il m’a fallu un peu de temps pour comprendre, mais j’ai fini par saisir l’idée.
      C’est parce que la lumière émise par différentes parties de l’objet met des temps différents à atteindre l’observateur.
      La lumière venant de la partie la plus éloignée met plus longtemps, et pendant ce temps l’objet continue de bouger.
      Donc si l’on voit l’arrière de l’objet, c’est parce que, pendant que la lumière émise par cet arrière se déplace, l’arrière de l’objet s’écarte de la trajectoire de cette lumière.
    • Étonnant. J’ai vu beaucoup de vidéos sur la contraction des longueurs, mais je crois avoir rarement vu parler de ça.
      Cela veut dire que la forme d’un objet se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière ne semble pas « écrasée » à plat pour l’observateur, mais plutôt comme si elle avait tourné.
    • L’univers est vraiment bizarre. Celui qui l’a conçu ne devait pas beaucoup aimer le principe KISS.

  • Serait-il raisonnable de voir le fond diffus cosmologique comme la limite de ce phénomène ?
    Je me demande si on peut le considérer comme le vestige du Big Bang agrandi au maximum et décalé vers le rouge autant qu’il est possible de l’être aujourd’hui.

    • On pourrait sans doute construire une explication cohérente du fond diffus cosmologique dans ce sens, mais ce n’est pas l’explication habituelle.
      Dans cette alternative, le moment où l’univers est devenu transparent à la lumière serait légèrement antérieur au moment visible dans le fond diffus, et tout ce qui est « plus loin » que cela se serait produit hors de notre cône de lumière.
      Autrement dit, ce serait un « elsewhere » au sens technique (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf).
      Dans cette alternative, il semble aussi possible d’expliquer l’expansion de l’univers par l’attraction gravitationnelle entre la matière située hors de notre cône de lumière et celle qui est à l’intérieur.
      Il existe probablement des arguments expliquant pourquoi ce n’est pas le cas, mais je ne les connais pas bien.
      Il faudrait expliquer pourquoi ce moment précis de l’histoire.
      La distance maximale serait-elle constante, tandis que le point du « passé le plus lointain » avancerait dans le temps, faisant subtilement évoluer le fond diffus cosmologique d’une manière que nous n’avons pas encore remarquée ?
      Ou bien la vitesse de la lumière aurait-elle changé pour une raison quelconque à ce moment-là, coupant le reste de l’univers de notre champ de vision ?
    • Cela voudrait donc dire qu’en substance, un énorme bloc de fond diffus cosmologique avait la taille d’un atome au moment où il émettait de la lumière ?

  • Très bien. Il y a des sujets qu’on entend en cours et qu’on laisse passer sans trop y penser, sans se rendre compte à quel point ils donnent le vertige jusqu’à ce que quelqu’un dise « attendez une seconde » et s’y arrête.
    L’interprétation du vecteur de Poynting en est un exemple.

  • Allons un cran plus loin. En supposant qu’un télescope soit assez grand et que ses capteurs soient assez sensibles, à quoi ressemblerait la structure de l’univers le plus profond ?
    Existerait-il des structures antérieures à la formation des galaxies, plus petites que des galaxies mais occupant d’immenses régions du ciel ?
    Des structures d’une certaine époque du passé pourraient-elles occuper une surface si grande dans le ciel qu’il ne pourrait en « tenir » que quelques-unes, et si oui, pourrait-on expliquer de façon équivalente, par le calcul, que c’est parce que la région de l’univers observable à cette époque était d’autant plus petite pour nous ?

    • Le plus loin que nous puissions voir est une limite physique de l’univers. Nous voyons littéralement les premiers photons émis après que l’univers est devenu transparent, et c’est le fond diffus cosmologique.
      On peut facilement trouver de vraies images.
      Le problème est que, même si ce sont les photons les plus anciens que nous puissions voir, ils datent quand même d’une époque où l’univers avait environ 400 000 ans, et où sa largeur était d’environ 100 millions d’années-lumière.
      Cette image montre que l’univers était presque parfaitement homogène, et qu’il n’existait essentiellement pas de structures du type évoqué dans la question.
      Pour voir plus loin, il faudrait abandonner complètement les photons et probablement sonder l’univers très primordial avec des ondes gravitationnelles.
      Les ondes gravitationnelles devraient permettre de voir jusqu’à l’univers antérieur, totalement opaque.
      Aujourd’hui, avec les observatoires d’ondes gravitationnelles, nous ne pouvons « voir/entendre » que les événements les plus brillants et les plus bruyants de l’univers, mais le simple fait que ce soit possible est étonnant.
      L’humanité s’est en quelque sorte fabriqué un nouveau sens qu’aucun être vivant connu ne possède, et le projet LISA devrait permettre d’entendre bien davantage.

  • Intéressant. J’ai une question liée. Quand on observe Andromède, dont le diamètre est de 220 000 années-lumière, on la voit légèrement de côté.
    Puisque la galaxie s’est déplacée par rapport à nous pendant ces 220 000 années, les étoiles du bord arrière ne devraient-elles pas se trouver à des positions relativement différentes dans le ciel de celles du bord avant ?

    • Oui. Et évidemment, c’est effectivement le cas.

  • Ce qui me gêne toujours quand on observe des objets aussi lointains, c’est le délai temporel.
    Si la lumière met 4 années-lumière à parcourir une direction, c’est du point de vue d’un observateur au point de départ ; du point de vue du photon que nous observons, ce n’est pas beaucoup moins que 4 ans ? Peut-on même parler en « années » ?
    Donc, quand on regarde Alpha Centauri au télescope, est-ce vraiment Alpha Centauri il y a 4 ans que l’on voit ? Ce n’est pas beaucoup plus récent ?
    Ou alors, si une personne de 30 ans voyage d’Alpha Centauri à la Terre à la vitesse de la lumière, arrivera-t-elle à environ 31 ans, quatre ans plus tard, ayant en fait voyagé dans le futur ? Si elle repart immédiatement, les habitants d’Alpha Centauri rencontreront-ils, 8 ans plus tard, une personne d’environ 32 ans revenue ?
    Dans ce cas, l’idée de Superman voulant voyager dans le temps en volant très vite autour de la Terre était peut-être correcte, sauf que la direction n’était pas le passé mais le futur.
    Un jour, peut-être qu’un milliardaire tournera très vite autour du Système solaire pendant des décennies pour sauter environ un siècle.

    • À prendre avec des pincettes, je ne suis pas spécialiste.
      Un photon qui voyage entre Alpha Centauri et la Terre ne fait pas l’expérience du temps, donc il arrive en pratique instantanément.
      Mais nous, en tant qu’observateurs, voyons ce trajet comme ayant duré 4 ans.
      Que ce soit récent ou non est une question relative et n’a pas grand sens.
      Du point de vue du photon, c’est récent ; de notre point de vue, cette lumière a 4 ans.

  • Dans ce cas, ces objets devraient être plus difficiles à détecter. La lumière est répartie sur une zone plus large, donc la quantité de lumière atteignant chaque pixel du détecteur est moindre que si l’objet n’était pas agrandi.
    À l’inverse, cela signifie aussi qu’on peut voir des détails qui auraient été invisibles autrement.

  • C’est assez renversant. Le xkcd en lien illustre cet effet à merveille, peut-être même de façon exagérée.
    Les objets dans le miroir peuvent être plus éloignés qu’ils n’y paraissent.