Horizons lointains. Variations sur le thème des dimensions de l’Univers

Le regard tourné vers la voûte céleste, l’homme s’est toujours émerveillé et interrogé. Attiré mais aussi effrayé ou frustré par ce qu’il pressentait être, bien plus que l’Océan, la véritable immensité, il a plusieurs fois donné ses réponses sans accepter son incapacité à comprendre, en peuplant de divinités cet espace surhumain. Quelques philosophes grecs comme Aristarque de Samos ou Aristote ont cependant tenté des explications rationnelles. Certaines étaient plutôt bonnes, d’autres franchement mauvaises mais comme par manque de données d’observation il n’y avait pas d’arbitrage possible, ce sont les plus timides et les moins imaginatifs de ces penseurs qui imposèrent leurs vues. Je pense évidemment à Aristote et à tout le mal qu’il a fait à la science astronomique au travers de l’Eglise jusqu’après Galilée. Depuis quelques siècles l’esprit scientifique fondé solidement sur l’observation, l’esprit critique et la démonstration, s’est heureusement affermi et, assisté par un développement technologique extraordinaire, il apporte des éléments de plus en plus sérieux pour comprendre. Cependant si nous savons toujours plus nous ignorons encore beaucoup !

Faisons l’état des lieux, sans prétendre être exhaustif (ce serait difficile sur un tel sujet et dans un article de blog) !

NB : J’ai voulu dans cet article reprendre et prolonger les commentaires de Christophe de Reyff, physicien, ancien responsable de l’énergie à l’Office Fédéral de l’Energie (OFEN), à propos de mon article sur le projet LISA (ondes gravitationnelles).

Dès la première approche, les dimensions de l’Univers posent problème. On sait maintenant qu’il a commencé comme d’autres peut-être et peut-être à l’occasion d’une fluctuation quantique dans un vide qui n’était pas si vide, comme un volume extraordinairement massif et dense, évoluant dès l’origine en expansion à partir de l’infiniment petit, il y a 13,8 milliards d’années (13,799 +/-0,021). La lumière ou plutôt les divers signaux « messagers » provenant de ce moment ont mis cette durée à nous parvenir à la vitesse de…la lumière. Mais si l’on voulait revenir vers notre source (en en ayant bien sûr le temps) à cette même vitesse, constante universelle par définition immuable et intangible, il nous faudrait 42 milliards d’années*. L’explication étant que l’espace n’est pas resté inchangé depuis les origines mais qu’il s’est dilaté, dit autrement, qu’il y a eu « expansion ».

Toute la difficulté pour appréhender le sujet vient de cette immensité, de la limitation imposée par la vitesse de la lumière, du coefficient d’expansion et de la stabilité ou des variations de ce coefficient (accélération).

Alors si on regarde autour de nous, jusqu’où voit-on ? La bonne nouvelle c’est que compte tenu de la vitesse de la lumière on peut encore voir ou entendre nos origines (il vaudrait mieux dire « les percevoir » car les « messagers » ne sont pas que lumineux, ils occupent tout le spectre électromagnétique, et ils ne sont pas qu’électromagnétiques puisque les ondes gravitationnels, les neutrinos et les rayons cosmiques particulaires sont aussi porteurs d’informations). En effet la distance n’est pas telle que compte tenu de l’expansion nous nous éloignions actuellement des premiers signaux à une vitesse supérieure à celle de la lumière. En fait la limite au-delà de laquelle la fuite d’expansion serait supérieure à celle de la lumière et donc au-delà de laquelle aucun signal ne pourrait nous parvenir est actuellement de 14,45 milliards d’années, l’« horizon des photons » qui délimite la « surface de Hubble ». Nous pouvons donc encore voir aussi loin que nécessaire (même théoriquement plus loin) bien que très difficilement en raison du très fort décalage vers le rouge (effet Doppler-Fizeau résultant de la vitesse croissante d’éloignement en fonction de la distance) les premiers jaillissements de la lumière (visibles sur la « carte » qu’on appelle le fond diffus cosmologique ou la « surface de dernière diffusion » ou « Cosmic Microwave Background ») qui ont eu lieu il y a 13,8 milliards d’année moins 380.000 ans. Il faut en effet tenir compte de ce que suivant le Big-bang et jusqu’à la « recombinaison » (association des électrons avec les protons) qui eut lieu à cette époque, la lumière ne s’était pas encore dégagée de la matière. Mais on pourrait aller au-delà de cette barrière de 380.000 ans, vers le Big-bang, en exploitant les données fournies par les émissions de neutrinos et d’ondes gravitationnelles qui ont pu s’exprimer avant, ou en étudiant davantage la surface de dernière diffusion dont les irrégularités (« anisotropies ») expriment bien évidemment ce qui s’est passé « avant ».

Mais que voit-on ? Il est bien connu et compris que nous ne voyons que dans le passé puisque la vitesse de la lumière ne peut nous transmettre d’information que sur ce qui existait quand elle a été émise. Nous sommes donc de ce point de vue au sommet d’une sphère*, notre regard (ou plutôt notre regard avec l’aide de nos instruments d’observations) nous permettant de voir tout autour de nous des objets de plus en plus anciens au fur et à mesure qu’ils sont plus lointains. Nous ne pourrons jamais connaître directement notre univers contemporain, c’est frustrant mais c’est ainsi. Nous ne pouvons que le déduire en appliquant et en extrapolant sur les principes d’homogénéité et d’isotropie constatés pour l’univers lointain. Une étoile géante rouge voisine comme Antarès ou Bételgeuse (situées toutes deux à environ 500 années-lumière) deviendra un jour une supernova mais nous ne le saurons que lorsque nous aurons reçu le rayonnement nous en informant, 500 ans après qu’il ait été émis. Nous sommes donc forcément au centre de notre univers observable, constatant tout autour de nous un horizon limité par la surface de dernière diffusion et, plus en profondeur, par certaines sources d’émission de neutrinos et certaines sources d’émission d’ondes gravitationnelles. Cet horizon est différent de notre « horizon cosmologique » qui est la limite, « buttant » sur le Big-bang il y a 13,8 milliards d’années-lumière, au-delà de laquelle aucun signal ne pourrait être reçu et différent de l’« horizon de Hubble » (également appelé « horizon des photons ») qui est la distance à laquelle la vitesse des photons qui nous atteignent aujourd’hui venant de ces sources dépasserait la vitesse de la lumière, soit 14,45 milliards d’années-lumière. Un jour, l’expansion de l’univers se poursuivant, la vitesse d’éloignement de la totalité des astres qui nous entourent aura été accélérée jusqu’à dépasser la vitesse de la lumière et notre horizon sera devenu intégralement noir au-delà de la masse de matière retenue dans notre galaxie par son trou noir central et des galaxies voisines qui lui sont dépendantes. Notre horizon des photons (qui se sera dilaté jusqu’à atteindre 17,41 milliards d’années-lumière) nous empêchera de voir jusqu’à notre horizon cosmologique (qui se sera dilaté beaucoup plus vite). Mais ce sera dans très, très, longtemps, l’échéance dépendant non seulement de l’expansion mais aussi de l’accélération de l’expansion de notre univers.

On discute beaucoup de ces deux phénomènes. Voyons d’abord l’expansion. On parle de la « constante » (et on a tort) de Hubble (« H ») qui est la vitesse d’éloignement des astres qui nous entourent divisée par la distance qui nous sépare, le problème pour l’apprécier étant la définition de la distance (la vitesse donnée par le déplacement vers le rouge par effet Doppler-Fizeau est moins difficile à évaluer). On a obtenu plusieurs résultats pour ce paramètre, en fonction de l’instrument utilisé et des données prises en compte mais on approche sans doute d’un bon chiffre. Une méthode de calcul (à l’aide du télescope Planck, successeur de COBE puis de WMAP) repose sur une extrapolation des variations de températures constatées dans les anisotropies apparaissant à la surface du fonds diffus cosmologique. Une deuxième, présentée par l’Université Carnegie, utilise les Céphéides (dont la luminosité régulière est depuis longtemps considérée comme un bon indicateur des distances). Une troisième, imaginée et mise en œuvre par la collaboration H0LICOW en 2017, utilise les lentilles gravitationnelles. Une quatrième présentée tout récemment (2019) par la même université Carnegie, utilise les pics d’éclat des étoiles géantes rouges comme des standards de luminosité en combinant ces données avec celles de la luminosité de certaines supernovæ (type SN1a). La méthode Planck donne 66,93 +/- 0,62 km/s/Mpc, celle de Carnegie « 1 », 74 km/s/Mpc, celle de la collaboration H0LICOW 71,9 +/- 2,7 km/s/Mpc et celle de Carnegie « 2 », 69.8 km/s/Mpc. LISA qui doit collecter les ondes gravitationnelles dans les années 2030 devrait apporter sa contribution avec une grande précision. On affine donc et on finira sans doute par se mettre d’accord…mais la vraie difficulté vient de ce que cette « constante » ne l’est qu’à une époque donnée, ce qui fait qu’elle n’est plus une constante comme on le pensait mais qu’elle n’est que la valeur actuelle, H0, du « paramètre » H de Hubble.

S’il y a variation de la « constante » c’est qu’il y a eu accélération ou décélération de l’expansion. Qu’en est-il ? On sait déjà que l’expansion n’a pas été constante au tout début de l’univers, bien avant les 380.000 ans mentionnés plus haut, pendant la période dite d’« inflation » (entre 10-35 et 10-32 secondes suivant le Big-bang). Pour la suite, il semble qu’elle ait commencé à accélérer il y a 6 ou 7 milliards d’années et que cela va continuer. Pour mieux comprendre cette réalité actuelle et cette perspective, il faut ouvrir un autre « tiroir » c’est-à-dire considérer d’une part l’effet de masse qui freine l’expansion, via le « paramètre de densité », que l’on symbolise par «  » (Oméga), et d’autre part le coefficient qui l’accélère, qu’on appelle « constante cosmologique » et qu’on symbolise par « Λ » (Lambda).

Le premier, Ω, exprime la totalité de la matière dans l’univers, toute la matière y compris la fameuse « matière noire » (évaluée grâce aux observations du télescope Planck comme constituant 25,8% des composants de l’univers)! Il nous donne la courbure de l’espace-temps (certains comme le Professeur Luminet, disent que c’est cette courbure qui lui donne son dynamisme). Si Ω >1 la courbure de l’espace est sphérique (elle se referme sur elle-même), on va vers une contraction de l’univers, il est donc fini ; si Ω <1 la courbure est hyperbolique et on va vers un univers infini. D’après les études actuelles il est très légèrement positif avec Ω =1,11 +/-0,13, ce qui n’est malgré tout pas très concluant puisque les 0,13 mettent la conséquence dans la marge d’erreur.

Le second, Λ, coefficient d’accélération (“constante cosmologique“), compense cette force de contraction, on pourrait dire qu’il ouvre l’univers vers une expansion accélérée. Imaginé par Albert Einstein pour équilibrer ses calculs, il l’avait tout de suite rejeté mais on le reprend aujourd’hui car avec nos moyens d’observations, il « fait sens ». Il est extrêmement faible mais non nul et positif (1,1056 x 10-52 m-2). Certains disent qu’il pourrait exprimer la toujours hypothétique « énergie sombre » (évaluée par Planck à 72,8% des composants de l’univers). Le résultat de cette accélération entretenue par la constante cosmologique est que le paramètre de Hubble (H) décroit. Cependant la conséquence du caractère de constante du coefficient Λ c’est qu’il existe une valeur minimale à H qui donc s’arrêtera de décroître. La sphère de l’univers observable sera alors égale à la sphère de l’univers cosmologique (mais la quantité d’objets dans l’univers observable continuera de décroître puisque petit à petit ils en sortiront du fait qu’ils seront à une distance telle que leur lumière ne pourra plus nous rejoindre). Savoir si l’accélération continuera toujours reste un mystère tant que l’on ne connaît pas la nature de l’énergie sombre (ce n’est toujours qu’une hypothèse).

Comme notre possibilité de voir est limitée par la vitesse de la lumière, il est très difficile de savoir quelle forme a l’univers. Autrement dit, il est très difficile d’apprécier jusqu’à quel point notre perception est altérée par la structure de l’espace-temps. Dans notre environnement (on pourrait dire « à l’intérieur ») on se le représente assez bien comme une sorte d’éponge très mousseuse, les fibres de matières s’agglomérant autour de sortes de nodosités qui sont les régions où la matière est la plus dense et la force de gravité, la plus puissante, s’étirant autour de vastes cellules « vides » ou vidées par la force d’attraction des concentrations de matière voisines (« cosmic voids »). A plus grande échelle on en est encore aux supputations. Ce qu’on sait, c’est que l’univers est fini ne serait-ce que parce qu’il a eu un début et aussi parce qu’ Ω semble >1! Mais s’il est fini il est peut-être sans bord (« illimité ») ce que l’on sait possible depuis le développement des géométries non-euclidiennes. C’est la théorie de Jean-Pierre Luminet (voir lien vers sa conférence, ci-dessous). Comme volume, il privilégie l’espace sphérique dodécaédrique de Poincaré, figure compliquée qui introduit marginalement la possibilité de mirage topologique qui nous présenterait des images fantômes de la réalité (l’univers physique, jusqu’à l’« horizon des particules » d’aujourd’hui – 42 milliards d’années-lumière* – étant légèrement plus petit que l’univers observable contemporanéisé -53 milliards d’années-lumière). Reste à le démontrer en trouvant des images différentes d’une même source. Difficile à obtenir compte tenu de ce que les rayonnements qui nous parviendraient de cette même source par deux ou plusieurs chemins différents, auraient des âges différents et présenteraient donc des images différentes de cette même source ! On fait cependant de grands progrès en ce sens en y travaillant sur le CMB (voir article de l’Observatoire de Paris – obspm – ci-dessous).

Liens :

https://carnegiescience.edu/news/new-measurement-universes-expansion-rate-stuck-middle

https://www.youtube.com/watch?v=pjWSZWtr1Lw

https://www.obspm.fr/l-espace-dodecaedrique-de.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Surface_de_derni%C3%A8re_diffusion

https://arxiv.org/abs/astro-ph/0310253

Image de titre : Représentation de l’Univers en expansion accélérée. Crédit NASA/WMAP

Image ci-dessous: représentation de la structure de l’univers d’après les données collectées par le télescope Planck. Les distances ont été corrigées en appliquant le paramètre H0. Crédit: Max Planck Institute for Astrophysics, Millennium Simulation Project:

image ci-dessous: carte du CMB (Cosmic Microwave Background) c’est à dire de la “Surface de Dernière Diffusion” ou “Fonds Diffus Cosmologique”. Crédit: NASA/WMAP Science Team.

Image ci-dessous : visualisation de l’espace dans la topologie PDS (Poincaré Dodecaedric Space): crédit Observatoire de Paris. On voit clairement que cela “brouille les pistes”. Notez bien qu’au niveau du fond diffus cosmologique les mirages topologiques ne seraient quand même que marginaux.

Paradoxe:

Lorsque nous regardons à partir de notre situation aujourd’hui vers le lointain le plus éloigné possible nous parvenons jusqu’au CMB (13,8-0,38 G al) que l’on peut assimiler à un point (40 millions d’années-lumière de diamètre). Lorsque nous pivotons de 180° pour regarder aussi loin que possible dans la direction opposée, notre perception parvient jusqu’au même point, le CMB, du fait de la courbure de l’espace imposée par le temps via la vitesse de la lumière. Notre univers d’observation est donc strictement contraint par ce volume en forme de cône surmonté d’une demi-sphère (pour simplifier!). La droite allant jusqu’au CMB est le rayon d’un sphère mais le second rayon qui en serait la prolongation pour constituer un diamètre, est du point de vue observationnel replié sur le premier.

Si nous considérons l’espace contemporain qui nous savons existe mais que nous ne pouvons voir du fait de la finitude de la vitesse de la lumière, sachant que la distance au CMB est aujourd’hui de 42 G al du fait de l’accélération de l’expansion de l’univers, nous pouvons maintenant considérer la réalité d’une surface (volume mis à plat) dont 42 G al serait le rayon et qui aurait un diamètre de 84 G al.

NB: Cet article a été soumis à la relecture du Professeur Luminet.  Il en a approuvé le contenu en précisant que ce blog “contribue à une diffusion de la culture scientifique de qualité”.

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur:

Index L’appel de Mars 19 08 01 

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

Une réponse à “Horizons lointains. Variations sur le thème des dimensions de l’Univers

  1. Votre synthèse cosmologique peut soulever, à juste titre, plus d’une question et plus d’un paradoxe. Je m’en tiens pour l’instant à ceci : la question de la finitude ou de l’infinitude de l’Univers. Cette question a été, est encore, et sera toujours d’actualité, je crois, car on ne pourra pas la “trancher expérimentalement”, sinon par la pensée. Au fond, cela dépend du mode d’existence de cette infinité. Philosophiquement, on peut seulement dire qu’il est douteux (voire contradictoire !) que l’infini, “un” infini “en acte” puisse exister, être réalisé effectivement, en ce monde matériel. On peut concevoir “facilement” par la pensée plusieurs infinis (et cela aussi en nombre infini), par exemple, en mathématiques, car c’est un mode d’existence possible “in mente” qui n’entraîne pas un mode d’existence concret : les nombres naturels, entiers, pairs, impairs, premiers, rationnels, irrationnels, réels… Tous sont en nombre infini, mais chacun de ces infinis est, strictement, différent puisque certaines de ces catégories infinies de nombres en contiennent d’autres également en nombre infini, jusqu’au paradoxe où la différence de deux infinis peut être finie, mais aussi être infinie. L’infini peut, bien sûr, aussi exister en soi (“in se”), indépendamment d’une réalité matérielle effective et aussi du fait qu’on le pense ou non. La question reste : quel est l’Univers connaissable ? Auquel des horizons mentionnés ci-dessus s’arrête-t-il, ou plus précisément, se limite notre connaissance ? Car la question se complique encore : dans le temps qui passe, l’Univers connu (par nos ancêtres, par nous, par nos descendants), et donc connaissable, évolue ; on a l’impression évidente d’en connaître de plus en plus, mais on sait aussi que, du fait de l’accélération de l’expansion de l’Univers, on en connaîtra de moins en moins, l’Univers étant voué à se vider, au sens propre, autour de nous et à devenir vide et vraiment noir. Nos descendants ne pourront plus observer au télescopes le beau spectacle de galaxies lointaines qui seront toutes sorties de l’horizon expérimental qui règnera alors (mais en pensée ils sauront leur existence à jamais invisible) ! Pourtant même cette finitude, probable, de l’Univers (disons, pour être concret, un volume fini, une masse finie, un nombre fini de particules nucléoniques, de neutrinos de photons) n’empêche pas qu’il soit, déjà maintenant et depuis toujours, “sans bord”, sans borne, illimité (comme l’est la surface finie d’une sphère qui n’a pas de “bord”). À cela s’ajoute, comme vous le rappelez, les deux aspects de sa géométrie (euclidienne ou non, à courbure positive, nulle ou négative) et la question de la topologie simple ou complexe d’un Univers “chiffonné”, comme le dit si bien Jean-Pierre Luminet dans son livre “L’Univers chiffonné” (Fayard, 2001 et Gallimard, folio essais, 2005).

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