Quelle est la forme physique et géométrique de l'univers?


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Je ne pose pas de question sur la balle théorique, contre la selle, contre la surface plane qui n'est qu'une métaphore avec un espace 2D.

C'est difficile à dire car nous en voyons très peu, et nous les voyons dans le passé parce que la lumière voyage si longtemps. Mais ce que nous savons, c'est qu'il se gonfle (n'explose pas comme on pourrait le penser du nom du "big bang").

À quoi ressemblerait l'univers, si nous le gelions dans un instant, est-il susceptible d'être un ballon ou un ballon de rugby, un cône ou une sorte de forme irrégulière?

Est-il rempli de galaxies, de poussière, de trous noirs ou vit-il sur les bords de sa forme 3D et la partie centrale est "vide"?

At-il un trou noir géant ou une étoile au milieu autour de laquelle tout tourne?


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Cette question est confuse, car elle dépend d'une certaine notion privée de "forme géométrique" qui n'est pas clarifiée. La forme géométrique de l'univers à tout moment du temps cosmologique est plate , et ce n'est pas "juste une métaphore avec un espace 2D". Ou plutôt, la partie que nous voyons est assez plate, donc si une version du principe copernicien est supposée, elle a la forme d'un espace Euclidien standard . Si ce n'est pas supposé, alors aucune réponse à la forme géométrique à grande échelle ne peut être donnée. 3
Stan Liou

OK, s'il a la forme d'un "espace euclidien standard à 3 espaces", quel type de forme aurait-il?
Ska

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Eh bien, il est en effet plat, ce qui signifie que la géométrie euclidienne peut être utilisée. Puisque la lumière se déplace à un taux fini et que l'univers n'est pas infiniment vieux, notre «bulle» de substance observable dans l'univers aurait la forme d'une sphère centrée sur nous. Cependant, le centre de la sphère changerait si vous décidiez de vous déplacer vers une autre partie de l'univers. L'univers est-il infini? Ceci n'est pas connu, car nous ne pouvons pas voir passé notre horizon d'observation.
astromax

.. Nous ne pouvons pas non plus voyager suffisamment loin pour tester cela, je dois ajouter.
astromax

Réponses:


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La géométrie et la topologie globales de l'univers ont été étudiées par la mission Planck. Certains résultats sont décrits dans cet article . Les résultats définitifs ne sont pas encore disponibles.

Un extrait:

Nous avons calculé la probabilité bayésienne pour des modèles topologiques spécifiques dans des univers avec des géométries localement planes, hyperboliques et sphériques, qui ne montrent aucune preuve d'une topologie à connexions multiples avec un domaine fondamental dans la dernière surface de diffusion. Après calibration sur simulations, les recherches directes de cercles correspondants résultant de l'intersection du domaine topologique fondamental avec la surface de la dernière diffusion donnent également un résultat nul à haute con fi ance ... La future mesure Planck de la polarisation CMB nous permettra de tester plus des géométries anisotropes et des topologies non triviales et peuvent fournir des conclusions plus définitives, par exemple en nous permettant d'étendre modérément la sensibilité à la topologie à grande échelle.

La quantité d'anisotropie de l'univers va être déduite du fond micro-ondes cosmique (CMB).

Fond cosmique micro-ondes, déduit des données de Planck, crédit d'image: Agence spatiale européenne, collaboration Planck

Crédit d'image: Agence spatiale européenne, collaboration Planck

Des images à résolution plus élevée du CMB peuvent être trouvées ici

L'univers est à peu près un espace-temps à 4 dimensions avec le big bang comme singularité. Il n'a pas de bords dans l'espace 3D lorsque vous voyagez. En regardant vers le passé, la frontière, si vous aimez l'appeler comme ça, c'est le big bang. Le big bang nous regarde sur Terre comme étant à une distance de 13,81 milliards (13,81e9) d'années-lumière dans n'importe quelle direction. Ou être 13,81 milliards d'années dans le passé, car la lumière avait besoin de ce temps pour nous rejoindre. Mais nous ne pouvons pas voyager vers cette frontière, car l'univers se dilate plus vite que nous (ou la lumière) ne pouvons voyager. Nous avons dû voyager dans le passé ou plus vite que la lumière pour y arriver, peu importe dans quelle direction spatiale.

Il n'y a pas de trou noir au centre de l'univers, mais le big bang, si vous voulez l'appeler le centre d'un espace-temps de 4 jours.

L'univers, lorsqu'on regarde un âge fixe de 13,81 milliards d'années par exemple, est rempli de façon presque homogène de galaxies à très grande échelle. Localement, les galaxies sont regroupées en amas et superamas. Les superamas forment une sorte de réseau 3D. Mais il n'y a pas de régions totalement vides. Il y a toujours du gaz ou de la poussière ou du plasma ou des rayons cosmiques qui se déplacent rapidement, des neutrinos, etc.

Si vous pouviez arrêter l'expansion de l'univers à un moment cosmique donné , vous vous verriez dans l'une ou l'autre direction à peu près à la même distance et à peu près dans le même passé. (Une telle structure est appelée 3 sphères . La surface d'une 4 billes est un exemple de 3 sphères. Cette vidéo YouTube essaie de visualiser une 3 sphères rotative.)

En raison de l'expansion rapide de l'espace-temps, la lumière ne peut pas voyager assez rapidement dans l'univers pour que cela soit possible. Par conséquent, nous pouvons au mieux revenir sur le big bang, quelle que soit la direction dans laquelle nous regardons. La lumière a besoin de plus de temps pour voyager dans l'univers car l'univers existe après le big bang.


Ok, pour simplifier au point le plus bas que je peux imaginer. L'univers s'est gonflé à la taille d'environ un système solaire à la fin de la période d'inflation, quelque part entre 10 et 32 ​​secondes. Était-ce plutôt un disque ou une forme de boule, ou autre chose?
Ska

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Autre chose: ressemblant grossièrement à la surface tridimensionnelle d'une sphère à quatre dimensions, mais pas tout à fait symétrique. La forme précise n'est pas exactement connue, mais probablement pas trop déformée, comme un tore, un cube ou un dodécaèdre. Cela fait toujours l'objet d'une enquête; des résultats plus précis sont attendus d'ici quelques années, lorsque la polarisation du CMB sera analysée.
Gerald

"Ni la recherche dans les cercles dans le ciel ni la méthode de vraisemblance ne permettent de trouver une topologie à connexions multiples" de l'article de Planck, la section 6.1 signifie qu'il ne s'agit pas d'un tore ou d'un objet plus complexe avec des trous.
Gerald

Explication des espaces simplement connectés: en.wikipedia.org/wiki/Simply_connected_space .
Gerald

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... aurait dû commencer; la version américaine fonctionne toujours pour moi: youtube.com/embed/6cpTEPT5i0A?list=PL3C690048E1531DC7
Gerald

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Ok, vous avez peut-être des idées fausses.

L'Univers n'a pas de centre du tout. Il a la même apparence du point d'avaery, partout où vous regardez. Il est approximativement comme suit:

Filaments de densité

Cette image représente une boîte à très grande échelle sur notre univers à l'heure actuelle (pas à l'heure perçue, basée sur la lumière reçue). Bien sûr, ce n'est qu'une simulation informatique. Chaque point représente un amas de galaxies.

Vous devez donc imaginer un espace tridimensionnel infini rempli de structures filamenteuses comme celles-ci. Et infini signifie qu'il n'a pas de limites, donc il n'a pas de forme "externe". Pas de ballon, de rugby ni de cône là-bas. De plus, la forme extérieure n'est pas irrégulière, juste infinie. Chacune de ces formes a une frontière 2D sur un espace 3D, mais l'univers n'a pas de frontière.


D'où vient cette simulation et où serait-elle une Voie lactée environ? De ce modèle, il ressemble beaucoup à une forme cubique, pas infinie du tout, pas à ce stade du moins. Peut-être que cela peut être considéré comme infini en fonction de la vitesse de l'inflation: curious.astro.cornell.edu/question.php?number=575 , mais à tout moment donné, ce n'est pas le cas. Et bien que de l'extérieur, il n'y ait pas d'espace-temps, donc pas de forme , nous «savons» toujours que les galaxies assemblées, aussi grandes soient-elles, sont assemblées selon un certain modèle, formant une certaine «forme».
Ska

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Être infini n'implique pas de n'avoir aucune frontière (pas en soi du moins). @Ska: si vous cherchiez la distribution des galaxies, vous auriez dû le demander directement.
Stan Liou

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Soit dit en passant, cette boîte que les gens utilisent pour exécuter des simulations est périodique (les particules qui partent d'un côté apparaissent de l'autre). @Ska Le fait qu'ils aient choisi un cube pour représenter un morceau de l'univers dont ils veulent se renseigner n'a aucune importance. En outre, que l'univers est "infini" n'est pas quelque chose que n'importe qui peut prouver. L'expansion de l'espace-temps semble se produire partout, mais cela ne signifie pas que l'univers est infini.
astromax

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@Ska: votre hypothèse est erronée; l'espace n'a pas et n'a jamais eu de frontière dans aucun modèle cosmologique compatible avec ce que nous savons de la gravité (la mise en garde est que notre connaissance de la gravité dans l'univers très précoce est complètement incertaine). Cependant, il y avait (et il y a) un horizon qui définit la limite d'observation possible, comme l'astromax l'a dit plus haut. Mais il n'y a rien de spécial physiquement là-bas; chaque point dans l'espace a son propre horizon.
Stan Liou

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@Ska: Oui, un appartement 3-torus est une géométrie possible, mais la géométrie n'a pas à être "répétitive" dans le sens de s'enrouler sur elle-même. Il n'est pas nécessaire que ce soit un tore. Au-delà de l'horizon pourrait être un espace euclidien au lieu d'un tore plat. Ou il pourrait y avoir des licornes roses. Ou autre chose. Le point de l'horizon est que nous ne savons pas ce qu'il y a au-delà. (Mais si l'on suppose que l'univers est globalement isotrope, alors ce ne peut pas être un tore.)
Stan Liou
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