Conception à l’échelle logarithmique de l’univers observable par l’artiste. Les galaxies cèdent la place à grande échelle… la structure et le plasma chaud et dense du Big Bang à la périphérie. Ce « bord » n’est une limite que dans le temps.
Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo de Wikimedia Commons)
Si vous alliez aussi loin dans l’espace que vous pouvez l’imaginer, que rencontreriez-vous? Y aurait-il une limite à la distance que vous pourriez parcourir ou pourriez-vous parcourir une distance illimitée? Reviendriez-vous éventuellement à votre point de départ ou continueriez-vous à parcourir un espace que vous n’aviez jamais rencontré auparavant? En d’autres termes, l’Univers a-t-il un avantage, et si oui, où est-il?
Croyez-le ou non, il y a en fait trois façons différentes de penser à cette question, et chacune a une réponse différente. Si vous considérez jusqu’où vous pourriez aller si vous:
- parti aujourd’hui dans une fusée arbitrairement puissante,
- a considéré tout ce qui pourrait nous contacter ou être contacté par nous dès le début du Big Bang chaud,
- ou a utilisé votre imagination seule pour accéder à l’Univers entier, y compris au-delà de ce qui sera jamais observable,
vous pouvez comprendre jusqu’où il se trouve au bord. Dans chaque cas, la réponse est fascinante.
Nous visualisons souvent l’espace sous forme de grille 3D, même s’il s’agit d’une simplification excessive dépendante de l’image lorsque… nous considérons le concept d’espace-temps. En réalité, l’espace-temps est courbé par la présence de matière et d’énergie, et les distances ne sont pas fixes, mais peuvent plutôt évoluer à mesure que l’Univers se dilate ou se contracte.
ReunMedia/Storyblocks
Le concept clé à garder à l’esprit est que l’espace n’est pas comme nous le concevons normalement. Classiquement, nous considérons l’espace comme un système de coordonnées — une grille tridimensionnelle – où la distance la plus courte entre deux points est une ligne droite et où les distances ne changent pas avec le temps.
Mais ces deux hypothèses, si bonnes dans notre vie quotidienne, échouent de manière spectaculaire lorsque nous commençons à regarder l’Univers à plus grande échelle au-delà de notre propre planète. Pour commencer, l’idée que la distance la plus courte entre deux points est une ligne droite s’effondre dès que vous commencez à introduire des masses et des quanta énergétiques dans votre Univers. Parce que l’espace-temps est sujet à la courbure, dont la présence de matière et d’énergie est la cause, la distance la plus courte entre deux points dépend intrinsèquement de la forme de l’Univers entre ces points.
Au lieu d’une grille vide, vide et tridimensionnelle, la mise en place d’une masse provoque ce qui aurait été… les lignes « droites » deviennent à la place incurvées d’une quantité spécifique. En Relativité générale, nous traitons l’espace et le temps comme continus, mais toutes les formes d’énergie, y compris mais sans s’y limiter, la masse, contribuent à la courbure de l’espace-temps. Si nous devions remplacer la Terre par une version plus dense, jusqu’à une singularité incluse, la déformation de l’espace-temps montrée ici serait identique ; seule une différence serait notable à l’intérieur de la Terre elle-même.
Christopher Vitale de Networkologies et du Pratt Institute
En plus de cela, le tissu de l’espace-temps lui-même ne reste pas statique dans le temps. Dans un Univers rempli de matière et d’énergie, un Univers statique et immuable (où les distances entre les points restent les mêmes au fil du temps) est intrinsèquement instable ; l’Univers doit évoluer soit en expansion, soit en contraction. Si la théorie générale de la relativité d’Einstein est correcte, cela est obligatoire.
Observationnellement, la preuve que notre Univers est en expansion est écrasante: une validation spectaculaire des prédictions d’Einstein. Mais cela entraîne une série de conséquences pour les objets séparés par des distances cosmiques, y compris le fait que la distance entre eux s’élargit avec le temps. Aujourd’hui, les objets les plus lointains que nous puissions voir sont à plus de 30 milliards d’années-lumière, malgré le fait que seulement 13,8 milliards d’années se sont écoulées depuis le Big Bang.
Plus une galaxie est éloignée, plus elle s’éloigne de nous rapidement et plus sa lumière apparaît… redshifté. Une galaxie se déplaçant avec l’Univers en expansion sera encore plus éloignée d’années-lumière, aujourd’hui, que le nombre d’années (multiplié par la vitesse de la lumière) qu’il a fallu à la lumière émise pour nous atteindre. Mais nous ne pouvons comprendre les redshifts et les blueshifts que si nous les attribuons à une combinaison de contributions du mouvement (relativiste spécial) et du tissu en expansion de l’espace (relativiste général).
Larry McNish du RASC Calgary Center
Lorsque nous mesurons à quel point divers objets sont éloignés de leurs propriétés physiques et lumineuses — ainsi que la quantité de lumière déplacée par l’expansion de l’Univers — nous pouvons comprendre de quoi l’Univers est fait. Notre cocktail cosmique, à l’heure actuelle, se compose de:
- 0,01% de rayonnement sous forme de photons,
- 0,1% de neutrinos, une particule insaisissable de faible masse presque aussi nombreuse que les photons,
- 4,9% de matière normale, composée principalement des mêmes choses que nous sommes: protons, neutrons et électrons,
- 27% de matière noire, une substance inconnue qui gravite mais n’émet ni n’absorbe de lumière,
- et 68% d’énergie noire, qui est l’énergie inhérente à l’espace qui provoque l’accélération des objets éloignés dans leur récession de nous.
Lorsque vous combinez ces effets ensemble, vous obtenez une prédiction unique et sans ambiguïté de la distance qu’il se trouve, à tout moment passé et présent, au bord de l’Univers observable.
Un graphique de la taille / échelle de l’Univers observable par rapport au passage du temps cosmique. C’est ça… affiché sur une échelle log-log, avec quelques étapes majeures de taille / temps identifiées. Notez l’ère primitive dominée par les rayonnements, l’ère récente dominée par la matière et l’ère actuelle et future en expansion exponentielle.
E. Siegel
C’est un gros problème ! La plupart des gens supposent que si l’Univers existe depuis 13,8 milliards d’années depuis le Big Bang, la limite à la distance que nous pouvons voir sera de 13,8 milliards d’années-lumière, mais ce n’est pas tout à fait exact.
Ce n’est que si l’Univers était statique et ne s’étendait pas que cela serait vrai, mais le fait est que: plus nous regardons loin, plus vite les objets lointains semblent s’éloigner de nous. Le taux de cette expansion change d’une manière prévisible en fonction de ce qui se trouve dans l’Univers, et à son tour, savoir ce qui se trouve dans l’Univers et observer à quelle vitesse les objets se développent nous indique à quelle distance ils sont. Lorsque nous prenons toutes les données disponibles ensemble, nous arrivons à une valeur unique pour tout ensemble, y compris la distance à l’horizon cosmique observable: 46,1 milliards d’années-lumière.
L’Univers observable pourrait être de 46 milliards d’années-lumière dans toutes les directions de notre point de vue,… mais il y a certainement plus, un Univers inobservable, peut-être même une quantité infinie, tout comme le nôtre au-delà. Au fil du temps, nous pourrons en voir plus, révélant finalement environ 2,3 fois plus de galaxies que nous pouvons actuellement voir.
Frédéric MICHEL et Andrew Z. Colvin, annotés par E. Siegel
Cette frontière, cependant, n’est pas un « bord » de l’Univers au sens conventionnel du terme. Ce n’est pas du tout une frontière dans l’espace; si nous nous trouvions à un autre point de l’espace, nous serions toujours capables de détecter et d’observer tout ce qui nous entoure dans cette sphère de 46,1 milliards d’années-lumière centrée sur nous.
C’est parce que ce « bord » est une limite dans le temps, plutôt que dans l’espace. Ce bord représente la limite de ce que nous pouvons voir car la vitesse de la lumière — même dans un Univers en expansion régi par la Relativité générale — ne permet aux signaux de voyager aussi loin au cours des 13,8 milliards d’années d’histoire de l’Univers. Cette distance est supérieure à 13.8 milliards d’années-lumière à cause de l’expansion de l’Univers, mais il est toujours fini. Cependant, nous ne pouvons pas atteindre tout cela.
La taille de notre Univers visible (jaune), ainsi que la quantité que nous pouvons atteindre (magenta). Si nous… accélérés à 9,8 m / s^2 pendant environ 22,5 ans, puis retournés et décélérés pendant encore 22,5 ans, nous pourrions atteindre n’importe quelle galaxie du cercle de magenta, même dans un Univers à énergie sombre, mais rien en dehors de celui-ci.
E. Siegel, basé sur les travaux des utilisateurs de Wikimedia Commons Azcolvin 429 et Frédéric MICHEL
Au-delà d’une certaine distance, nous pouvons voir une partie de la lumière qui a déjà été émise il y a longtemps, mais ne verra jamais la lumière qui est émise en ce moment: 13,8 milliards d’années après le Big Bang. Au—delà d’une certaine distance spécifique – calculée (par moi) à environ 18 milliards d’années—lumière à l’heure actuelle – même un signal se déplaçant à la vitesse de la lumière ne nous atteindra jamais.
De même, cela signifie que si nous étions dans un vaisseau-fusée arbitrairement puissant, tous les objets actuellement contenus dans ce rayon de 18 milliards d’années-lumière seraient éventuellement accessibles par nous, même si l’Univers continuait de s’étendre et que ces distances continuaient d’augmenter. Cependant, les objets au-delà ne seraient jamais accessibles. Même si nous atteignions des distances de plus en plus grandes, elles reculeraient plus vite que nous ne pourrions jamais voyager, nous empêchant de les visiter pour l’éternité. Déjà, 94% de toutes les galaxies de l’Univers observable sont hors de notre portée éternelle.
Aussi vaste que soit notre Univers observable et autant que nous pouvons le voir, c’est beaucoup plus que nous ne le pouvons jamais… atteindre, car seulement 6% du volume que nous pouvons observer est actuellement accessible. Au-delà de ce que nous pouvons observer, cependant, il y a certainement plus d’Univers; ce que nous pouvons voir ne représente qu’une infime fraction de ce qui doit être là-bas.
NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen et M. Mechtley (ASU), R. O’Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), & H. Yan (tOSU)
Et pourtant, il y a un « bord » différent que nous pourrions vouloir considérer: au-delà des limites de ce que nous pouvons observer aujourd’hui, ou même de ce que nous pouvons potentiellement observer arbitrairement loin dans le futur, si nous courons notre horloge théorique vers l’infini. Nous pouvons considérer la taille de l’Univers entier — l’Univers inobservable — et s’il se replie sur lui-même ou non.
La façon dont nous pouvons répondre à cela est basée sur une extrapolation de ce que nous observons lorsque nous essayons de mesurer la courbure spatiale de l’Univers: la quantité d’espace incurvé à la plus grande échelle que nous puissions éventuellement observer. Si l’Univers est positivement incurvé, des lignes parallèles convergeront et les trois angles d’un triangle totaliseront plus de 180 degrés. Si l’Univers est courbé négativement, les lignes parallèles divergeront et les trois angles d’un triangle s’élèveront à moins de 180 degrés. Et si l’Univers est plat, les lignes parallèles resteront parallèles et tous les triangles contiendront exactement 180 degrés.
Les angles d’un triangle s’additionnent à différentes quantités en fonction de la courbure spatiale présente. A… l’univers positivement incurvé (en haut), négativement incurvé (au milieu) ou plat (en bas) aura les angles internes d’un triangle se résument à plus, moins ou exactement égaux à 180 degrés, respectivement.
Équipe scientifique NASA / WMAP
La façon dont nous faisons cela est de prendre les signaux les plus éloignés de tous, tels que la lumière qui reste du Big Bang, et d’examiner en détail comment les fluctuations sont modelées. Si l’Univers est incurvé dans une direction positive ou négative, les modèles de fluctuation que nous observons se déformeront pour apparaître sur des échelles angulaires plus ou moins grandes, par opposition à un Univers plat.
Lorsque nous prenons les meilleures données disponibles, qui proviennent à la fois des fluctuations du fond des micro-ondes cosmiques et des détails de la façon dont les galaxies se regroupent sur de grandes échelles à diverses distances, nous arrivons à une conclusion incontournable: l’Univers est indiscernable de la planéité spatiale parfaite. S’il est incurvé, c’est à un niveau qui ne dépasse pas 0.4%, ce qui signifie que si l’Univers est courbé comme une hypersphère, son rayon est au moins ~ 250 fois plus grand que la partie qui nous est observable.
Les magnitudes des points chauds et froids, ainsi que leurs échelles, indiquent la courbure de l’… Univers. Au mieux de nos capacités, nous le mesurons comme étant parfaitement plat. Les oscillations acoustiques baryoniques et le CMB, ensemble, fournissent les meilleures méthodes de contrainte, jusqu’à une précision combinée de 0,4%.
Smoot Cosmology Group /LBL
Si vous définissez le bord de l’Univers comme l’objet le plus éloigné que nous pourrions atteindre si nous commencions notre voyage immédiatement, alors notre limite actuelle est une simple distance de 18 milliards d’années-lumière, englobant seulement 6% du volume de notre Univers observable. Si vous le définissez comme la limite de ce à quoi nous pouvons observer un signal — qui nous pouvons voir et qui peut nous voir — alors le bord s’étend à 46,1 milliards d’années-lumière. Mais si vous le définissez comme les limites de l’Univers inobservable, la seule limite que nous avons est qu’il mesure au moins 11 500 milliards d’années-lumière, et il pourrait être encore plus grand.
Cela ne signifie pas nécessairement que l’Univers est infini, cependant. Il pourrait être plat et toujours courbé sur lui-même, avec une forme en forme de beignet connue mathématiquement sous le nom de tore. Aussi vaste et expansif que soit l’Univers observable, il est toujours fini, avec une quantité finie d’informations à nous enseigner. Au-delà, les vérités cosmiques ultimes nous restent encore inconnues.
Dans un modèle d’hypertore de l’Univers, un mouvement en ligne droite vous ramènera à votre original… emplacement, même dans un espace-temps non courbé (plat). L’Univers pourrait aussi être fermé et courbé positivement : comme une hypersphère.
Utilisateur ESO et DeviantArt InTheStarlightGarden