Astrophysique.

Je lisais hier une discussion sur le forum de Futura Sciences, et une personne se posait la question suivante, « comment se fait-il que nous puissions voir des galaxies situées a 20 milliards d’années lumières, sachant que l’univers n’a que 13,7 milliards d’années? »

Tout d’abord, l’année lumière est une mesure de distance, et non de temps. Elle équivaut en réalité à la distance parcourue par la lumière en une année, qui vaut 9,46×10¹⁵ m. C’est une mesure de distance plutôt destinée au grand public, qui est plus parlante que des des milliards de milliards de milliards de km… Les professionnels utilisent plutôt le parsec comme unité de mesure.

Afin d’avoir un ordre de grandeur, voici quelques distances calculées à partir de la terre, en années lumière :

En cosmologie, à cause de l’expansion de l’univers, il existe 4 échelles de distances

• Distance de luminosité :
  Elle exprime la distance d’un objet astronomique en analysant la luminosité.
• Distance angulaire :
  Elle exprime la distance d’un objet astronomique au moment où sa lumière a été émise.
• Distance Cosmobile :
  Elle exprime la distance actuelle d’un objet astronomique.
• Distance propre, ou distance propre de propagation des photons :
  Elle exprime le temps mis par la lumière pour nous atteindre.

Schéma : distance angulaire, distance propre, et distance cosmobile, exprimées en années lumières

Ci-dessous, un tracé de ces quatre échelles de distance en fonction du redshift. Le redshift est une mesure de la vitesse provoquée par l’expansion de l’univers – une galaxie avec un grand redshift se situe plus loin qu’une galaxie avec un petit redshift.

La Distance de Luminosité (DL) nous montre pourquoi il est si difficile de voir les galaxies les plus lointaines – une protogalaxie très lointaine avec un redshift de 15 nous apparaitrait comme si elle se trouvait éloigné de 560 milliards d’années lumière, même si sa Distance Angulaire (DA) nous dit qu’elle était à 2.2 milliards d’années lumière lorsqu’elle a émis la lumière que nous voyons maintenant. La Distance Propre des Photons (DLT) nous indique que cette protogalaxie aurait voyagé pendant 13.6 milliards d’années entre le moment où elle a émis sa lumière et maintenant. Enfin la Distance Comobile (DC) nous dit que cette même galaxie aujourd’hui, si nous pouvions la voir, serait à environ 35 milliards d’années lumière de nous.

On remarque sur ce graphique que la distance propre ne peut aller au delà de 14 milliards d’années. Cela s’explique simplement du fait que notre univers a un âge fini, environ 14 milliards d’années, la lumière des objets célestes situés au-delà de l’horizon n’a pas eu le temps de parvenir jusqu’à nous et ces objets sont donc invisibles. C’est donc la limite de la taille observable de l’univers.

Cependant, cette limite n’exprime pas la fin de l’univers. La lumière voyageant à la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde, chaque seconde de temps qui s’écoule nous fait découvrir une profondeur d’espace nouvelle de 300 000 kilomètres. De la sorte, en une année, quelques galaxies nouvelles supplémentaires se découvrent à notre vue. Appréhender la seule partie observable de l’Univers n’est pas appréhender la réalité de l’Univers dans son ensemble.

C’est une autre question de savoir à quelle distance géométrique se situent actuellement les objets dont nous recevons la lumière, 14 milliards d’années après qu’ils l’ont émise. Pour déterminer cette distance, il faut adopter un modèle d’univers et connaissant la vitesse d’expansion de l’espace en déduire la distance dont se sera éloigné l’objet considéré depuis l’émission des photons. Dans le cadre du modèle standard de la cosmologie la distance actuelle de l’horizon cosmologique est de l’ordre de 45 milliards d’années-lumière.

En espérant que ceci vous aidera à mieux appréhender la notion des distances en cosmologie !

Sources :
atuniverse, traduit de atlasoftheuniverse – Richard Powell
Univers observable