Demandez à Ethan: l'Univers a-t-il un centre?

L'Univers est à peu près le même dans toutes les directions, mais les galaxies lointaines semblent plus jeunes et moins évoluées que celles les plus proches

Nous savons que notre univers a commencé avec le Big Bang, mais cela ne signifie pas que nous l'imaginions tous correctement. La plupart des gens l'imaginent comme une explosion: quand tout a commencé avec un état chaud et dense, puis s'est étendu sur les côtés et s'est refroidi, tandis que divers fragments de fragments s'éloignaient les uns des autres. Mais, quelle que soit la beauté de cette image, elle est incorrecte. Notre lecteur pose-t-il une question connexe?

Il est intéressant de voir comment il s'avère que l'univers n'a pas de centre et que le rayonnement relique est éloigné dans n'importe quelle direction à une distance égale de nous. Il me semble que si l'univers se développe, alors vous pouvez toujours trouver l'endroit où il a commencé à se développer.

Tout d'abord, réfléchissons à la physique de l'explosion et à ce que serait notre univers s'il commençait avec l'explosion.


Les premières étapes d'une explosion lors d'un essai nucléaire à Trinity , 16 millisecondes après détonation. La partie supérieure de l'explosion a atteint 200 m.

L'explosion commence à un certain point et s'étend rapidement dans toutes les directions. Les débris les plus rapides se déplacent plus rapidement que les autres. Plus vous êtes éloigné du centre de l'explosion, moins vous atteindrez de matière. La densité d'énergie avec le temps diminue partout, mais plus loin du centre de l'explosion, elle diminue plus rapidement, car le matériau à la périphérie de l'explosion est plus dispersé. Peu importe où vous êtes - si l'explosion ne vous a pas détruit, vous pouvez toujours reconstruire le centre de l'explosion.


La structure à grande échelle de l'Univers change avec le temps, de petites imperfections se développent et forment les premières étoiles et galaxies, puis fusionnent ensemble, formant de grandes galaxies modernes visibles pour nous aujourd'hui. En regardant sur de longues distances, nous voyons un univers plus jeune, comme notre région locale dans le passé.

Mais nous n'observons pas un tel univers. Il a la même apparence sur de longues et courtes distances: la même densité, la même énergie, le même nombre de galaxies. Les objets éloignés qui se déplacent de nous à une vitesse plus rapide ne ressemblent pas en âge à ceux qui sont plus proches de nous et se déplacent plus lentement; ils ont l'air plus jeunes. À longue distance, les objets ne deviennent pas plus petits, il y en a plus. Et si vous regardez le modèle de mouvement dans l'Univers, nous verrons que malgré le fait que nous pouvons entrevoir des dizaines de milliards d'années-lumière, le centre apparaît invariablement près de nous.


Le superamas de Laniakei , l'emplacement de la Voie lactée dans lequel est représenté en rouge, ne représente qu'un milliardième du volume de l'Univers observé. Si l'univers a commencé à la suite d'une explosion, alors la Voie lactée aurait dû être près du centre

Est-ce à dire que nous, des milliers de milliards de galaxies de l'univers, nous sommes accidentellement retrouvés au centre du Big Bang? Et que l'explosion d'origine a été ajustée de cette manière, et que des densités, des énergies irrégulières et inhomogènes et une lueur mystérieuse avec une température de 2,7 K ont été prises en compte? À quel point l'Univers serait mesquin s'il était réglé d'une manière si irréaliste dès le début.


Une explosion dans l'espace ferait sortir les couches extérieures du matériau plus rapidement que les autres, ce qui signifie qu'elles deviendraient moins denses, perdraient de l'énergie plus rapidement que les autres et présenteraient des propriétés différentes en s'éloignant du centre. De plus, l'explosion devrait s'étendre quelque part et ne pas étirer l'espace lui-même. Notre Univers ne correspond pas à une telle description.

Au lieu de cela, la relativité générale ne prédit pas une explosion, mais une expansion. Un univers qui a commencé avec un état chaud et dense dans lequel ses tissus se dilatent. Il y a une idée fausse que ce processus a commencé à partir d'un point - ce n'est pas le cas! Il y avait une région de l'espace avec de telles propriétés, remplie de matière, d'énergie, etc., puis l'Univers a commencé son évolution sous l'influence des lois de la gravité.



Il a des propriétés similaires partout, y compris la densité, la température, le nombre de galaxies, etc. Si nous regardons à l'extérieur, nous trouverons des preuves d'un univers en évolution. Puisque le Big Bang s'est produit partout en même temps qu'il y a un temps fini sur toute la partie du cosmos, et nous ne pouvons qu'observer cette partie, alors quand nous regardons de notre point de vue, nous voyons une partie de l'espace qui n'est pas très différente de notre emplacement dans le passé.


Regarder les distances cosmiques signifie regarder dans le passé. Nous vivons 13,8 milliards d'années après le Big Bang, mais le Big Bang s'est produit dans tous les autres endroits accessibles à l'observation. Le temps de propagation de la lumière vers d'autres galaxies signifie que nous voyons ces régions éloignées telles qu'elles étaient dans le passé.

Les galaxies, dont la lumière a mis un milliard d'années à nous atteindre, ressemblent à un milliard de glaces! Il y a 13,8 milliards d'années, le rayonnement plutôt que la matière prédominait dans l'Univers, et lorsque des atomes neutres se sont d'abord formés dans l'Univers, ce rayonnement est resté, puis s'est refroidi et a connu un décalage vers le rouge en raison de l'expansion de l'Univers. Ce que nous observons comme rayonnement relique n'est pas seulement la lueur résiduelle du Big Bang, mais ce rayonnement peut être vu de n'importe où dans l'Univers.


Seules quelques centaines de microkelvin - quelques pièces sur 100 000 - séparent les zones les plus chaudes des zones les plus froides du modèle CMB.

L'univers n'a pas nécessairement de centre; ce que nous appelons le «patch» de l'espace dans lequel le Big Bang s'est produit peut être de taille infinie. S'il y a un centre, il peut littéralement être partout et nous ne le saurions pas; une partie de l'univers que nous observons n'est pas suffisante pour le découvrir. Nous aurions besoin de voir le bord, l'anisotropie fondamentale (où les différentes directions diffèrent les unes des autres) de la température et du nombre de galaxies, et notre Univers, à la plus grande échelle, a en fait la même apparence partout et dans toutes les directions.


L'image logarithmique de l'Univers observable selon l'artiste

Il n'y a aucun endroit à partir duquel l'univers a commencé à s'étendre à cause du Big Bang; il y a un temps à partir duquel l'univers a commencé à se développer. C'est exactement le Big Bang - une condition qui affecte tout l'univers observable à un certain moment. Par conséquent, regarder de longues distances dans toutes les directions signifie regarder dans le passé. Par conséquent, toutes les directions ont approximativement les mêmes propriétés. Et par conséquent, notre histoire de l'évolution cosmique peut être retracée, autant que nos observations peuvent le paraître.


Les galaxies de la Voie lactée et leur passé

L'Univers peut avoir une taille et une forme finies, mais si tel est le cas, ces informations ne nous sont pas disponibles. La partie de l'univers à notre disposition pour l'observation est finie, et cette information n'est pas contenue dans cette partie. Si vous représentez l'Univers sous la forme d'une boule, d'un pain ou d'une autre analogie que vous aimez, n'oubliez pas que vous n'avez accès qu'à une infime partie du vrai Univers. Ce que nous observons, c'est la limite inférieure de ce qui existe. Elle peut être finie, elle peut être infinie, nous sommes seulement sûrs qu'elle se dilate, que sa densité diminue, et plus nous regardons, plus nous pouvons approfondir le passé. Comme l'a dit l'astrophysicienne Katie Mack:

L'Univers se développe à mesure que votre conscience se développe. Il ne se développe pas quelque part; vous devenez juste moins stupide [ dense (eng.) - "serré", ainsi que "stupide" / env. perev. ]

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].