Comment les scientifiques ont-ils déterminé la taille de l'univers?

Quelle est la Taille de la Terre ? - #03 Science (Mai 2019).

Anonim

Quand certaines personnes regardent dans le ciel nocturne, cela peut être une expérience incroyablement paisible - une expérience qui inspire un sentiment de clarté (ou d'insignifiance). Cependant, pour ces gens curieux sans fin sur cette planète, regarder dans les étoiles semble ramener un flot infini de questions et de mystères. Que se passe-t-il de l'autre côté de l'horizon des événements? Qu'est-ce que la matière noire et que diable fait-elle? Quelle est la taille de l'univers?

Nous pouvons répondre à cette dernière question (au moins sur ces trois questions), bien que l'explication ne soit pas la chose la plus facile à comprendre du monde. Sans entrer dans trop de sujets tangentiels ou périphériques en astrophysique, essayons aussi simplement que possible de répondre à cette question: comment les scientifiques savent-ils quelle est la taille de l'univers?

Réponse courte: En fonction de divers outils de mesure à différentes plages de distance (trigonométrie, parallaxe, bougies standard, luminosité des supernovae, décalage rouge galactique et fond hyperfréquence cosmique), il est possible de créer une échelle de distance cosmique et de déterminer avec précision non seulement la distance. des galaxies lointaines, mais aussi la taille actuelle de l'univers.

Comment les distances dans l'espace sont-elles mesurées?

Si vous connaissez la taille de l'orbite terrestre, alors en fonction de l'angle de la lumière dans ces deux mesures, il sera possible de calculer la distance (Merci, Théorème de Pythagore!). Cependant, plus une étoile est éloignée, moins elle aura de décalage, rendant la mesure de cet angle impossible, ce qui signifie que le prochain barreau de l'échelle est requis.

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Bougies standard - Une fois que vous avez dépassé les limites de la trigonométrie en tant qu'outil utile, les astronomes comptent sur des étoiles appelées Céphéides, qui sont assez courantes et très brillantes. Découvertes pour la première fois en 1794, ces étoiles particulières ont tendance à pulser, à s'assombrir et à devenir plus brillantes de manière régulière. Il est intéressant de noter que plus une céphéide met longtemps à pulser, plus l’étoile est brillante, et plus la période de pulsation est courte, plus la céphéide diminue.

En mesurant les Céphéides à proximité avec la méthode de parallaxe (expliquée ci-dessus), puis en comparant la durée de leur période de pulsation à celles des Céphéides les plus éloignées, il est possible de déterminer la véritable luminosité de ces étoiles et de calculer ainsi leur distance. Les céphéides dans notre galaxie et au-delà (jusqu'à 80 millions d'années-lumière de distance) sont connus comme des bougies standard et peuvent être utilisés comme indicateurs de distance standard, formant un autre barreau essentiel de l'échelle de distance cosmique.

Supernovae - Bien que 80 000 000 années-lumière semblent une distance incroyablement grande, l’univers est 1 000 fois plus grand que cela, ce qui signifie qu’il faut un autre échelon sur l’échelle. Les supernovae sont extrêmement utiles ici, principalement celles qui proviennent de systèmes d'étoiles binaires particuliers. Dans ces systèmes à deux étoiles, une étoile meurt et devient un nain blanc, tandis que l’autre étoile survit. Le nain blanc commence alors à se nourrir de l'étoile vivante, grossissant jusqu'à atteindre exactement 1, 4 fois la masse de notre soleil.

À ce stade, il y a une explosion massive, si grande qu'elle peut être vue à travers la moitié de l'univers observable, libérant plus d'énergie que des galaxies entières . Ceci est connu comme une supernova de type 1A. Puisque nous connaissons la quantité de masse qui explose, les astronomes peuvent calculer la luminosité absolue de cette explosion, et donc la distance cosmique approximative qui les sépare de ces galaxies lointaines.

Redshift - À des distances encore plus grandes - en dizaines de milliards d'années-lumière - un élément appelé la constante de Hubble entre en jeu. Nommé d'après Edwin Hubble, il s'agit de l'unité de mesure de l'expansion de l'univers. Maintenant, c’est là que toute cette conversation devient un peu plus déroutante. Cela peut être difficile à comprendre, mais non seulement l'univers est en expansion dans toutes les directions en même temps, à un rythme toujours croissant, mais l' espace entre les différents objets de l'univers est également en expansion . Cette expansion (et accélération) inter-objet est liée à l'énergie noire, ce qui dépasse le cadre de cet article, mais il suffit de dire que tout s'éloigne de tout le reste et qu'il se déplace de plus en plus vite.

Ce taux d'expansion est actuellement d'environ 72 à 74 kilomètres par seconde par mégaparsec (3, 26 millions d'années-lumière). Par conséquent, plus vous regardez loin, plus les galaxies s'éloignent rapidement de nous. Pour déterminer la distance des galaxies extrêmement éloignées, vous devez mesurer le décalage vers le rouge de la galaxie afin de déterminer la vitesse à laquelle celle-ci s’éloigne de nous.

Lorsque Hubble a examiné la lumière des galaxies lointaines à travers un prisme, il a observé un «décalage vers le bas» qui s’éloignait d’une variable connue pour la couleur. Pour ceux qui ne le savent pas, quand on regarde la lumière d'un objet s'éloignant de vous, la lumière paraît plus rouge, car elle étend l'énergie du spectre électromagnétique. D'autre part, lorsque vous regardez la lumière provenant d'un objet qui se déplace vers vous, le spectre magnétique sera compressé et il y aura un «décalage blues». Pour la grande majorité des galaxies observées par Hubble, il a découvert qu'elles avaient ce décalage vers le rouge, ce qui signifie qu'elles s'éloignaient de nous. En traçant différents décalages vers le rouge et des distances connues sur un graphique, il est devenu possible de déterminer la distance de galaxies extrêmement éloignées avec une précision relativement élevée.

Fond de micro-ondes cosmique - Il s’agit de l’outil de mesure final . Il sert essentiellement de base pour les distances dans l’univers. Le fond cosmique hyperfréquence (CMB) est le reste des radiations des tout premiers instants qui ont suivi le Big Bang (le premier terme est un terme relatif, environ 400 000 ans après le Big Bang). Ce rayonnement est le rayonnement le plus ancien et le plus éloigné jamais détecté, dans l’espace «vide» entre les étoiles. Cette ligne de base situe l’âge de l’univers à environ 13, 7 milliards d’années.

Cela signifie essentiellement que le recul le plus lointain que nous puissions voir est de 13, 7 milliards d’années, car il a fallu 13, 7 milliards d’années pour que la lumière (se déplaçant à la vitesse de la lumière) nous parvienne. Par conséquent, «l'univers observable» a un rayon de 13, 7 milliards d'années-lumière et un diamètre d'environ 27, 5 milliards d'années-lumière.

Cependant, l’univers connu n’a pas un rayon de 13, 7 milliards d’années-lumière. Repensez à la constante de Hubble et à sa mesure de l'expansion de l'univers. La lumière du CMB qui atteint nos yeux en ce moment voyage depuis 13, 7 milliards d’années, mais l’univers a également grandi entre-temps, poussant le «bord» de l’univers connu plus loin encore, même si nous ne pouvons pas voir techniquement aussi loin. En utilisant la constante de Hubble, nous pouvons calculer l’origine de ces photons et la réponse est stupéfiante: 46 milliards d’années-lumière! Cela signifie que «l'univers connu» a un diamètre de 92 milliards d'années lumière!

Clairement, calculer des distances de cette ampleur peut faire basculer le cerveau au-delà du domaine de la compréhension humaine. Heureusement, avec l'échelle de distance cosmique en place et de nombreux astronomes connaissant bien ce type de mesures, nous sommes en mesure de suivre de près l'évolution de l'univers - ainsi que notre place à l'intérieur!

Références: