Quelle est la taille de l'univers ? La réponse va te retourner le cerveau
Réponse courte : l'univers observable fait environ 93 milliards d'années-lumière de diamètre. Mais ce chiffre ne raconte qu'une infime partie de l'histoire. L'univers total pourrait être infini. Personne ne le sait avec certitude. Voici ce que les scientifiques savent vraiment, ce qu'ils soupçonnent, et pourquoi la taille de l'univers reste l'une des questions les plus coriaces de toute la science.
C'est quoi l'univers observable ?
D'abord, une distinction importante. Quand les scientifiques parlent de la taille de l'univers, ils parlent généralement de l'univers observable. C'est la sphère d'espace autour de la Terre dont la lumière a eu le temps de nous parvenir depuis le Big Bang, il y a environ 13,8 milliards d'années. Le rayon de l'univers observable fait environ 46,5 milliards d'années-lumière dans toutes les directions. Le diamètre total ? Environ 93 milliards d'années-lumière. Attends, comment l'univers peut-il faire 93 milliards d'années-lumière de large s'il n'a que 13,8 milliards d'années ? Parce que l'espace lui-même s'est étiré pendant tout ce temps. La lumière émise par une galaxie lointaine il y a des milliards d'années a voyagé vers nous pendant que l'espace entre nous continuait de s'étirer. Imagine des points sur un ballon. Tu gonfles le ballon, les points s'éloignent les uns des autres sans que rien ne les pousse. C'est exactement ce que fait l'univers.
Quelle taille fait l'univers au-delà de ce qu'on voit ?
Personne ne le sait. Franchement, personne. L'univers observable n'est que notre petite bulle. Au-delà, il pourrait y avoir bien plus d'espace avec plus de galaxies, plus d'étoiles, plus de planètes. Certains modèles cosmologiques suggèrent que l'univers total pourrait être 250 fois plus grand que la partie observable. D'autres disent qu'il pourrait être infini. Une étude de 2023 analysant la courbure de l'espace a montré qu'il est remarquablement plat, ce qui est compatible avec un univers infini. Mais une géométrie plate ne prouve pas l'infinité. L'univers pourrait être plat et fini s'il se replie sur lui-même, comme la surface d'un très grand beignet. Il n'y a aucun moyen de tester ça directement pour l'instant. Toute information venant d'au-delà de l'univers observable n'a tout simplement pas eu le temps de nous atteindre.
L'univers observable en chiffres
Mettons des vrais chiffres là-dessus. L'univers observable contient environ 2 000 milliards de galaxies. Chaque galaxie contient en moyenne 100 milliards d'étoiles. Ça nous donne environ 200 sextillions d'étoiles au total (2 x 10^23). La quantité totale de matière ordinaire ? Environ 10^53 kilogrammes. Mais la matière ordinaire (les atomes, tout ce que tu peux voir et toucher) ne représente qu'environ 5 % de l'univers. La matière noire en constitue environ 27 %, et l'énergie noire environ 68 %. On n'a aucune idée de ce qu'est réellement l'énergie noire, mais elle accélère l'expansion de l'univers. L'univers observable contient environ 10^80 atomes. Si tu essayais de les compter à raison d'un par seconde, il te faudrait environ 3 x 10^72 années. L'âge actuel de l'univers n'est que de 1,38 x 10^10 années. Tu n'en ferais même pas le début.
À quelle vitesse l'univers s'étend-il ?
L'univers grandit à chaque seconde. Edwin Hubble a compris ça dans les années 1920 en observant que les galaxies lointaines s'éloignent de nous, et que plus elles sont loin, plus elles vont vite. Aujourd'hui, ce taux d'expansion est décrit par la constante de Hubble. Les mesures actuelles la situent entre 67 et 74 kilomètres par seconde par mégaparsec. En clair : pour chaque 3,26 millions d'années-lumière de distance, les galaxies s'éloignent environ 70 km/s plus vite. À des distances vraiment énormes, le taux d'expansion dépasse la vitesse de la lumière. Ça ne viole pas les règles d'Einstein parce que rien ne se déplace à travers l'espace plus vite que la lumière. C'est l'espace lui-même qui s'étire. Les galaxies au-delà d'une certaine distance reculent si vite que leur lumière ne nous atteindra jamais.
Quelle est la forme de l'univers ?
Ça a l'air bizarre comme question. Comment l'univers entier peut-il avoir une forme ? Mais en cosmologie, la géométrie de l'espace compte énormément. Il y a trois possibilités principales. Si l'univers a une courbure positive, il se replie sur lui-même comme la surface d'une sphère. Voyage assez loin dans une direction et tu reviens à ton point de départ. Fini mais sans bord. S'il a une courbure négative, il ressemble plus à une selle, s'étirant vers l'infini. Et si la courbure est nulle, l'espace est plat, comme une feuille de papier infinie. Les données du satellite Planck et d'autres missions montrent que l'univers est plat avec une marge d'erreur de 0,4 %. C'est incroyablement proche de parfaitement plat. Un univers plat est compatible avec l'infinité, mais ne la garantit pas.
Quel âge a l'univers et pourquoi ça compte ?
L'univers a environ 13,8 milliards d'années. Les scientifiques ont déterminé ça en mesurant le fond diffus cosmologique (CMB), la lumière résiduelle du Big Bang. Le CMB est la plus ancienne lumière de l'univers, émise environ 380 000 ans après le Big Bang quand le cosmos s'est suffisamment refroidi pour que les atomes se forment. L'âge compte pour la taille parce qu'il fixe une limite stricte à la distance que la lumière peut parcourir. Dans un univers sans expansion, on ne pourrait voir qu'à 13,8 milliards d'années-lumière dans chaque direction. Mais l'expansion fait que les objets qui ont émis la plus ancienne lumière détectable sont maintenant à 46,5 milliards d'années-lumière. L'univers a connu une expansion extrêmement rapide pendant l'inflation cosmique, des fractions de seconde après le Big Bang. Puis ça a ralenti. Puis, il y a environ 5 milliards d'années, l'expansion a recommencé à accélérer grâce à l'énergie noire.
L'inflation cosmique : très gros, très vite
Dans la première minuscule fraction de seconde après le Big Bang, l'univers s'est étendu de manière exponentielle, doublant de taille au moins 60 fois en environ 10^-36 à 10^-32 secondes. C'est ce qu'on appelle l'inflation cosmique. Avant l'inflation, l'univers observable entier était plus petit qu'un atome. Après l'inflation, il faisait à peu près la taille d'un pamplemousse. Ça n'a pas l'air impressionnant jusqu'à ce que tu réalises qu'on est passé de subatomique à pamplemousse en un billionième de billionième de billionième de seconde. L'inflation explique pourquoi l'univers a le même aspect dans toutes les directions. Des régions maintenant séparées par des milliards d'années-lumière étaient autrefois assez proches pour atteindre la même température avant que l'inflation ne les sépare. Le physicien Alan Guth a proposé l'inflation cosmique en 1980. Ses prédictions correspondent aux motifs qu'on observe dans le fond diffus cosmologique avec une précision remarquable.
Les plus grandes structures de l'univers
Les galaxies ne sont pas dispersées au hasard dans l'espace. Elles se regroupent en structures massives. Les amas de galaxies peuvent contenir des centaines voire des milliers de galaxies liées par la gravité. L'amas de la Vierge, notre plus proche grand voisin, compte environ 1 300 galaxies. Les amas se regroupent en superamas. Notre superamas, Laniakea, s'étend sur environ 500 millions d'années-lumière et contient environ 100 000 galaxies. Les superamas se connectent par de vastes filaments de gaz et de galaxies, formant la toile cosmique. Entre ces filaments se trouvent d'énormes vides où presque rien n'existe. Le Vide du Bouvier fait environ 330 millions d'années-lumière de large avec presque aucune galaxie à l'intérieur. La Grande Muraille d'Hercule-Couronne Boréale, découverte en 2013, s'étend sur environ 10 milliards d'années-lumière. C'est plus de 10 % du diamètre de l'univers observable.
Pourrait-il y avoir plusieurs univers ?
Certains physiciens pensent que notre univers pourrait être l'un parmi beaucoup d'autres. L'idée du multivers vient de plusieurs cadres théoriques différents. L'inflation éternelle suggère que notre Big Bang n'était qu'une bulle parmi d'innombrables univers-bulles se formant dans un espace en inflation perpétuelle. La théorie des cordes prédit un nombre gigantesque de configurations d'univers possibles, chacune avec des lois physiques différentes. L'interprétation des mondes multiples de la mécanique quantique propose que chaque événement quantique divise la réalité en branches parallèles. Aucune de ces idées n'a été prouvée. Elles ne sont peut-être même pas testables avec la technologie actuelle. Mais elles sont prises au sérieux parce qu'elles émergent naturellement de théories bien établies. Si le multivers est réel, notre univers observable n'est pas juste petit par rapport à l'univers total. C'est un grain de poussière dans un grain de poussière dans quelque chose qui n'a aucune limite connue.
Comment les scientifiques mesurent les distances cosmiques
Mesurer la taille de l'univers nécessite une échelle de distances cosmiques, une série de techniques qui fonctionnent chacune à des échelles différentes. Pour les étoiles proches, les astronomes utilisent la parallaxe. Quand la Terre orbite autour du Soleil, les étoiles proches semblent se décaler légèrement par rapport à l'arrière-plan. L'amplitude du décalage révèle la distance. Le télescope spatial Gaia a mesuré la parallaxe de près de 2 milliards d'étoiles. Pour des distances plus grandes, les astronomes utilisent des chandelles standards : des objets dont la luminosité est connue. Les étoiles variables céphéides pulsent à un rythme directement lié à leur luminosité. Mesure la pulsation, calcule la vraie luminosité, compare avec la luminosité apparente, et tu obtiens la distance. Pour les mesures les plus lointaines, les supernovae de type Ia servent de chandelles standards visibles à des milliards d'années-lumière. C'est grâce aux supernovae de type Ia qu'on a découvert que l'expansion de l'univers accélère.
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Questions fréquentes
Quelle est la taille de l'univers en kilomètres ?
L'univers observable fait environ 93 milliards d'années-lumière de diamètre, soit environ 8,8 x 10^26 kilomètres. L'univers total pourrait être bien plus grand, voire infini.
L'univers est-il infini ?
On ne le sait pas avec certitude. Les mesures montrent que l'univers est géométriquement plat, ce qui est compatible avec l'infinité. Mais il pourrait aussi être fini avec une topologie inhabituelle. La technologie actuelle ne permet pas de trancher.
Qu'y a-t-il au-delà du bord de l'univers ?
Il n'y a pas de bord au sens classique. L'univers observable a un horizon au-delà duquel la lumière n'a pas eu le temps de nous atteindre. Au-delà, il y a probablement plus d'univers, mais on ne peut pas l'observer.
Combien de galaxies y a-t-il dans l'univers ?
L'univers observable contient environ 2 000 milliards de galaxies selon les estimations basées sur les données des télescopes Hubble et James Webb.
L'univers continue-t-il de s'étendre ?
Oui. L'univers s'étend depuis le Big Bang et le taux d'expansion accélère à cause de l'énergie noire. Les galaxies lointaines s'éloignent de nous de plus en plus vite.
Tu te poses des questions ?
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