Demandez à Ethan: À quoi ressemble le bord de l'univers?

La simulation de la structure à grande échelle de l'Univers montre des grappes complexes non répétitives. Mais de notre point de vue, nous pouvons voir le volume fini de l'Univers. Qu'est-ce qui se trouve au-delà?

Il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers connu a commencé avec le Big Bang. Pendant ce temps, l'espace s'est étendu, la matière a connu une attraction gravitationnelle, et en conséquence, nous avons obtenu un tel univers que nous observons aujourd'hui. Mais même si c'est énorme, nos observations ont des limites. À une certaine distance, les galaxies disparaissent, les étoiles s'estompent et nous ne recevons aucun signal des parties éloignées de l'Univers. Mais qu'est-ce qui dépasse cette limite? Cette semaine, le lecteur demande:

Si l'univers est fini en volume, où est sa frontière? Quelqu'un peut-il s'approcher d'elle? À quoi ressemblera-t-elle?

Commençons par notre emplacement actuel et regardons aussi loin que possible.


Les étoiles et les galaxies que nous voyons à proximité ressemblent aux nôtres. Mais plus nous regardons loin, plus nous approfondissons le passé de l'Univers: là, il est moins structuré, plus jeune et moins développé

Dans le voisinage immédiat de nous, l'univers est plein d'étoiles. Si vous vous envolez pour 100 000 années-lumière, vous pouvez réserver la Voie lactée. Au-delà, il y a une mer de galaxies - peut-être deux mille milliards à l'intérieur de l'Univers observable. Il existe un grand nombre de variétés, formes, tailles et masses. Mais en regardant des galaxies plus éloignées, vous pouvez voir quelque chose d'inhabituel: plus la galaxie est éloignée, plus elle sera probablement plus petite en taille et en masse, et ses étoiles graviteront vers le bleu plus fortement que les galaxies les plus proches.


Quelle est la différence entre les galaxies à différents moments de l'histoire de l'univers

Cela a du sens si l'univers a un début: un anniversaire. C'était ça le Big Bang, le jour où l'univers que nous connaissions était né. L'âge de la galaxie, qui est relativement proche du nôtre, coïncide avec notre âge. Mais en regardant une galaxie à des milliards d'années-lumière, nous voyons de la lumière qui a dû passer des milliards d'années avant qu'elle n'atteigne nos yeux. L'âge de la galaxie, dont la lumière a mis 13 milliards d'années pour nous atteindre, devrait avoir moins d'un milliard d'années, et en regardant plus profondément dans l'espace, nous regardons en fait le passé.


Le composite de lumière ultraviolette, visible et infrarouge obtenu par le projet Hubble eXtreme Deep Field - la plus grande des images publiées de l'Univers lointain

Ci-dessus, l'image du projet Hubble eXtreme Deep Field (XDF), l'image la plus profonde d'un univers lointain. Des milliers de galaxies y sont visibles, situées à des distances très différentes de nous et les unes des autres. Mais dans une couleur simple, il est impossible de voir que chaque galaxie a un spectre spécifique dans lequel des nuages ​​de gaz absorbent la lumière de longueurs d'onde très spécifiques, grâce à la physique simple de l'atome. Avec l'expansion de l'Univers, cette longueur est allongée, donc les galaxies plus éloignées nous semblent plus rouges. Cette physique nous permet de faire des hypothèses sur la distance qui les sépare, et lorsque nous organisons ces distances, il s'avère que les plus jeunes et les plus petites sont les galaxies les plus éloignées.



Derrière les galaxies, il devrait y avoir les premières étoiles, puis rien d'autre qu'un gaz neutre - lorsque l'Univers n'a pas eu le temps de tirer la matière dans des structures suffisamment denses pour former des étoiles. Passé il y a quelques millions d'années, nous verrons que le rayonnement dans l'Univers était si chaud que des atomes neutres ne pouvaient pas s'y former, ce qui signifie que les photons rebondissaient constamment sur les particules chargées. Lorsque des atomes neutres se sont formés, cette lumière devrait simplement aller en ligne droite et aller pour toujours, car elle n'est affectée par rien d'autre que l'expansion de l'univers. La découverte de cette lueur résiduelle - rayonnement relique - il y a plus de 50 ans a été la confirmation définitive du Big Bang.


Un diagramme systématique de l'histoire de l'univers décrivant la réionisation . Avant la formation des étoiles et des galaxies, l'Univers était rempli d'atomes neutres qui bloquaient la lumière. Et bien que la plupart de l'univers ait subi une réionisation seulement après 550 millions d'années, certains sites plus chanceux ont été pratiquement réionisés avant cette époque.

De notre emplacement actuel, nous pouvons regarder dans toutes les directions et voir le même cours de l'histoire de l'espace. Aujourd'hui, 13,8 milliards d'années après le Big Bang, nous connaissons les galaxies et les étoiles. Auparavant, les galaxies étaient plus petites, plus bleues, plus jeunes et moins développées. Avant cela, il y avait les premières étoiles, et avant cela - seulement des atomes neutres. Avant les atomes neutres, il y avait le plasma ionisé, et avant lui - les protons et neutrons libres, la présence spontanée de matière et d'antimatière, les quarks et les gluons libres, toutes les particules instables du modèle standard et, enfin, le moment du Big Bang. Regarder des distances toujours plus grandes revient à regarder le passé.


Représentation de l'artiste sous la forme d'un concept logarithmique de l'Univers observable. Les galaxies sont suivies d'une structure à grande échelle et du plasma chaud et dense du Big Bang dans les arrière-cours. Une arête n'est une limite que dans le temps.

Bien que cela définisse notre univers observable - avec la frontière théorique du Big Bang, située à 46,1 milliards d'années-lumière de notre emplacement - ce ne sera pas une véritable frontière de l'espace. Ce n'est qu'une chronologie; il y a des limites à ce que nous pouvons voir, car la vitesse de la lumière a permis à l'information de voyager seulement 13,8 milliards d'années à partir du moment du Big Bang chaud. Cette distance est supérieure à 13,8 milliards d'années-lumière, car le tissu de l'Univers s'est étendu (et continue de s'étendre), mais il est certainement fini. Mais qu'en est-il du temps avant le Big Bang? Que verriez-vous si, d'une manière ou d'une autre, vous tombiez en une fraction de seconde avant que l'Univers ne possède les énergies les plus élevées, qu'il soit dense, chaud, plein de matière, d'antimatière et de rayonnement?


L'inflation a fourni un Big Bang chaud et a donné naissance à un univers observable, auquel nous avons accès. Les fluctuations de l'inflation ont semé des graines qui ont grandi dans sa structure actuelle

Vous trouveriez un état d'inflation cosmique dans lequel l'Univers s'est développé extrêmement rapidement, et dans lequel l'énergie inhérente à l'espace lui-même a dominé. L'espace à cette époque s'est élargi de façon exponentielle, a été étiré à plat, a acquis les mêmes propriétés à tous les endroits, puis les particules qui existaient ont été dispersées dans des directions différentes, et les fluctuations inhérentes aux champs quantiques ont été étirées à travers tout l'Univers. Lorsque l'inflation s'est terminée à l'endroit où nous nous trouvons, un Big Bang chaud a rempli l'Univers de matière et de rayonnement, et a engendré cette partie de l'Univers - l'Univers observable - que nous voyons aujourd'hui. Et maintenant, 13,8 milliards d'années plus tard, nous avons ce que nous avons.


L'Univers observable peut s'étendre à 46 milliards d'années-lumière dans toutes les directions de notre point de vue, mais il y a certainement plus de parties inobservables de l'Univers, peut-être même une quantité infinie, semblable à celle dans laquelle nous sommes

Notre situation n'est pas différente, ni dans l'espace ni dans le temps. Ce que nous pouvons voir à 46 milliards d'années-lumière n'attache aucune importance particulière à cette frontière ou à cet endroit. Il s'agit simplement d'une limitation de notre champ de vision. Si nous pouvions en quelque sorte prendre une photo de l'Univers entier, s'étendant au-delà de la frontière observée, telle qu'elle était devenue 13,8 milliards d'années après le Big Bang, tout ressemblerait à notre partie la plus proche. Il aurait un grand réseau cosmique de galaxies, d'amas, de filaments galactiques , de vides cosmiques, s'étendant au-delà de la zone relativement petite visible pour nous. N'importe quel observateur n'importe où verrait un univers très similaire à celui que nous voyons de notre point de vue.


L'une des observations les plus éloignées de l'Univers montre des étoiles et des galaxies proches, mais les galaxies des régions extérieures semblent simplement plus jeunes et moins développées. De leur point de vue, ils ont 13,8 milliards d'années, et ils sont plus développés, et nous leur semblons tels qu'ils étaient il y a des milliards d'années

Les détails individuels différeraient, car les détails de notre système solaire, galaxie, groupe local, etc. diffèrent. des détails d'un autre observateur. Mais l'Univers n'est pas limité en volume - seule sa partie observée par nous est limitée. La raison en est la frontière temporaire - le Big Bang - qui nous sépare du reste. Nous ne pouvons l'approcher qu'à l'aide de télescopes, qui regardent les premiers jours de l'Univers, et en théorie. Jusqu'à ce que nous trouvions comment déjouer l'heure actuelle à sens unique, ce sera notre seule approche pour comprendre la «frontière» de l'Univers. Mais dans l'espace, il n'y a pas de frontières. Autant que nous sachions, quelqu'un au bord de notre Univers observable nous verrait juste au bord de son Univers observable!

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 ].

FAQ: si l'Univers se développe, pourquoi ne nous développons-nous pas ? pourquoi l'âge de l'Univers ne coïncide pas avec le rayon de sa partie observée .