Izotropie (cosmologie)

În cosmologie , conceptul de izotropie se aplică universului observabil pentru a indica faptul că structura sa pe scară largă rămâne aceeași indiferent de direcția de observare. Aceasta se referă la două concepte distincte:

pe de o parte, aceasta indică faptul că expansiunea Universului este izotropă, adică viteza aparentă de recesiune a galaxiilor situate la o distanță dată este aceeași indiferent de direcția de observare ( izotropă de expansiune ); invers, s-ar putea imagina o expansiune anizotropă, cum ar fi o rețea elastică care ar fi întinsă într-o direcție, dar nu în cealaltă, dar un astfel de fenomen nu este observat odată cu expansiunea universului,
pe de altă parte, indică, într-un mod mai general, că nu există nici o direcție privilegiată dezvăluită de observațiile cosmologice, care includ cataloagele galaxiilor , fundalul cosmologic difuz . În acest al doilea caz, în general vorbim de izotropie statistică , în sensul că abaterile observate de la omogenitate au o structură independentă de direcția de observare.

Izotropia universului observabil

Observațiile actuale indică faptul că expansiunea universului este izotropă în limitele a ceea ce este măsurabil în prezent. Nici rata de expansiune a universului, nici luminozitatea sau dimensiunea aparentă a obiectelor cerești nu prezintă variații semnificative la o distanță dată în funcție de direcția de observare. Până de curând ( 2003 ) universul era considerat statistic izotrop. Studiul detaliat al anizotropiilor fundalului cosmic difuz observat de satelitul WMAP a sugerat totuși câteva anomalii care ar putea fi interpretate ca o abatere de la izotropia statistică a universului. În 2020, observațiile independente și statistic robuste tind, de asemenea, să pună la îndoială izotropia expansiunii universului, dar metodologia utilizată este demolată în același an.

Unele modele cosmologice neizotrope

Neomogenitate și neizotropie

Nu trebuie confundate non-omogenitatea și non-izotropia. Există modele cosmologice neomogene, dar izotrope. Acesta este de exemplu cazul unui univers cu simetrie sferică în centrul căruia se află galaxia noastră . Acest univers văzut de pe Pământ ar fi izotrop, dar nu omogen. Pe de altă parte, ar fi neomogen și anizotrop pentru un observator situat suficient de departe de centru. Rețineți că o astfel de situație merge împotriva principiului copernican , deoarece presupune că observatorul ar fi într-o situație privilegiată (în centru și nu în altă parte).

Cu excepția ridicată mai sus, modelele neomogene apar în general neizotrope: neomogenitățile acestor modele sunt văzute în anumite direcții privilegiate. Modelele considerate mai jos sunt omogene (ceea ce observăm nu depinde de poziția observatorului), ci anizotrope.

Anizotropie de expansiune

În absența materiei, un univers omogen dar a cărui expansiune este anizotropă se spune că este de tip I în clasificarea Bianchi . Este descris de așa-numita metrică Kasner .

Anizotropia statistică

Un alt exemplu radical diferit de univers omogen, dar anizotrop, apare sub ipoteza că topologia sa nu este pur și simplu conectată . Cel mai simplu exemplu este cel al torului . Într-un tor, există direcții privilegiate care corespund direcțiilor torului. Într-un univers ale cărui secțiuni spațiale ar fi torice, aceste direcții privilegiate ar corespunde cu cele în care am putea vedea imaginile fantomă aproape de propria noastră galaxie.

Universul este izotrop?

Observațiile indică faptul că expansiunea universului observabil este izotropă. Acest fapt observațional se dovedește a nu fi evident: într-un univers plin de materie obișnuită ( materie barionică ), nu există niciun motiv pentru care universul să fie omogen și izotrop. Se așteaptă chiar să pară din ce în ce mai neomogen pe scară largă. Această situație paradoxală este cunoscută sub numele de problema orizontului . Rezolvarea acestei probleme în cadrul Modelului standard de cosmologie presupune existența unei faze de expansiune rapidă foarte devreme în istoria universului, numită inflație cosmică . În acest context, universul ar fi foarte neomogen la o scară foarte mare, dar scara la care universul devine neomogen este, din cauza fazei de inflație, fantastic mai mare decât dimensiunea universului observabil.

Un studiu al razelor X din 1.155 grupuri de galaxii de către sateliții XMM-Newton , Chandra și ROSAT arată anizotropia universului. În coordonatele galactice , valoarea constantei Hubble este de 65 km / s / Mpc în direcția (l, b) = (303 °, -27 °) și 77 km / s / Mpc în direcția (l, b) = (34 °, 28 °).

Note și referințe

Cărți specializate despre cosmologie

Vezi de exemplu Glenn D. Starkman și Dominik J. Schwarz , Is the Universe Out of Tune? , Pour la Science , n o 35 (septembrie 2005), p. 28-36, precum și articole de specialitate:
- (ro) Angelica de Oliveira-Costa , Max Tegmark , Matias Zaldarriaga și Andrew JS Hamilton , Semnificația fluctuațiilor CMB la cea mai mare scară în WMAP , Physical Review D 69 , 063516 (2004), astro-ph / 0307282 ( vezi online )
- (ro) Craig J. Copi , Dragan Huterer , Glenn D. Starkman, Multipole Vectors - o nouă reprezentare a cerului CMB și dovezi pentru anizotropie statistică sau non-gaussianitate la $2 \ leq \ ell \ leq 8$ , Physical Review D 70 , 043515 (2004), astro-ph / 0310511 ( vezi online )
- (ro) Dominik J. Schwarz, Glenn D. Starkman, Dragan Huterer, Craig J. Copi, Fondul cu microunde cu conținut scăzut de l este cosmic? , Physical Review Letters 93 , 221301 (2004), astro-ph / 0403353 ( vezi online )
(ro) K. Migkas, G. Schellenberger, TH Reiprich, F. Pacaud, ME Ramos-Ceja și L. Lovisari, „ Testarea izotropiei cosmice cu un nou eșantion de grup de galaxii cu raze X prin scalarea LX - T relație ” , Astronomy and Astrophysics , vol. 636,aprilie 2020( citește online ), acces liber.
(în) David Rubin și Jessica Heitlauf, „ Extinderea universului se accelerează? Toate semnele încă indică Da: o anizotropie locală a dipolului nu poate explica energia întunecată ” , The Astrophysical Journal , vol. 894, nr . 1,6 mai 2020( citește online ).
Suzy Collin-Zahn, „ Ce se întâmplă dacă expansiunea Universului nu este uniformă?” », L'Astronomie , nr . 139,iunie 2020, p. 4-5