Demandez à Ethan : Où se trouve le centre de l’Univers ?

Il y a deux choses que les gens apprennent sur l’Univers qui les surprennent plus que toute autre : que l’Univers n’existe pas depuis toujours mais seulement pendant un temps fini depuis le Big Bang, et qu’il est en expansion depuis que cet événement a eu lieu. La plupart des gens entendent intuitivement ce « bang » et imaginent une explosion, puis conçoivent l’expansion comme ils imagineraient des éclats d’obus projetés dans toutes les directions. Il est vrai que la matière et l’énergie de l’Univers ont commencé dans un état chaud et dense en une seule fois, puis se sont étendues et refroidies à mesure que les différents composants s’éloignaient les uns des autres. Mais cela ne signifie pas que l’image de l' »explosion » soit correcte. Nous avons reçu une très bonne question de Jasper Evers, qui réfléchit:

Je me demande comment il n’y a pas de centre de l’univers et comment le rayonnement de fond cosmique est éloigné partout où nous regardons. Il me semble que lorsque l’univers s’étend… il devrait y avoir un endroit où il a commencé à s’étendre.

Après tout, ce que cette question demande est exactement ce qui s’aligne avec notre expérience chaque fois que nous rencontrons une explosion.

Dès que vous avez une explosion, qu’elle soit basée sur une réaction de combustion, une explosion nucléaire, une rupture causée par la surpression d’un conteneur, etc, les choses suivantes sont vraies.

• Une explosion commence toujours à un endroit spécifique de l’espace.
• Une explosion occupe initialement un volume petit mais fini.
• Et une explosion s’étend rapidement vers l’extérieur dans toutes les directions, limitée uniquement par les forces et les barrières externes qu’elle rencontre.

Lorsque vous avez une explosion, une partie de la matière sera souvent happée et/ou affectée par celle-ci, et sera poussée radialement vers l’extérieur, une partie de cette matière (généralement la plus légère) se déplaçant le plus rapidement vers l’extérieur. Cette partie de la matière (généralement la plus légère) se déplaçant le plus rapidement vers l’extérieur. Cette matière qui se déplace le plus rapidement se répandra plus rapidement et plus loin que le reste de la matière, et deviendra donc moins dense. Même si la densité d’énergie diminue partout, c’est le plus loin de l’explosion qu’elle diminue le plus vite, parce que la matière la plus énergétique devient moins dense plus rapidement : à la périphérie. Rien qu’en mesurant les trajectoires de ces différentes particules, on peut toujours reconstituer où l’explosion s’est produite.

Mais cette image que je viens de vous peindre – d’une explosion – ne correspond pas à notre Univers. L’Univers a la même apparence ici qu’à quelques millions ou même quelques milliards d’années-lumière de nous. Il a les mêmes densités, les mêmes énergies, le même nombre de galaxies dans un volume d’espace donné, etc.

Les objets très éloignés semblent effectivement s’éloigner de nous à des vitesses plus grandes que les objets proches, mais ils ne semblent pas non plus avoir le même âge que les objets plus lents et plus proches. Au contraire, à mesure que l’on s’éloigne, les objets les plus éloignés semblent plus jeunes, moins évolués, plus nombreux et plus petits en taille et en masse. Malgré le fait que nous puissions voir des galaxies à des distances supérieures à 30 milliards d’années-lumière, si nous suivons la façon dont tout se déplace et reconstituons leurs trajectoires jusqu’à une origine commune, nous constatons le résultat le plus improbable : le « centre » perçu atterrit juste sur nous.

Our tous les trillions de galaxies dans l’Univers, quelles sont les chances que nous nous trouvions par hasard juste au centre de l’explosion qui a commencé l’Univers ? Quelles sont les chances, en plus de ces chances minuscules, que l’explosion initiale ait été configurée de cette manière, avec

• des densités irrégulières et inhomogènes,
• des temps de démarrage variables pour la formation des étoiles et la croissance des galaxies,
• des énergies qui varient énormément d’un endroit à l’autre, de manière juste et bien réglée,
• et une mystérieuse lueur de fond de 2.7 K dans toutes les directions,

de conspirer pour que nous soyons exactement au centre ? Il y a beaucoup de choses que nous devrions inventer pour expliquer cela, et de nombreuses observations resteraient encore inexplicables. Le scénario de l’explosion n’est pas seulement irréaliste, il défie les lois connues de la physique.

Au contraire, cependant, la loi de la gravité qui régit notre Univers – la théorie générale de la relativité d’Einstein – prédit qu’un Univers plein de matière et d’énergie n’explose pas, mais s’étend au contraire. Un Univers rempli de quantités égales de matière partout, avec les mêmes densités et températures moyennes, doit soit se dilater, soit se contracter ; puisque nous observons une récession apparente, la solution de l’expansion est la seule qui soit physique. (De la même manière que la racine carrée de 4 peut être soit +2, soit -2, mais une seule d’entre elles correspondra au nombre physique de pommes dans vos mains.)

Il existe une idée fausse selon laquelle un Univers en expansion peut être extrapolé jusqu’à un point unique ; ce n’est pas vrai ! On peut plutôt l’extrapoler jusqu’à une région de taille finie possédant certaines propriétés (c’est-à-dire remplie de matière, de rayonnement, de lois de la physique, etc.), mais qui doit ensuite évoluer selon les règles que notre théorie de la gravité énonce.

Ce qui en découle, inévitablement, c’est un Univers qui a des propriétés similaires partout. Cela signifie que dans toute région finie et de taille égale de l’espace, nous devrions voir la même densité à l’Univers, la même température à l’Univers, le même nombre de galaxies, etc. Nous verrions également un Univers qui semble évoluer avec le temps, car les régions plus éloignées devraient nous apparaître telles qu’elles étaient dans le passé, s’étant moins étendues et ayant subi moins d’attraction gravitationnelle et de plus petites quantités d’amas.

Parce que le Big Bang s’est produit partout à la fois il y a un temps fini, notre coin local de l’Univers semblera être le coin le plus ancien de l’Univers qui existe. De notre point d’observation, ce qui nous apparaît à proximité est presque aussi vieux que nous, mais ce qui apparaît à grande distance est beaucoup plus similaire à ce qu’était notre Univers proche il y a plusieurs milliards d’années.

Les galaxies lointaines qui existent émettent constamment de la lumière, et nous voyons la lumière qui n’est arrivée qu’après avoir terminé son voyage pour arriver jusqu’à nous à travers l’Univers en expansion. Les galaxies dont la lumière a mis un milliard ou dix milliards d’années pour arriver jusqu’à nous apparaissent telles qu’elles étaient il y a un milliard ou dix milliards d’années. Si nous remontons tout le temps, jusqu’au moment du Big Bang lui-même, nous constatons que l’Univers, lorsqu’il était aussi jeune, était dominé par le rayonnement et non par la matière. Il faut qu’il s’étende et se refroidisse pour que la matière devienne plus importante, du point de vue énergétique.

Au fil du temps, alors que cet Univers s’étend et se refroidit, des atomes neutres peuvent enfin se former de manière stable sans être immédiatement mis en pièces. Cependant, le rayonnement qui dominait autrefois l’Univers persiste, et continue à se refroidir et à se déplacer vers le rouge en raison de l’expansion de l’espace. Ce que nous percevons aujourd’hui comme le fond diffus cosmologique est cohérent avec le fait qu’il s’agit de la lueur résiduelle du Big Bang, mais il est également observable de n’importe où dans l’Univers.

Il n’y a pas nécessairement de centre à l’Univers du tout ; c’est seulement notre intuition biaisée qui nous dit qu’il devrait y en avoir un. Nous pouvons fixer une limite inférieure à la taille de la région où le Big Bang doit s’être produit – elle ne peut pas être plus petite que la taille d’un ballon de football environ – mais il n’y a pas de limite supérieure ; la région de l’espace où le Big Bang s’est produit pourrait même avoir été infinie.

S’il y a vraiment un centre, il pourrait littéralement être n’importe où, et nous n’aurions aucun moyen de le savoir. La portion de l’Univers qui nous est observable est insuffisamment grande pour révéler cette information, même si cela pouvait être vrai. Il faudrait que nous voyions un bord à l’Univers (ce n’est pas le cas), ou que nous observions une anisotropie fondamentale où les différentes directions semblent différentes (mais nous voyons les mêmes températures et le même nombre de galaxies), et il faudrait que nous voyions un Univers qui semble être différent d’une région à l’autre aux plus grandes échelles cosmiques (mais il semble plutôt homogène).

Il semble si raisonnable de se poser la question « d’où l’Univers a-t-il commencé son expansion ? ». Mais une fois que vous aurez réalisé tout ce qui précède, vous reconnaîtrez que c’est entièrement la mauvaise question. « Partout, d’un seul coup » est la réponse à cette question, et c’est en grande partie parce que le Big Bang ne fait pas référence à un endroit particulier de l’espace, mais plutôt à un moment particulier dans le temps.

C’est ce qu’est le Big Bang : une condition qui affecte l’ensemble de l’Univers observable – et peut-être une région beaucoup, beaucoup plus grande que cela – d’un seul coup à un moment spécifique. C’est la raison pour laquelle regarder des objets plus éloignés dans l’espace signifie que nous voyons cet objet tel qu’il était à un moment du passé lointain. C’est pourquoi toutes les directions semblent avoir des propriétés brutes uniformes, quel que soit l’endroit où nous regardons. Et c’est pourquoi nous pouvons retracer notre histoire cosmique, à travers l’évolution des objets que nous voyons, aussi loin que nos observatoires nous permettent de remonter.

Malgré tout ce à quoi nous avons accès – malgré tout ce que nous disent nos théories et nos observations – il y a encore énormément de choses qui nous restent inconnues. Nous ne savons pas quelle est la taille réelle de l’Univers tout entier ; nous avons seulement une limite inférieure selon laquelle il doit maintenant avoir un rayon d’au moins 46,1 milliards d’années-lumière dans toutes les directions depuis notre perspective.

Nous ne savons pas quelle est la forme du tissu de l’espace, et s’il est positivement incurvé comme une sphère, négativement incurvé comme une selle, ou parfaitement plat, comme une feuille ou un cylindre. Nous ne savons pas s’il se recourbe sur lui-même ou s’il s’étend à l’infini. Tout ce que nous savons est basé sur ce que nous pouvons observer. À partir de ces informations, nous pouvons conclure qu’elle est compatible avec une taille infinie, qu’elle est compatible avec une planéité parfaite, mais des informations contraires peuvent se trouver dans le prochain chiffre significatif de données ou juste au-delà de notre horizon cosmique observable. Il est vital de continuer à chercher.