Combien de lumière y a-t-il dans l'univers ?

sources de lumière dans notre univers

(Crédit image : Observatoire européen austral)

Paul Sutter est chercheur invité au Center for Cosmology and AstroParticle Physics de l'Ohio State University ( CCAPP ). Sutter est également l'hôte des podcasts ' Demandez à un astronaute ! ' et ' Espace réel ,' et la série YouTube ' L'espace dans votre visage .' Sutter a contribué cet article à demokratija.eu'sVoix d'experts : Op-Ed & Insights.



Combien de lumière y a-t-il dans l'univers ? Beaucoup. Là, vous pouvez arrêter de lire maintenant.

Non, attends, reste. Vous devriez lire le reste, car c'est assez amusant.

Plus de mille points lumineux

Le premier choix que nous devons faire est de savoir comment définir exactement « combien ». Un moyen pratique consiste à compter la lumière à l'aide de photons. Si vous avez toujours voulu savoir ce qu'est un photon, eh bien, vous avez de la chance : c'est un peu de lumière. Et « bit » signifie ici « unité fondamentale » ou « quanta » si vous voulez être fantaisiste à ce sujet.

La lumière est faite de photons. Les ondes radio sont constituées de photons. Les rayons X sont - vous l'avez compris ! - fait de photons. Si vous avez beaucoup de lumière, vous avez beaucoup de photons. Si vous n'avez qu'un seul photon, c'est tout. Vous ne pouvez pas le diviser ou le dissoudre ou briser son cœur. Un seul photon est la plus petite quantité de lumière que vous obtiendrez .

[Comment penser aux photons (vidéo)]

Laissés seuls, les photons peuvent également durer éternellement, ce qui sera important plus tard dans cette histoire.

Les photons offrent donc un moyen pratique de mesurer la quantité totale de lumière dans l'univers : comptez les photons, et vous avez compté la lumière. Et nous pouvons compter les photons car nous savons combien d'énergie entre dans chacun (c'est à peu près la définition), et nous pouvons facilement additionner toutes les énergies pour les sources de lumière. Oui, nous aurions pu nous en tenir aux énergies elles-mêmes, mais c'est bien plus divertissant.

Commençons : 1, 2, 3 … et vous voyez clairement pourquoi cette méthode ne fonctionne pas.

Des milliards et des milliards

OK, peut-être devrions-nous commencer par quelque chose de familier : une ampoule normale, ordinaire et inoffensive. Cela peut sembler innocent, mais cette bête de la taille d'une pinte crache environ 10^20 photons par seconde. Oui, chaque seconde, 10^20 photons ! Ai-je mentionné qu'un seul photon n'est pas si lumineux que ça ? Non? Eh bien, ils sont petits.

Si nous ajoutions toutes les ampoules connues dans l'univers, nous aurions un peu de lumière. Mais ne faisons pas cela, car les ampoules sont facilement éclipsées - ha, ha - par d'autres sources de lumière, comme le soleil. Le soleil est fondamentalement une ampoule géante . Je veux dire, pas vraiment, mais du point de vue du comptage des photons, vous ne vous souciez pas vraiment de ce qui fait les photons.

Si vous pensez qu'une ampoule est intense, eh bien, vous n'êtes pas très… hum… brillant, parce que le soleil émet facilement 10^45 photons chaque seconde, chaque jour, chaque année, pendant quelques milliards d'années. C'est beaucoup de photons.

Mais nous n'allons pas nous arrêter à une seule ampoule ou à un seul soleil. Oh non. Il y a quelques centaines de milliards de soleils dans la galaxie de la Voie lactée et quelques centaines de milliards de galaxies dans l'univers observable. Il y en a encore plus, vraisemblablement, dans l'univers inobservable – mais ils ne comptent pas. Parce qu'ils sont inobservables. C'est le but.

Quoi qu'il en soit, quelques milliards par-ci, quelques milliards par-là, et bientôt vous vous retrouvez dans la gamme des 10^60 photons. Donnez ou prenez quelques ordres de grandeur, bien sûr, mais étant donné que les photons sont créés et détruits à chaque instant, ce n'est pas comme si nous allions jamais obtenir un recensement parfait de toute façon.

C'est en arrière-plan, regarde bien

Mais il y a beaucoup plus de lumière que la lumière des étoiles dans les cieux. Il y a des nébuleuses, des nuages ​​moléculaires géants, des supernovae, des pulsars et des noyaux galactiques actifs. Certains d'entre eux ne font qu'absorber et réémettre des photons - ils ne sont donc pas ajoutés au total - mais certainement beaucoup d'entre eux produisent de nouveaux photons.

Lorsque ces sources de lumière sont suffisamment proches de la Terre pour être distinctement visibles, elles sont appelées « sources ». Mais l'univers existe depuis un certain temps et est beaucoup plus grand que la propre galaxie de la Terre, et il se passe beaucoup de choses en arrière-plan que les scientifiques n'ont pas encore identifié à 100%. Il y a donc une sorte de… lumière de fond… extragalactique. « EBL ? » Bien sûr, si c'est ce que les scientifiques veulent que le mot de jargon soit, allons-y. Cela contribue certainement à l'onglet.

Mais vraiment, je viens de jouer avec toi tout ce temps. Étoiles, galaxies, supernovae, ce n'est rien. Pas même une goutte dans le seau. De loin, et je veux dire de loin, la chose la plus brillante de l'univers, la source de presque tous les photons du ciel, est beaucoup plus ancienne que tout ce que j'ai énuméré. En fait, c'est la plus ancienne lumière qui existe : le fond diffus cosmologique.

« CMB ? » Sûr. C'est « cosmique », parce qu'il vient de l'espace. C'est un rayonnement micro-ondes, et c'est derrière tout le reste. Et oui, c'est plus brillant que tout ce que vous avez jamais vu : cette lumière inonde chaque centimètre cube du cosmos, y compris la Terre ! Si vous aviez des yeux micro-ondes, vous les verriez comme une brume de lumière uniforme provenant de toutes les directions du ciel.

Il est né à peine 300 000 ans dans l'histoire du cosmos, lorsque l'univers s'est finalement suffisamment refroidi pour passer d'un plasma chaud et désordonné à un gaz neutre froid et collecté. En mode plasma, les photons ne duraient pas longtemps ; dès leur naissance, ils se seraient précipités tête baissée dans une particule voisine. En mode gaz neutre, les photons étaient enfin libres de parcourir le cosmos sans interruption.

Le rayonnement émis à cette époque était d'abord aussi chaud que sa source : les rayons gamma de haute énergie. Mais l'univers est vieux et l'univers est froid, et après tous ces éons, l'expansion de l'univers a étendu cette lumière primordiale dans la bande des micro-ondes, où elle se trouve aujourd'hui.

[Regardez : j'explique le CMB dans cette vidéo.]

Le CMB n'a pas déconné. Il a créé un énorme 10^90 photons. Cet événement unique, cette époque transformationnelle, a libéré plus de photons que chaque étoile qui n'a jamais brûlé en 13 milliards d'années.

Pour le mettre en perspective gratuite, pour chaque photon fabriqué à partir d'étoiles, il reste environ 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 de restes de l'univers primitif. J'ai peut-être raté un zéro, mais le remarquerions-nous même ?

C'est ce que vous obtenez lorsque l'univers entier agit comme une seule ampoule. Tout depuis l'événement CMB n'a été qu'un simple changement. Si vous voulez compter toute la lumière de l'univers - et nous le faisons, puisque c'est le but de cet article - vous pouvez commencer et arrêter avec le CMB.

Tout le reste dans l'univers n'est qu'une erreur d'arrondi.

En savoir plus en écoutant l'épisode' Combien de lumière y a-t-il dans l'univers ? 'sur le « Demandez à un astronaute ! » podcast, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com . Merci à Tim Rattray pour la question qui a mené à cette pièce ! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter .

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