L’Univers

La cosmologie cherche à appréhender l’Univers d’un point de vue scientifique, comme l’ensemble de la matière distribuée dans l’espace-temps. Pour sa part, la cosmogonie vise à établir une théorie de la création de l’Univers sur des bases philosophiques ou religieuses. La différence entre ces deux définitions n’empêche pas nombre de physiciens d’avoir une conception finaliste de l’univers (voir à ce sujet le principe anthropique).

Si l’on veut faire correspondre le mouvement des galaxies avec les lois physiques telles qu’on les conçoit actuellement, on peut considérer que l’on n’accède par l’expérience qu’à une faible partie de la matière de l’Univers, le reste se composant de matière noire. Par ailleurs, pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers, il faut également introduire le concept d’énergie sombre. Plusieurs modèles alternatifs ont été proposés pour faire correspondre les équations et nos observations en prenant d’autres approches.

Expansion, âge et Big Bang

Les observations du décalage vers le rouge des rayonnements électromagnétiques en provenance d’autres galaxies suggèrent que celles-ci s’éloignent de notre galaxie, à une vitesse radiale d’éloignement proportionnelle à ce décalage.

En étudiant les galaxies proches, Edwin Hubble s’est aperçu que la vitesse d’éloignement d’une galaxie était proportionnelle à sa distance par rapport à l’observateur (loi de Hubble) ; une telle loi est explicable par un Univers visible en expansion.

Bien que la constante de Hubble ait été révisée par le passé dans d’importantes proportions (dans un rapport de 10 à 1), la loi de Hubble a été extrapolée aux galaxies éloignées, pour lesquelles la distance ne peut être calculée au moyen de la parallaxe ; cette loi est ainsi utilisée pour déterminer la distance des galaxies les plus éloignées.

En extrapolant l’expansion de l’Univers dans le passé, on arrive à une époque où celui-ci a dû être beaucoup plus chaud et beaucoup plus dense qu’aujourd’hui. C’est le modèle du Big Bang, conçu par Georges Lemaître prêtre catholique belge, qui est un ingrédient essentiel de l’actuel modèle standard de la cosmologie et possède aujourd’hui un grand nombre de confirmations expérimentales[réf. nécessaire]. La description du début de l’histoire de l’Univers par ce modèle ne commence cependant qu’après qu’il fut sorti d’une période appelée ère de Planck durant laquelle l’échelle d’énergie de l’Univers était si grande que le modèle standard n’est pas en mesure de décrire les phénomènes quantiques qui s’y sont déroulés. Durant cette époque, seule une théorie de la gravitation quantique pourrait expliquer le comportement microscopique de la matière sous l’influence importante de la gravité. Mais les physiciens ne disposent pas encore (en 2015) d’une telle théorie. Pour des raisons de cohérence avec les observations, après l’ère de Planck le modèle du Big Bang privilégie aujourd’hui l’existence d’une phase d’inflation cosmique très brève mais durant laquelle l’Univers aurait grandi de façon extrêmement rapide. C’est à la suite de cette phase que l’essentiel des particules de l’Univers aurait été créé avec une haute température, enclenchant un grand nombre de processus importants7 qui ont finalement abouti à l’émission d’une grande quantité de lumière, appelé fond diffus cosmologique, qui peut être aujourd’hui observé avec une grande précision par toute une série d’instruments (ballons-sondes, sondes spatiales, radiotélescopes).

C’est l’observation de ce rayonnement fossile micro-onde, remarquablement uniforme dans toutes les directions, qui constitue aujourd’hui l’élément capital qui assoit le modèle du Big Bang comme description correcte de l’Univers dans son passé lointain. De nombreux éléments du modèle restent encore à déterminer (par exemple le modèle décrivant la phase d’inflation), mais il y a aujourd’hui consensus de la communauté scientifique autour du modèle du Big Bang.

Dans le cadre du modèle ΛCDM, les contraintes issues des observations de la sonde WMAP sur les paramètres cosmologiques indiquent une valeur la plus probable pour l’âge de l’Univers à environ 13,82 milliards d’années avec une incertitude de 0,02 milliard d’années, ce qui est en accord avec les données indépendantes issues de l’observation des amas globulaires ainsi que celle des naines blanches. Cet âge a été confirmé en 2013 par les observations du satellite Planck.

Taille et Univers observable

À ce jour, aucune donnée scientifique ne permet de dire si l’Univers est fini ou infini. Certains théoriciens penchent pour un Univers infini, d’autres pour un Univers fini mais non borné. Un exemple d’Univers fini et non borné serait l’espace se refermant sur lui-même. Si on partait tout droit dans cet Univers, après un trajet, très long certes, il serait possible de repasser à proximité de son point de départ.

Les articles populaires et professionnels de recherche en cosmologie emploient souvent le terme « Univers » dans le sens d’« Univers observable ». L’être humain vit au centre de l’Univers observable, ce qui est en contradiction apparente avec le principe de Copernic qui dit que l’Univers est plus ou moins uniforme et ne possède aucun centre en particulier. Le paradoxe se résout simplement en tenant compte du fait que la lumière se déplace à la même vitesse dans toutes les directions et que sa vitesse n’est pas infinie : regarder au loin revient à regarder un événement décalé dans le passé du temps qu’il a fallu à la lumière pour parcourir la distance séparant l’observateur du phénomène observé. Or il ne nous est pas possible de voir de phénomène issu d’avant le Big Bang. Ainsi, les limites de l’Univers observable correspondent au lieu le plus lointain de l’Univers pour lesquelles la lumière a mis moins de 13,82 milliards d’années à parvenir à l’observateur, ce qui le place immanquablement au centre de son Univers observable. On appelle « horizon cosmologique » la première lumière émise par le Big Bang il y a 13,82 milliards d’années.

On estime que le diamètre de cet Univers observable est de 100 milliards d’années lumière. Celui-ci contient environ 7 × 1022 étoiles, répandues dans environ 100 milliards de galaxies, elles-mêmes organisées en amas et superamas de galaxies. Mais le nombre de galaxies pourrait être encore plus grand, selon le champ profond observé avec le télescope spatial Hubble.

Il est cependant possible que l’Univers observable ne soit qu’une infime partie d’un Univers réel beaucoup plus grand.

La définition de l’Univers choisie par cet article (« ensemble de tout ce qui existe ») soulève par ailleurs différents problèmes. Tout d’abord, il ne peut pas posséder de « bord » au sens intuitif du terme. En effet, l’existence de bord impliquerait l’existence d’un extérieur à l’Univers. Or par définition l’Univers est l’ensemble de tout ce qui existe, il ne peut donc rien exister à l’extérieur. Toutefois cela ne signifie pas que l’Univers est infini, il peut être fini sans avoir de « bord », sans avoir en fait d’extérieur. Cela soulève une autre interrogation : que signifie pour l’Univers d’être en expansion s’il n’a ni bord ni extérieur ?

Forme : Une importante question de cosmologie est de connaître la forme de l’Univers.

Est-ce que l’Univers est « plat » ? C’est-à-dire : est-ce que le théorème de Pythagore pour les triangles droits est valide à de plus grandes échelles ? Actuellement, la plupart des cosmologues pensent que l’Univers observable est (presque) plat, juste comme la Terre est (presque) plate.
Est-ce que l’Univers est simplement connexe ? Selon le modèle standard du Big Bang, l’Univers n’a aucune frontière spatiale, mais peut néanmoins être de taille finie.
Nous savons maintenant (depuis 2013) que l’univers est plat avec une marge d’erreur de seulement 0,4%. Cela donne à penser que l’Univers est infini en étendue. Cependant, étant donné que l’Univers a un âge fini, on ne peut que constater un volume fini de l’Univers. Tout ce que nous pouvons vraiment conclure est que l’Univers est beaucoup plus grand que le volume que nous pouvons observer directement.

Modèle dimensionnel

La théorie des cordes prédit qu’espace et matière sont consubstantiels. Il n’y a pas de « contenant » (l’espace) mais un fond d’espace-temps qui interagit avec la matière. Dans certains cas particuliers, la notion de « nombre de dimensions de l’espace » dépend de l’intensité avec laquelle les cordes réagissent entre elles. Si cette interaction est faible, elles semblent se propager dans un espace à neuf dimensions – auxquelles il faut rajouter celle du temps. Si cette interaction croît, cela développe une dimension de plus (ou plus en fonction de l’intensité de l’interaction) à laquelle il faut toujours rajouter celle du temps. Supposons maintenant qu’on enferme l’Univers dans un espace « fini » (une boîte pour être concret) et que cet espace rapetisse jusqu’à 10−32 centimètres de côté, la théorie des cordes le prédit équivalent à un Univers très grand. La conception d’espace est fondamentalement bouleversée. La mise en route du grand collisionneur de hadrons de Genève, Large Hadron Collider (plus communément appelé LHC), viendra peut-être confirmer cette théorie. Elle ne pourra en revanche pas l’infirmer, car aucun ordre de grandeur n’a été prédit par la théorie des cordes. Ainsi, si le phénomène n’est pas détecté, cela pourrait signifier que trop peu d’énergie a été générée pour rendre le phénomène observable, sans impliquer pour autant que la théorie soit nécessairement erronée.

Avenir : Le Destin de l’Univers.

Selon les prédictions du modèle cosmologique le plus couramment admis de nos jours, les « objets galactiques » auront une fin : c’est la mort thermique de l’Univers. Le Soleil, par exemple, s’éteindra dans 5 (à 7) milliards d’années, lorsqu’il aura consumé tout son combustible. À terme, les autres étoiles évolueront elles aussi dans des cataclysmes cosmologiques (explosions, effondrements). Déjà les naissances d’étoiles ralentissent faute de matière, qui se raréfie au fil du temps. Dans 20 milliards d’années environ, aucun astre ne s’allumera plus. L’Univers sera peuplé d’étoiles éteintes (étoiles à neutrons, naines blanches, trous noirs) et des naines rouges résiduelles. À bien plus longues échéances, les galaxies se désagrégeront dans des collisions géantes par leurs interactions gravitationnelles internes et externes.

En ce qui concerne le contenant (« l’espace »), certains physiciens pensent que le processus d’expansion sera gravitationnellement ralenti et s’inversera selon le scénario du Big Crunch. Pour d’autres, l’expansion, qui semble à présent stagner, s’arrêtera à jamais. Peu à peu, les astres éteints s’agglutineront en trous noirs. L’Univers, sans aucune structure, ne sera plus qu’un bain de photons de plus en plus froids.
Toute activité dans l’Univers s’éteindra ainsi à jamais : c’est le Big Chill. Un scénario similaire existe : le Big Chill modifié. La gravitation et l’énergie noire restent constantes mais ont tendance à accélérer. L’univers subira le Grand Refroidissement mais l’expansion continuera d’une façon stable et toute activité cessera. Les galaxies fusionneront puis mourront peu à peu. Si au contraire la quantité d’énergie sombre croît, l’Univers continuera son expansion à une vitesse toujours plus grande pour exploser à toutes les échelles : toute la matière qui le compose (y compris les atomes) se déchirera par dilatation de l’espace et le temps lui-même sera détruit. C’est le Big Rip (littéralement : « grand déchirement »).
Certains modèles prévoient une telle fin dans 22 milliards d’années.

Chacun de ces scénarios dépend donc de la quantité d’énergie sombre que contiendra l’Univers à un moment donné. Actuellement, l’état des connaissances suggère non seulement qu’il y a insuffisamment de masse et d’énergie pour provoquer ce Big Rip, mais que l’expansion de l’Univers semble s’accélérer et continuera donc pour toujours.