06/07/2023 Que pourrait-être la taille de l’univers?

A Cécile B

Ce que l’on peut observer et mesurer de l’Univers en est une image, et non l’Univers tel qu’il existe au moment où il est observé. Cette image est sensiblement différente de l’univers présent, du fait que la lumière se propage à vitesse finie, et de surcroît dans un Univers en expansion.

Pour bien faire, répondre à la question de la taille de l’univers n’a de sens que si l’on parle de l’univers observable. Il est impossible de parler de la taille d’un univers qui s’étendrait au delà du très lointain et du très proche que nous pouvons observer. Le très lointain observable correspond à la distance des galaxies les plus lointaines. Mais celles-ci du fait du temps que met la lumière à nous en parvenir et compte tenu de l’expansion actuelle de l’univers sont aussi les galaxies les plus anciennes rien ne permet d’affirmer qu’elles marquent les limites d’un univers actuel, par définition inobservables.

Quant aux limites de l’univers en allant vers le très petit, elles ne peuvent être définies aujourd’hui compte tenu des divergences actuelles entre la Physique classique d’Einstein et la physique quantique s’intéressant à la taille des particules élémentaires observables aujourd’hui. Disons que les atomes de la matière observables paraissent constitués de quarks. Les quarks s’associent entre eux pour former des hadrons, particules composites, dont les protons et les neutrons sont des exemples connus, parmi d’autres. En raison d’une propriété dite de confinement, les quarks ne peuvent être isolés et ne peuvent pas être observés directement ; tout ce que l’on sait des quarks provient donc indirectement de l’observation des hadrons.

Ceci étant, l’Univers observable est défini comme tout ce qui est observable et mesurable, et la vitesse de la lumière étant la vitesse limite, tout ce qui est situé au-delà de l’horizon cosmologique ne peut être observé ni ne peut influencer ce qui peut être observé.

Le principe cosmologique, ainsi désigné à la suite d’Edward A. Milne (1896-1950), énonce que l’Univers observable est, à grande échelle, homogène et isotrope. L’Univers étant globalement identique dans toutes les directions, les rayons lumineux provenant de toutes les directions parcourent a priori la même distance dans le même temps. L’Univers observable à un instant donné est donc une sphère dont l’observateur est le centre et dont le rayon est la distance parcourue par un signal lumineux pendant le temps d’existence de l’Univers à cet instant.

En pratique, l’Univers observable s’est longtemps limité à l’univers visible à l’œil nu. Il est aujourd’hui limité par la surface de dernière diffusion qui peut être définie, en première approximation, comme la région de l’espace d’où a été émis, environ 380 000 ans après le Big Bang, le rayonnement électromagnétique observé aujourd’hui, le fond diffus cosmologique.

Son anisotropie a été cartographiée par COBE, WMAP puis Planck. Le fond cosmologique de neutrinos, prédit dès 19532 par Ralph Alpher, James Follin et Robert Herman3, n’a pas été détecté. Quant au fond cosmologique d’ondes gravitationnelles, sa détection par la collaboration BICEP24, annoncée le 17 mars 20145, est contestée.

Bien évidemment certaines régions de l’Univers observable ne sont pas visibles. Il s’agit des régions situées au-delà de l’horizon des trous noirs astrophysiques tels que les trous noirs stellaires, résultant de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives, ou les trous noirs supermassifs, situés au centre de galaxies.

Ainsi :

• l’Univers observable paraît fini alors que l’Univers est au moins beaucoup plus vaste et potentiellement infini .

• la lumière reçue des objets les plus lointains est décalée vers le rouge et devient de moins en moins visible et énergétique à mesure que l’objet est lointain.
  
• les objets astronomiques apparaissent d’autant plus jeunes (par rapport au Big Bang) qu’ils sont éloignés .
  
• la distance de l’objet à l’observateur au moment où sa lumière a été émise et sa distance au moment où la lumière est reçue par celui-ci peuvent être très différentes.
  
• De plus, du fait de l’expansion de l’Univers, certains objets qui se trouvaient plus proches de l’observateur que d’autres lors de l’émission de la lumière paraissent à la réception de la lumière plus éloignés.