UNIVERS OBSERVABLE



COURS DE COSMOLOGIE

1. Modèle cosmologique newtonien

1.1. Principe cosmologique

1.2. Loi de Hubble

1.3. Équations de Friedmann

1.3.1. Constante cosmologique

1.3.2. Densité critique

2. Modèles d'Univers de Friedmann-Lemaître

2.1. Modèle euclidien

2.2. Modèle sphérique

2.3. Modèle hyperbolique

2.4. Univers observable

3. Rayonnement fossile

4. L'Univers Trou Noir

Nous avons déterminé plus haute une estimation actuelle de l'âge de l'Univers comme pouvant être interprétée comme l'inverse de la constante de Hubble ce qui nous a donné :

equation   (51.116)

soit environ 13 milliards d'années.

Remarques:

R1. Nous noterons que les articles populaires et professionnels de recherche en cosmologie emploient souvent le terme "Univers" dans le sens de "Univers observable".

R2. Il faudrait au fait être plus rigoureux lorsque nous parlons d'âge de l'Univers. Au fait, nous devrions plutôt dire que l'âge de l'Univers, pour un observateur comobile depuis les époques les plus reculées, est de 13 milliards d'années. En clair, c'est l'âge que mesurerait quelqu'un qui serait resté observateur inertiel (en chute libre : ne subissant aucune autre force que la gravitation) tout au long de l'évolution de l'Univers et dans un référentiel tel qu'il aurait toujours perçu cet Univers comme homogène et isotrope.

A ce jour, nous ne savons pas si l'Univers est fini ou infini, bien que la majorité des théoriciens favorisent actuellement un Univers infini.

L'Univers observable se compose ainsi de tous les endroits qui pourraient nous avoir affectés depuis le Big Bang (attention! malgré son nom, cette théorie du Big Bang n'a rien à dire sur le début! Elle se contente de décrire l'évolution et l'expansion de l'Univers), en tenant compte que la vitesse de la lumière est certainement finie. L'horizon cosmique se trouve quant à lui à une distance de 14 à 15 milliards d'années lumière selon les observations expérimentales de la fin du 20ème siècle.

La taille actuelle (la "distance comobile") de l'Univers observable est plus grande, puisque l'Univers a continué de s'étendre pendant le temps que la lumière met à nous parvenir, nous estimons qu'elle est d'environ ~40 milliards d'années lumière.

Ce chiffre peut être obtenu en prenant un objet visible qui est à 13 milliards d'années de notre Terre. Celui-ci aura donc mis 13 milliards d'années pour s'éloigner de nous, sa lumière aura mis 13 milliards d'années pour arriver jusqu'à nous et pendant ce temps de parcours de la lumière, il ce sera éloigné de 13 milliards d'années (puisque les objets à l'horizon cosmologique vont à la vitesse de la lumière). Soit un total de ~39 milliard d'années.

Celui-ci contiendrait d'après des estimations toutes heuristiques environ equation étoiles, répandues dans environ equation galaxies, elles-mêmes organisées en amas et super-amas de galaxies (le nombre de galaxies pourrait être encore plus grand, selon le "champ profond de Hubble" observé avec le télescope spatial Hubble.)

Cependant il est difficile de s'imaginer ce que cela représente. A ce titre, nous avons trouvé sur Internet une magnifique série d'illustrations (http://atunivers.free.fr) que nous vous proposons :

1. L'univers jusqu'à 13 milliards d'années lumière (l'Univers visible) :

equation
  (51.117)

Cette carte essaie de montrer l'ensemble de l'Univers visible. Les galaxies dans l'Univers ont tendance à se rassembler en vastes feuilles et "superamas" de galaxies, entourant de grands vides, ce qui confère à l'univers une apparence cellulaire. Parce que la lumière dans l'univers ne voyage qu'à une vitesse finie, nous voyons les objets sur le bord de l'univers quand celui-ci était très jeune, il y a 13 milliards d'années.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre de superamas de l'univers visible = 270'000
- Nombre de groupes de galaxies de l'univers visible = 500 millions
- Nombre de grandes galaxies de l'univers visible = 10 milliards
- Nombre de galaxies naines de l'univers visible = 100 milliards
- Nombre d'étoiles de l'univers visible = 2'000 milliards de milliards

2. L'Univers jusqu'à 1 milliard d'années lumière (les superamas voisins) :

equation
  (51.118)

Quelques chiffres (estimations) :

Les Galaxies et les amas de galaxies ne sont pas distribués régulièrement dans l'Univers. Au lieu de cela, ils sont rassemblés en de larges amas, feuillets et murs de galaxies séparés par de larges vides dans lesquels peu de galaxies semblent se trouver. La carte ci-dessus montre un certain nombre de ces superamas, y compris celui de la Vierge - un superamas plutôt petit dont notre galaxie fait partie. La carte entière représente à peu près 7% du diamètre de l'Univers visible. Les galaxies sont trop petites pour apparaitre individuellement sur cette carte, chaque point y représente un groupe de galaxies.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre de superamas jusqu'à 1 milliard d'années lumière = 80
- Nombre de groupes galactiques jusqu'à 1 milliard d'années lumière = 160'000
- Nombre de grande galaxies jusqu'à 1 milliard d'années lumière = 3 millions
- Nombre de galaxies naines jusqu'à 1 milliard d'années lumière = 30 millions
- Nombre d'étoiles jusqu'à 1 milliard d'années lumière = 500 millions de milliards

3. L'univers jusqu'à 100 millions d'années lumière (le superamas de la Vierge) :

equation
  (51.119)

Notre galaxie n'est qu'une parmi des milliers d'autres qui se trouvent à moins de 100 millions d'années lumière. La carte ci-dessus montre comment les galaxies tendent à s'amasser par groupes, le plus important des amas proches étant l'amas de la Vierge (Virgo), une concentration de plusieurs centaines de galaxies qui domine les groupes de galaxies environnants. Collectivement, l'ensemble de ces groupes est connu sous le nom de Superamas de la Vierge. Le second amas le plus riche de ce volume est l'amas du Fourneau (Fornax), mais il est bien moins riche que celui de la Vierge. Seules les galaxies brillantes sont dessinées ici, notre galaxie est le point tout au centre.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre de groupes de galaxies jusqu'à 100 millions d'années lumière = 160
- Nombre de grandes galaxies jusqu'à 100 millions d'années lumière = 2'500
- Nombre de galaxies naines jusqu'à 100 millions d'années lumière = 25'000
- Nombre d'étoiles jusqu'à 100 millions d'années lumière = 500'000 milliards

4. L'univers à moins de 5 millions d'années lumière (le groupe local de galaxies) :

equation
  (51.120)

La Voie Lactée est une des trois grandes galaxies du groupe appelé "Groupe Local" qui contient aussi plusieurs dizaines de galaxies naines. La plupart de ces galaxies sont portées sur cette carte, mais il faut noter que beaucoup de ces galaxies naines sont très peu brillantes, et qu'il y en a donc certainement d'autres à découvrir.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre de grandes galaxies à moins de 5 millions d'années lumière = 3
- Nombre de galaxies naines à moins de 5 millions d'années lumière = 36
- Nombre d'étoiles à moins de 5 millions d'années lumière = 700 milliards

5. L'univers jusqu'à 500'000 Années Lumière (les galaxies satellites) :

equation
  (51.121)

La Voie Lactée est entourée par plusieurs galaxies naines, qui contiennent chacune quelques dizaines de millions d'étoiles, ce qui est insignifiant comparé à la population de la Voie Lactée elle-même. La carte ci-dessus montre l'ensemble des galaxies naines les plus proches, elles sont liées gravitationnellement à la Voie Lactée, et gravitent autour d'elle en quelques milliards d'années.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre de grandes galaxies jusqu'à 500'000 années lumière = 1
- Nombre de galaxies naines jusqu'à 500'000 années lumière = 9
- Nombre d'étoiles jusqu'à 500'000 années lumière = 200 milliards

6. L'Univers jusqu'à 50'000 Années lumière (la Voie Lactée) :

equation
  (51.122)

Cette carte montre la Voie Lactée dans son ensemble - une galaxie spirale d'au moins deux cent milliards d'étoiles. Notre Soleil est profondément enfoui dans le Bras d'Orion à environ 26'000 années lumière du centre. Vers le centre de la Galaxie, les étoiles sont beaucoup plus proches les unes des autres qu'à la périphérie où nous vivons. Notez également la présence de petits amas globulaires bien en dehors du plan galactique, et la présence d'une galaxie naine voisine - dite du Sagittaire - qui est en train d'être lentement avalée par notre propre Galaxie.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre d'étoiles jusqu'à 50'000 années lumière = 200 milliards

7. L'Univers jusqu'à 5'000 Années lumière (le Bras d'Orion) :

equation
  (51.123)

Ceci est une carte de notre coin de la Voie Lactée. Le Soleil est situé dans le Bras d'Orion - un bras assez petit comparé au Bras du Sagittaire, qui se situe plus près du centre galactique. La carte montre plusieurs étoiles visibles à l'oeil nu, situées loin dans le bras d'Orion. Le groupe d'étoiles le plus marquant est composé des étoiles principales de la constellation d'Orion - de laquelle le bras spiral tire son nom. Toutes ces étoiles sont des géantes et supergéantes lumineuses, des milliers de fois plus lumineuses que le Soleil. L'étoile la plus brillante de la carte est Rho Cassiopeia - à 4'000 années lumière de nous, c'est juste une étoile à peine visible à l'oeil nu, mais en réalité c'est une supergéante 100'000 fois plus lumineuse que le Soleil.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre d'étoiles jusqu'à 5'000 années lumière = 300 millions

8. L'univers jusqu'à 250 Années lumière (le voisinage du Soleil) :

equation
  (51.124)

Cette carte indique les 1'500 étoiles les plus lumineuses situées à moins de 250 années lumière. Toutes ces étoiles sont bien plus lumineuses que le Soleil, et la plupart sont visibles à l'oeil nu. Environ un tiers des étoiles visibles à l'oeil nu sont situées à moins de 250 années lumière, même si cette zone ne représente qu'une toute petite partie de notre galaxie.

Quelques chiffres (estimations) :

- Nombre d'étoiles jusqu'à 250 années lumière = 250'000

9. L'univers jusqu'à 12.5 Années Lumière (les étoiles les plus proches) :

equation
  (51.125)

Cette carte montre toutes les étoiles jusqu'à une distance de 12.5 années lumière de notre Soleil. La plupart de ces étoiles sont des naines rouges - des étoiles avec une masse du dixième de celle du Soleil et une luminosité cent fois moins grande. Environ quatre vingt pour cent des étoiles de l'univers sont des naines rouges, et l'étoile la plus proche - Proxima du Centaure- en est un exemple typique.

Cette carte montre toutes les étoiles connues situées à moins de 20 années lumière. On y trouve un total de 77 systèmes contenant 110 étoiles.

equation
  (51.126)

Les distances entre les étoiles sont énormes. La distance du Soleil à Proxima Centauri est de 4.22 années lumière, soit quarante trillions de kilomètres. Marcher sur cette distance prendrait un milliard d'années. Même les sondes spatiales les plus rapides mettraient soixante mille ans pour faire le voyage. Il y a actuellement quatre sondes qui quittent le système solaire - Pioneer 10 et 11, et Voyager 1 et 2 mais nous perdrons vraisemblablement le contact avec elles d'ici une vingtaine d'années. Le schéma ci-dessous essaye de montrer ces distances en élargissant le champ depuis le système solaire intérieur jusqu'à Alpha du Centaure.

equation
  (51.127)


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