Demandez à Ethan: Quelle est la taille de l'ensemble de l'univers inobservable dans son ensemble?

L'image du télescope Hubble montre un amas massif de galaxies PLCK_G308.3-20.2 qui brillent brillamment dans l'obscurité. Voilà à quoi ressemblent les immenses sections de l'Univers lointain. Mais jusqu'où s'étend l'Univers connu, y compris la partie que nous ne pouvons pas observer?

Il y a 13,8 milliards d'années, il y a eu un Big Bang. L'Univers était rempli de matière, d'antimatière, de rayonnement et existait dans un état superhot et superdense, mais en expansion et en refroidissement. À ce jour, son volume, y compris l'Univers que nous observons, s'est élargi au point que son rayon est de 46 milliards d'années-lumière, et la lumière qui entre aujourd'hui dans nos yeux pour la première fois rencontre les limites de ce que nous pouvons mesurer. Et quelle est la prochaine? Qu'en est-il de la partie inobservable de l'univers? C'est exactement ce que notre lecteur veut savoir:

Nous connaissons la taille de l'Univers observé, car nous connaissons son âge (au moins à partir du moment de la transition de phase) et nous savons comment la lumière se propage. Ma question est pourquoi les mathématiques décrivant le rayonnement relique et d'autres prédictions ne peuvent pas nous dire la taille de l'univers? Nous savons à quel point elle était chaude et froide maintenant. L'échelle n'affecte-t-elle pas ces calculs?

Oh, si seulement c'était aussi simple que cela.


L'histoire de l'Univers est définie ainsi que jusqu'où nous pouvons regarder dans le passé à l'aide de divers instruments et télescopes. Mais on peut dire, en recourant à la tautologie, que nos observations ne peuvent nous renseigner que sur ses parties observées. Tout le reste doit être deviné, et ces suppositions ne sont aussi bonnes que les hypothèses qui les sous-tendent.

Aujourd'hui, l'Univers est froid et grumeleux, il est également en expansion et a un effet gravitationnel. En regardant loin dans l'espace, nous regardons non seulement de longues distances, mais nous voyons également un passé lointain, en raison de la vitesse limitée de la lumière. Les parties éloignées de l'Univers sont moins bosselées et plus homogènes, elles avaient moins de temps pour la formation de structures plus grandes et plus complexes sous l'influence de la gravité.

Le premier Univers retiré de nous était également plus chaud. L'Univers en expansion conduit à une augmentation de la longueur d'onde de la lumière se propageant à travers lui. Avec son extension, la lumière perd de l'énergie, se refroidit. Cela signifie que dans un passé lointain, l'Univers était plus chaud - et nous avons confirmé ce fait en observant les propriétés des parties éloignées de l'Univers.


Une étude de 2011 (points rouges) fournit la meilleure preuve disponible aujourd'hui que la température du CMB était plus élevée dans le passé. Les propriétés spectrales et thermiques de la lumière venant de loin confirment le fait que nous vivons dans un espace en expansion.

Nous pouvons mesurer la température de l'Univers d'aujourd'hui, 13,8 milliards d'années après le Big Bang, en étudiant le rayonnement restant de cet état précoce chaud et dense. Aujourd'hui, il se manifeste dans la partie micro-ondes du spectre et est connu sous le nom de rayonnement relique. Il s'intègre dans le spectre d'émission d'un corps complètement noir et a une température de 2,725 K, et il est assez facile de montrer que ces observations coïncident avec une précision surprenante avec les prédictions du modèle Big Bang pour notre Univers.


Vraie lumière du soleil (gauche, courbe jaune) et un corps complètement noir (gris). En raison de l'épaisseur de la photosphère du soleil, elle se réfère davantage aux corps noirs. A droite, le vrai rayonnement relique, qui coïncide avec le rayonnement du corps noir, mesuré par le satellite COBE. Notez que l'erreur répartie sur le graphique de droite est étonnamment faible (environ 400 sigma). La coïncidence de la théorie et de la pratique est historique.

De plus, nous savons comment l'énergie de ce rayonnement change avec l'expansion de l'Univers. L'énergie photonique est inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Lorsque l'Univers était deux fois plus petit, les photons restants du Big Bang avaient deux fois plus d'énergie; lorsque la taille de l'Univers était de 10% de son courant, l'énergie de ces photons était 10 fois supérieure. Si nous voulons revenir au moment où la taille de l'Univers était de 0,092% de son courant, nous constatons que l'Univers était 10 ⁸⁹ fois plus chaud qu'aujourd'hui: environ 3000 K.À ces températures, l'Univers est capable d'ioniser tous les atomes qu'il contient. Au lieu des substances solides, liquides ou gazeuses, toute la matière dans l'Univers entier était sous forme de plasma ionisé.


Un univers dans lequel les électrons et les protons libres entrent en collision avec les photons se transforme en un neutre, transparent pour les photons, alors qu'il se refroidit et se dilate. A gauche se trouve le plasma ionisé avant l'émission du rayonnement CMB, à droite se trouve l'Univers neutre, transparent aux photons.

Nous arrivons à la taille de l'Univers d'aujourd'hui, comprenant trois problèmes connexes:

1. À quelle vitesse l'univers se développe aujourd'hui - nous pouvons mesurer cela de plusieurs façons.
2. À quel point l'Univers est chaud aujourd'hui - nous pouvons le découvrir en étudiant le rayonnement relique.
3. En quoi consiste l'Univers - y compris la matière, le rayonnement, les neutrinos, l'antimatière, la matière noire, l'énergie noire, etc.

En utilisant l'état actuel de l'Univers, nous pouvons extrapoler aux premiers stades du Big Bang chaud et arriver à des valeurs pour l'âge et la taille de l'Univers.


Un tracé logarithmique de la taille de l'Univers observé, en années-lumière, sur le temps qui s'est écoulé depuis le Big Bang. Tout cela ne s'applique qu'à l'Univers observable.

À partir de l'ensemble des observations disponibles, y compris le rayonnement relique, les données de supernova, les observations de structures à grande échelle et les oscillations acoustiques de baryons, nous obtenons une image décrivant notre univers. 13,8 milliards d'années après le Big Bang, son rayon est de 46,1 milliards d'années-lumière. C'est la limite de l'observé. Tout ce qui est plus éloigné, même se déplaçant à la vitesse de la lumière à partir du moment du Big Bang chaud, n'aura pas assez de temps pour nous atteindre. Au fil du temps, l'âge et la taille de l'univers augmentent et il y aura toujours une limite à ce que nous pouvons voir.


Représentation artistique de l'Univers observable à l'échelle logarithmique. Notez que nous sommes limités dans la mesure dans laquelle nous pouvons regarder dans le passé, le temps qui s'est écoulé depuis le chaud Big Bang. C'est 13,8 milliards d'années, ou (compte tenu de l'expansion de l'univers) 46 milliards d'années-lumière. Tout le monde vivant dans notre univers, à tout moment, verra presque la même image.

Que pouvons-nous dire de cette partie de l'Univers qui dépasse la portée de nos observations? Nous ne pouvons que spéculer sur la base des lois de la physique et de ce que nous pouvons mesurer dans notre partie observable. Par exemple, nous voyons que l'Univers à grande échelle est spatialement plat: il n'est pas courbé ni positivement ni négativement, avec une précision de 0,25%. Si nous supposons que nos lois de la physique sont formulées correctement, nous pouvons évaluer la taille de l'Univers jusqu'à ce qu'il se referme sur lui-même.


Les amplitudes des sections chaudes et froides et leurs échelles indiquent la courbure de l'Univers. Avec quelle précision nous pouvons mesurer, il semble parfaitement plat. Les oscillations acoustiques du baryon fournissent une autre méthode pour imposer des restrictions sur la courbure et conduisent à des résultats similaires.

Le relevé numérique du ciel de Sloan et le satellite Planck nous fournissent les meilleures données pour aujourd'hui. Ils disent que si l'Univers se plie même, se fermant sur lui-même, alors cette partie de celui-ci que nous pouvons voir est si impossible à distinguer de celle plate que son rayon ne devrait pas être inférieur à 250 fois le rayon de la partie observée.

Cela signifie que l'Univers inobservable, s'il n'y a pas de bizarreries topologiques, devrait avoir un diamètre d'au moins 23 billions d'années-lumière, et son volume devrait être au moins 15 millions de fois plus grand que celui que nous avons observé. Mais si nous nous permettons d'argumenter théoriquement, nous pouvons prouver de façon assez convaincante que la taille de l'Univers non observable devrait dépasser considérablement même ces estimations.


L'Univers observé peut avoir une taille de 46 milliards d'années-lumière dans toutes les directions depuis notre emplacement, mais au-delà de ces limites, il en existe certainement une grande partie, inobservable, peut-être même infinie, semblable à celle que nous voyons. Au fil du temps, nous pourrons en voir un peu plus, mais pas tout.

Le Big Bang chaud peut marquer l'apparition de l'Univers observable que nous connaissons, mais il ne marque pas l'origine de l'espace et du temps lui-même. Avant le Big Bang, l'Univers a traversé une période d'inflation cosmique. Il n'était pas rempli de matière et de rayonnement, et n'était pas chaud, mais:

• était rempli de l'énergie inhérente à l'espace lui-même,
• élargi à un taux exponentiel constant,
• et créé un nouvel espace si rapidement que la plus petite longueur possible, <a

Longueur de Planck [1,6 × 10 ^-35 m], étirée à la taille de l'Univers observée aujourd'hui toutes les 10 ^-32 secondes.


L'inflation provoque une expansion exponentielle de l'espace, ce qui peut très rapidement conduire au fait qu'un espace incurvé ou non lisse semblera plat. Si l'Univers est courbé, le rayon de sa courbure est au moins des centaines de fois plus grand que ce que nous pouvons observer.

Dans notre partie de l'univers, l'inflation a vraiment pris fin. Mais trois questions, dont nous ne connaissons pas les réponses, affectent grandement la taille réelle de l'Univers, et si elle est infinie:

1. Quelle est la taille de la section de l'univers après l'inflation qui a engendré notre Big Bang?
2. L'idée d'une inflation perpétuelle est-elle vraie, selon laquelle l'Univers se dilate à l'infini, du moins dans certaines régions?
3. Combien de temps l'inflation a-t-elle duré jusqu'à ce qu'elle s'arrête et donne naissance au chaud Big Bang?

Il est possible que la partie de l'Univers où l'inflation se produise ait pu atteindre une taille pas beaucoup plus grande que ce que nous pouvons observer. Il est possible qu'à tout moment il y ait des preuves de l'existence d'une "marge" sur laquelle l'inflation s'est arrêtée. Mais il est également possible que l'Univers de Google soit plus grand que l'observable. Sans répondre à ces questions, nous n'obtiendrons pas de réponse à la principale.


Le grand nombre de régions individuelles dans lesquelles le Big Bang s'est produit est partagé par un espace qui ne cesse de croître en raison de l'inflation perpétuelle. Mais nous n'avons aucune idée de comment tester, mesurer ou accéder à ce qui se trouve au-delà de notre Univers observable.

Au-delà des limites de ce que nous pouvons voir, il y a très probablement un Univers plus grand, le même que le nôtre, avec les mêmes lois de la physique, avec les mêmes structures cosmiques et les mêmes chances pour une vie complexe. De plus, la «bulle» dans laquelle l'inflation s'est terminée doit avoir une taille finie, malgré le fait qu'un nombre exponentiellement élevé de telles bulles sont contenues dans un espace-temps plus grand et en expansion. Mais même si cet Univers entier, ou Multivers, peut être incroyablement grand, il peut ne pas être infini. En fait, à moins que l'inflation ne se poursuive indéfiniment ou que l'Univers ne naisse pas infiniment grand, il doit être fini.


Peu importe la taille de la partie de l'Univers que nous observons, peu importe à quelle distance nous pouvons regarder, tout cela ne constitue qu'une petite fraction de ce qui devrait exister là-bas, à l'extérieur.

Le plus gros problème est que nous n'avons pas suffisamment d'informations pour une réponse spécifique à la question. Nous savons seulement accéder aux informations disponibles au sein de notre Univers observable: ces 46 milliards d'années-lumière dans toutes les directions. La réponse à la plus grande question, à propos de la finitude ou de l'infinité de l'Univers, peut être cachée dans l'Univers lui-même, mais nous ne pouvons pas en savoir une partie suffisamment grande pour en être sûr. Et tant que nous ne nous en occuperons pas ou que nous ne trouverons pas un plan astucieux pour élargir les limites des possibilités de la physique, nous n'aurons que des probabilités.