Existe-t-il d'autres preuves de l'expansion de l'univers en dehors du décalage vers le rouge?

La théorie de l'univers en expansion est si largement acceptée que le décalage vers le rouge est parfois utilisé comme mesure de la distance aux galaxies lointaines.

Mais est-il encore possible que le décalage vers le rouge soit provoqué par des phénomènes inconnus et non par des galaxies s'éloignant les unes des autres?

Existe-t-il une autre preuve (à part le décalage vers le rouge) que l'univers est en effet en expansion et que des galaxies lointaines s'éloignent de nous?

Oui, il existe des preuves d'expansion directes et sans décalage vers le rouge.

La température passée du rayonnement cosmique de fond des micro-ondes (CMBR) a été directement mesurée et s'est révélée être sensiblement plus élevée qu'elle ne l'est aujourd'hui. Sa réduction de la température au fil du temps est une preuve directe de l'expansion. Voici les détails:

Selon cet article , le CMBR était beaucoup plus chaud dans le passé ( synopsis moins technique ici ). Les chercheurs ont observé des raies d'absorption dans un nuage de gaz situé dans une galaxie éloignée et ont constaté que le motif des raies observées ne pouvait être expliqué que si la température du CMBR au moment de l'absorption était comprise entre 6 K et 14 K (c'est 3 K maintenant). Cette température est cohérente avec la température attendue pour le décalage vers le rouge de cette galaxie (9 K). Notez que la température a été mesurée à partir du motif spécifique des lignes vues et non à partir de combien les lignes avaient été décalées vers le rouge; cette mesure donnerait la même température même s'il n'y avait pas de décalage vers le rouge. Puisqu'une température plus chaude implique une densité plus élevée, ce refroidissement du CMBR au fil du temps est une preuve directe de l'expansion de l'univers.

Commentaires supplémentaires

• Quelle est la relation entre le décalage vers le rouge et les raies d'absorption?

  Inspiré d'une conversation avec uhoh dans les commentaires:

  Dans ma réponse, je me réfère à un "modèle" de "lignes d'absorption". Pour ceux qui ne connaissent pas le sujet, permettez-moi de vous expliquer.

  Lorsqu'une lumière brille à travers un nuage de gaz, des fréquences de lumière spécifiques sont absorbées. Lorsque cette lumière brille à travers un prisme, les fréquences bloquées apparaissent sous forme de lignes noires dans le spectre (voir l'illustration ci-dessous). Les raies exactes qui apparaissent et leurs positions dans le spectre (le "motif" des "raies d'absorption") dépendent des éléments présents dans le gaz et de l'environnement du gaz. L'effet est plus clairement visible avec une lumière qui émet des photons à toutes les fréquences; ce type de lumière est connu sous le nom de rayonnement du corps noir . Bien qu'il émette de la lumière à toutes les fréquences, un radiateur à corps noir émettra le plus de lumière à une longueur d'onde particulière; l'emplacement de ce pic est appelé température du corps noir.

  
  ^{Source: Doppler Shift , Edward L. Wright
  (Excellent site BTW, la FAQ vaut le détour pour plus d'informations sur les décalages vers le rouge et la cosmologie en général)}

  Au fur et à mesure que la lumière traverse l'espace (en expansion), sa longueur d'onde et les longueurs d'onde des raies d'absorption s'étendent à un taux fixe pour toutes les fréquences. Disons qu'au moment de l'émission / absorption, un spectre montre des raies à des longueurs d'onde de 1, 3 et 5 nm ¹ . Après que les photons ont voyagé pendant un certain temps, toutes les longueurs d'onde du spectre sembleront avoir doublé ² . La ligne autrefois à 1 nm est maintenant vue à 2 nm, celle autrefois à 3 nm est maintenant vue à 6 nm, et celle à l'origine à 5 nm est maintenant vue à 10 nm. Bien que leurs fréquences absolues changent avec le temps, le rapport des longueurs d'onde (et fréquences) des lignes les unes par rapport aux autres reste constant.

  La quantité précise de décalage d'un spectre d'un objet donné est directement corrélée à sa distance. Comme le montre le diagramme ci-dessus, les objets proches (comme le Soleil) ne présentent aucun décalage vers le rouge. En regardant de plus en plus les objets, on voit des quantités croissantes de décalage vers le rouge ³ .

  Dans la discussion dans la réponse ci-dessus, c'est ce schéma de positions relatives dans les lignes qui est affecté par la température CMBR au moment de l'absorption et non le degré de décalage des lignes.

  ^{$z=0$$z$$z$
  $z=1$
  $z$}

  Le mécanisme derrière le décalage vers le rouge n'est pas que les photons eux-mêmes changent mais plutôt que l'espace même dans lequel les ondes électromagnétiques se déplacent est en expansion. (Les photons sont à la fois des particules et des ondes; non, ce n'est pas exactement intuitif.) Cet étirement constant de l'espace étire la longueur d'onde de la lumière, provoquant à la fois l'effet du décalage vers le rouge et l'augmentation du décalage vers le rouge d'un photon donné au fil du temps.

  
  Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
   

• Comment le décalage vers le rouge est-il lié au CMBR?

  Dans les commentaires, Alchimista a demandé: "Le CMBR n'est-il pas en fait la quintessence du décalage vers le rouge de toute façon?"
  (Je suppose que vous utilisez le sens commun et non cosmologique de "quintessence")

  Oui, la température actuelle du CMBR (3 K) est généralement considérée comme le résultat de photons à relativement haute énergie (3000 K) émis environ 380 000 ans après le Big Bang et dont la longueur d'onde a été étirée dans le temps par l'expansion de l'Univers vers l'extrémité rouge (c'est-à-dire plus froide ou à faible énergie) du spectre. Cette expansion a été déduite par Hubble et al. de l'observation que les galaxies plus petites et plus faibles (vues depuis la Terre) ont un plus grand décalage dans leurs spectres. Plus la distance apparente est grande, plus le décalage observé est important. En utilisant ce décalage vers le rouge apparent en fonction de la distance, nous pouvons déduireque l'Univers était plus petit dans le passé et donc plus dense avec une température plus élevée pour le CMBR. Sur la base des déplacements rouges observés de galaxies éloignées, nous pouvons alors déduire, mais pas directement mesurer, quelle était la température CMBR à chaque distance.

  Les auteurs de l'article ci-dessus ont fait une mesure directe de la température du CMBR à un moment précis dans le passé. La température mesurée est plus élevée qu'elle ne l'est aujourd'hui ce qui implique un Univers plus dense et donc plus petit. Les chercheurs ont en outre découvert que la température directement mesurée correspondait parfaitement à celle déduite du décalage vers le rouge observé de la galaxie étudiée.

  En un mot, la chaîne d'inférence est inversée:

  • Pour un raisonnement basé sur le décalage vers le rouge:
    augmentation des décalages vers le rouge avec la distance apparente (mesurée directement) ⇒ Expansion ⇒ Univers plus dense dans le passé ⇒ Température CMBR plus élevée dans le passé.
  • Pour une mesure directe de la température passée (comme dans cet article):
    Température CMBR plus élevée dans le passé (mesurée directement) ⇒ Univers plus dense dans le passé ⇒ Expansion ⇒ Décalage rouge observé.
     

  Ces deux chaînes d'inférence basées sur différents ensembles de preuves se complètent et se soutiennent parfaitement.

  Une chose à noter est que le CMBR n'a pas été créé par expansion (du moins pas directement), mais plutôt par expansion qui explique sa température et son uniformité actuelles. Selon la théorie du Big Bang, le premier univers était très dense; si dense et chaud que toute la matière était un plasma de particules subatomiques, opaques aux photons. Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers s'était suffisamment refroidi (par expansion) pour que les protons et les électrons puissent se combiner pour former de l'hydrogène neutre (qui est transparent). Le CMBR est la lumière qui a été libérée à ce moment et qui se refroidit depuis.

Mais est-il encore possible que le décalage vers le rouge soit provoqué par des phénomènes inconnus et non par des galaxies s'éloignant les unes des autres?

Dans l'histoire, certaines théories alternatives ont été proposées, comme l' hypothèse de la lumière fatiguée , l'univers de l'état stationnaire, etc. Mais l'observation a exclu ces théories et d'autres .

Voir aussi Cosmologie alternative

Il n'y a pas d'autres méthodes raisonnablement directes, mais il existe certainement des méthodes indirectes. Premièrement, dans la réponse de @Alex Hajnal, les températures CMB plus élevées mesurées plus loin sont une très bonne mesure indirecte.

Un autre élément de preuve indirect, que personne n'a encore noté, est que, tandis que nous regardons de plus en plus loin, l'univers semble de plus en plus jeune, et de moins en moins semblable à ce que nous voyons dans notre quartier. Vous êtes à peu près obligé d'expliquer cela scientifiquement en disant que l'univers a commencé il y a environ 10 milliards d'années et que les étoiles et les galaxies n'ont commencé à se former qu'à ce moment-là. (Ce n'est pas la preuve d'un Big Bang en particulier, mais il élimine la plupart des alternatives à celui-ci. Le modèle Steady State, par exemple, est falsifié.) Il est très très difficile d'expliquer ce que nous voyons, sauf en raison de l'expansion d'un univers d'un état chaud et dense ca. 10 Il y a ¹⁰ ans.

Des preuves plus indirectes proviennent de la relativité générale, une théorie de l'espace, du temps et de la gravité qui est très bien vérifiée - elle est testée depuis un siècle et contestée par d'innombrables autres théories, et seul GR a passé tous les tests expérimentaux. GR prédit avec robustesse qu'un univers statique est impossible et qu'il doit être en expansion ou en contraction. Ceci est une preuve indirecte d'expériences principalement locales.

Pourtant, des preuves plus indirectes proviennent des calculs de nucelosynthèse qui montrent que les rapports H / He / Li que nous observons dans les étoiles les plus anciennes et les moins évoluées sont exactement ce que nous prévoyons en fonction de l'application des propriétés mesurées des noyaux à une boule de feu Big Ban.

Il y a tellement de science en dehors des décalages rouges qui indiquent que l'univers se développe à partir d'un état initial très chaud et dense que même sans l'observation des décalages rouges, nous serions finalement obligés de tirer cette conclusion.

$z$$(1+z)$

$1$

Notez cependant que ce n'est pas une vérification de l'Univers en expansion, seulement des galaxies qui s'éloignent les unes des autres. Si l'univers était statique, mais les galaxies déplacé dans l' espace, vous observez les processus dilatés par le même facteur, comme l'avait prédit spécial relativité. Il existe cependant d'autres preuves que les galaxies ne se déplacent pas dans un espace statique, mais se trouvent plutôt plus ou moins immobiles dans un espace en expansion.

Oui:

1. Distribution des données 1a supernova
2. Mesures WMAP du CMB
3. Levé du ciel galactique de Sloan (catalogue des galaxies)

L'important est que ces résultats ne disent pas seulement la même chose, mais ils se correspondent également .

OK, cette réponse implique des décalages vers le rouge, mais écoutez-moi.

Dans le cadre de la relativité générale, de multiples mécanismes peuvent créer des décalages vers le rouge: l'expansion de l'espace, des objets se déplaçant par rapport à un observateur (c'est-à-dire nous) et la lumière sortant bien de la gravité. Cette dernière option n'entre pas dans le cadre de cette question et la première est exclue de l'examen à la demande de l'intervenant. Cela ne laisse que la deuxième option (mouvement relatif, alias l'effet Doppler relativiste) à l'étude; ce déplacement peut être (et a été) testé ici sur Terre et il a été démontré qu'il existe.

$z=0.5$$z>1$$z=11.09$

Étant donné qu'aucun objet ayant une masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière, il est clair que les décalages vers le rouge observés ne peuvent pas être causés par un mouvement relativiste. Puisqu'il n'y a aucun mécanisme connu au-delà des trois énumérés ci-dessus qui peut provoquer des décalages vers le rouge dans les spectres (comparer l' extinction ), la seule explication correspondant à ces observations est l'expansion de l'espace. Succinctement, le fait que le rouge-quarts superluminiques observe tout est la preuve que l' espace est en pleine expansion.