Qu’y a-t-il au bord de l’univers ?
C’est une émotion courante en 2019 que de souhaiter instamment, quatre ou cinq fois dans la journée, être lancé non pas simplement dans l’espace mais aux confins de l’univers, aussi loin qu’il est possible de s’éloigner du rêve fiévreux de mauvais temps, de trains en panne et de lésions potentiellement cancéreuses aux cuisses qui constituent la vie sur Terre. Mais qu’est-ce qui vous attendrait, là-haut, à la frontière cosmologique ? S’agit-il seulement d’une frontière, ou plutôt d’une sorte de plafond inconcevablement vaste ? Y a-t-il même une frontière/un plafond là-haut ? Pour le Giz Asks de cette semaine, nous avons parlé avec un certain nombre de physiciens orientés vers la cosmologie pour le découvrir.
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Sean Carroll
Professeur de recherche, physique, Caltech, dont les recherches portent notamment sur la mécanique quantique, la gravitation, la cosmologie, la mécanique statistique et les fondements de la physique
Il n’y a pas de bord à l’univers, pour autant que nous le sachions. Il y a un bord à l’univers observable – nous ne pouvons pas voir plus loin. C’est parce que la lumière voyage à une vitesse finie (une année-lumière par an), donc lorsque nous regardons des choses lointaines, nous regardons aussi en arrière dans le temps. Nous finissons par voir ce qui se passait il y a près de 14 milliards d’années, le rayonnement résiduel du Big Bang. C’est le fond diffus cosmologique, qui nous entoure de toutes parts. Mais ce n’est pas vraiment un « bord » physique dans un sens utile.
Parce que nous ne pouvons voir qu’à une certaine distance, nous ne sommes pas sûrs de ce que sont les choses au-delà de notre univers observable. L’univers que nous voyons est assez uniforme à grande échelle, et peut-être que cela continue littéralement pour toujours. Il se pourrait aussi que l’univers s’enroule comme une sphère ou un tore (version tridimensionnelle d’une sphère). Si cela était vrai, l’univers serait fini en taille totale, mais n’aurait toujours pas de bord, tout comme un cercle n’a pas de début ou de fin.
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Il est également possible que l’univers ne soit pas uniforme au-delà de ce que nous pouvons voir, et que les conditions soient sauvagement différentes d’un endroit à l’autre. Cette possibilité est le multivers cosmologique. Nous ne savons pas s’il existe un multivers dans ce sens, mais comme nous ne pouvons pas réellement voir dans un sens ou dans l’autre, il est sage de garder l’esprit ouvert.
Jo Dunkley
Professeur de physique et de sciences astrophysiques à l’université de Princeton, dont les recherches portent sur la cosmologie et l’étude des origines et de l’évolution de l’Univers
Plus de la même chose !
Ok, donc nous ne pensons pas réellement qu’il y a un bord à l’univers. Nous pensons qu’il continue soit à l’infini dans toutes les directions, soit qu’il est peut-être enroulé sur lui-même pour ne pas être infiniment grand, mais qu’il n’a toujours pas de bord. La surface d’un beignet est comme ça : elle n’a pas de bord. Il est possible que l’univers entier soit également comme ça (mais en trois dimensions – la surface d’un beignet n’est que bidimensionnelle). Cela signifie que vous pourriez partir dans n’importe quelle direction dans l’espace à bord d’une fusée, et si vous voyagez suffisamment longtemps, vous reviendriez à votre point de départ. Aucun bord.
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Mais il y a aussi une chose que nous appelons l’univers observable, qui est la partie de l’espace que nous pouvons réellement voir. La limite de cet univers est l’endroit au-delà duquel la lumière n’a pas eu le temps de nous parvenir depuis le début de l’univers. Ce n’est que le bord de ce que nous pouvons voir, et au-delà, il y a probablement plus de la même chose que ce que nous pouvons voir autour de nous : des super-amas de galaxies, chaque énorme galaxie contenant des milliards d’étoiles et de planètes.
Jessie Shelton
Professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, dont les recherches portent sur l’astrophysique et la cosmologie
Cela dépend de ce que vous entendez par le bord de l’univers. Comme la vitesse de la lumière est finie, lorsque nous regardons de plus en plus loin dans l’espace, nous regardons de plus en plus loin en arrière dans le temps – même lorsque nous regardons la galaxie voisine, Andromède, nous ne voyons pas ce qui se passe maintenant, mais ce qui se passait il y a deux millions et demi d’années lorsque les étoiles d’Andromède ont émis la lumière que nos télescopes ne détectent que maintenant. La lumière la plus ancienne que nous puissions voir provient de l’endroit le plus éloigné. Ainsi, dans un sens, le bord de l’univers est ce que nous pouvons voir dans la lumière la plus ancienne qui nous parvient. Dans notre univers, il s’agit du fond diffus cosmologique – une faible lueur rémanente du Big Bang, qui marque le moment où l’univers s’est suffisamment refroidi pour permettre la formation d’atomes. C’est ce qu’on appelle la surface de dernière diffusion, car elle marque l’endroit où les photons ont cessé de jouer au ping-pong entre les électrons dans un plasma chaud et ionisé et ont commencé à se répandre dans l’espace transparent, jusqu’à nous sur Terre, à des milliards d’années-lumière. On pourrait donc dire que le bord de l’univers est la surface de dernière diffusion.
Qu’y a-t-il au bord de l’univers en ce moment ? Eh bien, nous ne le savons pas – nous ne pouvons pas, nous devrions attendre que la lumière qui y est émise maintenant arrive ici plusieurs, plusieurs milliards d’années dans le futur, et comme l’univers s’étend de plus en plus vite, elle ne pourra probablement pas arriver du tout – mais nous pouvons faire une supposition. À l’échelle la plus grande, notre univers est pratiquement le même, quelle que soit la direction dans laquelle on regarde. Il y a donc de fortes chances que si vous vous trouviez aujourd’hui à la limite de notre univers observable, vous verriez un univers qui ressemble plus ou moins au nôtre – des galaxies, grandes et petites, dans toutes les directions. Ainsi, une très bonne supposition pour ce qui se trouve au bord de l’univers aujourd’hui est simplement, plus d’univers : plus de galaxies, plus de planètes, peut-être même plus d’êtres vivants se posant la même question.
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Michael Troxel
Professeur adjoint de physique, Duke University dont les recherches portent sur la cosmologie observationnelle et théorique
Malgré la taille probablement infinie de l’Univers, il existe en fait plus d’un » bord » pratique.
Nous pensons que l’Univers est en fait infini – il n’a pas de bord. Si l’Univers est » plat » (comme une feuille de papier), comme nous l’avons testé avec une précision supérieure à un pour cent, ou » ouvert » (comme une selle), alors il est vraiment infini. S’il est « fermé », ce qui ressemble à un ballon de basket, alors il n’est pas infini. Cependant, si vous allez suffisamment loin dans une direction, vous finirez par revenir à votre point de départ – pensez au déplacement le long de la surface du ballon. Comme l’a dit un jour un hobbit nommé Bilbo, « La route continue toujours et encore/Sortir de la porte où elle a commencé » (encore et encore…).
L’Univers a toujours un « bord » pour nous, cependant-deux, vraiment. Cela est dû à une partie de la relativité générale qui dit que toutes les choses (y compris la lumière) dans l’Univers ont une limite de vitesse – environ 670 millions de miles par heure – et cette limite de vitesse est la même partout. Nos mesures nous indiquent également que l’Univers est en expansion dans toutes les directions, et pas seulement en expansion, mais de plus en plus rapidement au fil du temps. Cela signifie que lorsque nous observons un objet très éloigné de nous, la lumière de cet objet met un certain temps à nous parvenir (la distance divisée par la vitesse de la lumière). Ce qui est délicat, c’est que, comme l’espace s’étend pendant que cette lumière se déplace vers nous, la distance que la lumière doit parcourir augmente également au fil du temps sur son chemin vers nous.
Donc, la première chose que l’on pourrait se demander est quelle est la distance la plus éloignée à laquelle nous pourrions observer la lumière d’un objet si elle était émise au tout début de l’Univers (qui a environ 13,7 milliards d’années). Cette distance se situe à environ 47 milliards d’années-lumière (une année-lumière correspond à environ 63 241 fois la distance entre la Terre et le Soleil) et est appelée « horizon de convergence ». Vous pouvez également poser la question de manière légèrement différente. Si nous envoyons un message à la vitesse de la lumière, quelle est la distance la plus éloignée à laquelle un habitant d’une autre planète pourrait le recevoir ? C’est encore plus intéressant, car le taux d’expansion de l’Univers s’accélère dans le futur (au lieu de ralentir dans le passé).
Il s’avère que même si le message voyageait éternellement, il ne pourrait jamais atteindre quelqu’un qui se trouve à 16 milliards d’années-lumière de nous maintenant. C’est ce qu’on appelle » l’horizon des événements cosmiques « . La planète la plus éloignée que nous ayons pu observer n’est cependant qu’à 25 000 années-lumière de nous, ce qui signifie que nous pourrions éventuellement saluer toutes les personnes qui existent dans l’Univers à ce jour. La distance la plus éloignée que nos télescopes actuels aient pu identifier entre une galaxie et nous n’est que d’environ 13,3 milliards d’années-lumière, mais nous ne pouvons pas voir ce qui se trouve à l’une ou l’autre de ces « limites » pour le moment. Donc personne ne sait ce qu’il y a à l’un ou l’autre de ces bords !
Abigail Vieregg
Professeur adjoint à l’Institut Kavil de physique cosmologique de l’Université de Chicago
Avec les télescopes sur Terre, nous regardons la lumière provenant de lieux éloignés dans l’univers. Plus la source de lumière est éloignée, plus il faut de temps à cette lumière pour arriver jusqu’ici. Ainsi, lorsque vous observez des lieux éloignés, vous regardez ce que ces lieux étaient lorsque la lumière que vous avez vue a été créée, et non ce qu’ils sont aujourd’hui. Vous pouvez continuer à regarder de plus en plus loin, ce qui correspond à un retour de plus en plus lointain dans le temps, jusqu’à ce que vous arriviez à un endroit correspondant à quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang. Avant cela, l’univers était si chaud et si dense (bien avant qu’il n’y ait des étoiles et des galaxies !) que toute lumière dans l’univers se contentait de se déplacer, et nous ne pouvons pas la voir avec nos télescopes aujourd’hui. Cet endroit est la limite de « l’univers observable » – parfois appelé l’horizon – parce que nous ne pouvons pas voir au-delà. Au fil du temps, cet horizon change. Si vous pouviez regarder depuis une autre planète, quelque part dans l’univers, vous verriez vraisemblablement quelque chose de très similaire à ce que nous voyons ici depuis la Terre : votre propre horizon, limité par le temps qui s’est écoulé depuis le Big Bang, la vitesse de la lumière et la façon dont l’univers s’est étendu.
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À quoi ressemble aujourd’hui l’endroit qui correspond à l’horizon de la Terre ? Nous ne pouvons pas le savoir, puisque nous ne pouvons voir cet endroit que tel qu’il était juste après le Big Bang, et non tel qu’il est aujourd’hui. Cependant, toutes les mesures indiquent que tout l’univers que nous pouvons voir, y compris le bord de l’univers observable, ressemble approximativement à notre univers local aujourd’hui : avec des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies et beaucoup d’espace vide.
Nous pensons également que l’univers est beaucoup beaucoup plus grand que la partie de l’univers qu’il se trouve que nous pouvons voir ici depuis la Terre aujourd’hui, et qu’il n’y a pas de « bord » à l’univers lui-même. Il s’agit simplement de l’espace-temps, en expansion.
Arthur B. Kosowsky
Professeur de physique à l’Université de Pittsburgh, dont les recherches portent sur la cosmologie et les questions connexes de physique théorique
L’une des propriétés les plus fondamentales de l’univers est son âge, que nous déterminons aujourd’hui, à partir de diverses mesures, à 13,7 milliards d’années. Comme nous savons également que la lumière se propage à une vitesse constante, cela signifie qu’un rayon lumineux qui a commencé à un moment très précoce a parcouru une distance particulière à ce jour (appelée « distance d’horizon » ou « distance de Hubble »). Comme rien ne se propage plus vite que la vitesse de la lumière, la distance de Hubble est la distance la plus éloignée que nous pourrons jamais observer en principe (à moins de découvrir un moyen de contourner la théorie de la relativité !).
Nous avons une source de lumière qui nous parvient depuis presque la distance de Hubble : le rayonnement de fond cosmologique. Nous savons qu’il n’y a pas de « bord » à l’univers jusqu’à la distance de l’origine du fond diffus, qui correspond à la quasi-totalité de la distance de Hubble par rapport à nous. Nous partons donc généralement du principe que l’univers est beaucoup plus vaste que notre propre volume Hubble observable et que toute limite réelle qui pourrait exister est beaucoup plus éloignée que nous ne pourrons jamais l’observer. Il est possible que cette hypothèse ne soit pas correcte : l’univers a peut-être un bord juste au-delà de la distance Hubble qui nous sépare de nous, et au-delà se trouvent des monstres marins. Mais comme tout l’univers que nous pouvons observer semble relativement similaire et uniforme, ce serait un état de fait extrêmement étrange.
J’ai donc peur que nous n’ayons jamais une bonne réponse à la question : l’univers n’a peut-être pas de bord du tout, et s’il en a un, ce bord est suffisamment éloigné pour que la lumière provenant du bord n’ait pas encore eu assez de temps pour arriver jusqu’à nous dans toute l’histoire de l’univers. Nous devons nous contenter de comprendre la partie de l’univers que nous pouvons réellement observer.
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