Pourquoi l'Univers observable est-il plus grand que son âge ne le suggère?

L'âge de l'Univers est estimé à 13,8 milliards d'années, et la théorie actuelle affirme que rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière, ce qui peut conduire à la conclusion erronée que l'univers ne peut pas avoir un rayon de plus de 13,8 milliards d'années-lumière.

Wikipedia traite de cette idée fausse comme suit:

Ce raisonnement n'aurait de sens que si la conception plate et statique de l'espace-temps de Minkowski sous relativité restreinte était correcte. Dans l'univers réel, l' espace - temps est courbé d'une manière qui correspond à l' expansion de l'espace , comme en témoigne la loi de Hubble . Les distances obtenues lorsque la vitesse de la lumière multipliée par un intervalle de temps cosmologique n'ont aucune signification physique directe. → Ned Wright, "Pourquoi la distance de temps de trajet léger ne doit pas être utilisée dans les communiqués de presse"

Cela ne clarifie pas les choses pour moi, et n'ayant aucune formation en sciences ou en mathématiques au-delà du lycée, approfondir la lecture de la loi de Hubble n'aide pas non plus.

L'explication d'un profane que j'ai vue offre une explication que l'Univers lui-même n'est pas lié par les mêmes lois que les choses qu'il contient . Cela aurait du sens - dans la mesure où ces choses peuvent - mais la citation ci-dessus ( «Les distances obtenues lorsque la vitesse de la lumière multipliée par un intervalle de temps cosmologique n'ont pas de signification physique directe» ) semble plus générale que cela.

Quelqu'un peut-il offrir (ou me diriger vers) une bonne explication de profane?

L'explication la plus simple pour laquelle la distance maximale que l'on peut voir n'est pas simplement le produit de la vitesse de la lumière avec l'âge de l'univers est que l'univers n'est pas statique.

Différentes choses (c'est-à-dire la matière contre l'énergie sombre) ont des effets différents sur les coordonnées de l'univers et leur influence peut changer avec le temps.

Un bon point de départ dans tout cela est d'analyser le paramètre Hubble, qui nous donne la constante de Hubble à tout moment dans le passé ou dans le futur étant donné que nous pouvons mesurer la composition actuelle de l'univers :

où les indicesm,γ,ketΛsurΩ seréfèrent aux paramètres de densité de la matière (sombre et baryonique), du rayonnement (photons et autres particules relativistes), de la courbure (cela n'entre en jeu que si l'univers s'écarte globalement d'être plat dans l'espace; les preuves indiquent qu'il est cohérent avec le fait d'être plat), et enfin l'énergie sombre (qui, comme vous le remarquerez, resteconstantequelle que soit la façon dont la dynamique de l'univers se déroule). Je dois également souligner que lanotation en indice0signifie telle que mesuréeaujourd'hui.

$$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$$ $m$$\gamma$$k$$\Lambda$$\Omega$$0$

Le dans le paramètre Hubble ci-dessus est appelé le facteur d'échelle, qui est égal à 1 aujourd'hui et à zéro au début de l'univers. Pourquoi les différents composants évoluent-ils différemment avec un ? Eh bien, tout dépend de ce qui se passe lorsque vous augmentez la taille d'une boîte contenant le contenu à l'intérieur. Si vous avez un kilogramme de matière à l'intérieur d'un cube de 1 mètre de côté et que vous augmentez chaque côté à 2 mètres, qu'arrive-t-il à la densité de matière à l'intérieur de ce nouveau cube? Elle diminue d'un facteur 8 (ou 2 3 ). Pour le rayonnement, vous obtenez une diminution similaire d' une densité de 3 en nombre de particules en son sein, et aussi un facteur supplémentaire d' $a$$a$$2^{3}$$a^{3}$$a$en raison de l'étirement de sa longueur d'onde avec la taille de la boîte, ce qui nous donne . La densité d'énergie sombre reste constante dans ce même type d'expérience de pensée.$a^{4}$

Parce que les différents composants agissent différemment lorsque les coordonnées de l'univers changent, il y a des époques correspondantes dans l'histoire de l'univers où chaque composant domine la dynamique globale. C'est assez simple à comprendre aussi. À petite échelle (très tôt), la composante la plus importante était le rayonnement. Le paramètre Hubble au début pourrait être très étroitement approché par l'expression suivante:

$$H(a) = H_{0} \frac{\sqrt{\Omega_{\gamma,0}}}{a^{2}}$$

Vers:

a=Ωγ,

$$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$$ nous avons une égalité matière-rayonnement, et à partir de ce moment nous avons maintenant la matière qui domine la dynamique de l'univers. Cela peut être fait une fois de plus pour l'énergie matière-obscurité, dans laquelle on constaterait que nous vivons maintenant dans la phase dominée par l'énergie sombre de l'univers. Une prédiction de vivre dans une phase comme celle-ci est uneaccélérationdes coordonnées de l'univers - quelque chose qui a été confirmé (voir:Prix ​​Nobel de physique 2011). $$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$$

Donc, vous voyez, il serait un peu plus compliqué de trouver la distance à l'horizon cosmologique que de simplement multiplier la vitesse de la lumière par l'âge de l'univers. En fait, si vous souhaitez trouver cette distance (officiellement connue comme la distance comoving à l'horizon cosmique), vous devrez effectuer l'intégrale suivante:

$$D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{\mathrm{d}z}{\sqrt{\Omega_{m,0}(1+z)^{3} + \Omega_{\Lambda}}}$$

$z_{e}$$\sim 1100$

En bref: les choses ne peuvent pas se déplacer plus rapidement que la lumière par elles-mêmes, mais elles peuvent se déplacer plus rapidement que la lumière en raison de l'expansion universelle. Plus ils s'éloignent, plus vite ils s'éloignent.

J'y pensais juste et voici l'explication de mon profane. Imaginez que vous tracez deux points sur une feuille de papier froissée, les points se déplacent, mais au fur et à mesure qu'ils se déplacent, le papier se `` non froissé '', la distance réelle entre les points sera supérieure à la somme des distances qu'ils ont voyagé.

L'explication complètement non scientifique ...

Imaginez l'univers comme un ballon. Deux corps commencent proches l'un de l'autre mais sur des surfaces opposées. L'expansion du ballon les éloigne les uns des autres à une vitesse égale et à un rythme tel que la lumière de l'un à son point de départ met presque toute l'histoire de l'univers à atteindre l'autre. La distance entre les deux MAINTENANT n'est pas le double de l'âge de l'univers - parce que vous ne pouvez pas voyager "à travers" le ballon - mais doit plutôt faire le tour de la surface du ballon ... 13,8 * PI milliards d'années-lumière = 43 milliards d'années-lumière.

Pas strictement correct, mais au moins évite de trop se soucier de l'astrophysique et de la cosmologie!