La science expliquée : Comment le diamètre de l’univers peut-il dépasser son âge ?

La taille de l’univers

La vitesse de la lumière est l’une des propriétés les plus importantes et fondamentales de notre univers. Elle est utilisée pour mesurer les distances, pour les communications interplanétaires et dans divers calculs mathématiques. Et ce n’est que le début.

La vitesse à laquelle la lumière se déplace dans le vide – 299 792 kilomètres (186 282 miles) par seconde – est statique et immuable. Si vous supprimez cette constante, le fondement même de la physique moderne s’effondre pour un certain nombre de raisons, et la règle générale peut être résumée ainsi : Rien dans l’univers ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Comme vous pouvez l’imaginer, une certaine confusion survient lorsqu’on considère le fait que l’univers ne fait pas 13,8 milliards d’années-lumière – un nombre qui correspond à l’âge de l’univers. Selon les estimations actuelles, il est en fait beaucoup plus grand, avec un diamètre estimé à quelque 93 milliards d’années-lumière. Et il ne s’agit là que de ce que nous pouvons voir. Ce que nous ne pouvons pas voir peut continuer à l’infini.

Alors, comment l’univers peut-il être large de 93 milliards d’années-lumière s’il n’a que 13,8 milliards d’années et que rien ne peut voyager plus vite que la lumière ?

Comprendre le décalage vers le rouge

Avant de comprendre pourquoi la taille de l’univers est tellement plus grande que son âge, il est important de comprendre comment fonctionne la lumière.

Sir Isaac Newton était sans conteste l’un des plus grands esprits à avoir jamais vécu. En plus d’avoir « inventé » le calcul, il a été le premier scientifique à vraiment comprendre l’essence de la lumière et ce qui se passe lorsque vous la décomposez en ses parties constituantes.

Pour commencer, ses recherches ont révélé que le noir est l’absence de couleur, tandis que la lumière blanche – comme celle qui provient du Soleil et d’autres étoiles – est une combinaison de toutes les couleurs. En regardant la lumière d’un objet à travers un prisme, on peut voir les éléments correspondants que la lumière représente, ce qui peut ensuite être utilisé pour aider à déterminer la composition de l’objet, sa température, et même où il se trouve dans le processus d’évolution.

À plus d’un titre, les travaux de Newton ont révolutionné la physique et ouvert la voie à tous les grands, dont Niels Bohr, Max Planck et, bien sûr, Albert Einstein. Aux fins de cette discussion, cependant, le scientifique le plus pertinent à s’appuyer sur les travaux de Newton s’appelait Christian Doppler.

Doppler est devenu proéminent des centaines d’années après la mort de Newton, et si vous n’êtes pas familier avec son travail, il a découvert quelque chose qui est maintenant appelé l’effet Doppler. Ce processus explique pourquoi une partie de la lumière provenant de sources cosmiques a tendance à atterrir près de l’extrémité rouge du spectre électromagnétique, tandis que certaines lumières sont plus proches de l’extrémité bleue.

En termes simples, l’effet Doppler note comment la longueur d’onde de la lumière est décalée en fonction de la direction dans laquelle la source se déplace, comme si quelque chose se rapproche de nous ou s’éloigne. Plus précisément, les ondes lumineuses seront étirées si la source s’éloigne de l’observateur, apparaissant ainsi en rouge (longueur d’onde plus grande). À l’inverse, les ondes lumineuses seront comprimées si l’objet se dirige vers l’observateur, apparaissant ainsi en bleu (la longueur d’onde la plus courte).

En cours de route, un changement de jeu s’est présenté. En fin de compte, presque toutes les galaxies semblaient se déplacer vers une longueur d’onde plus longue, ce qui signifie qu’elles semblaient rouges, comme si elles s’éloignaient de nous. Encore plus stupéfiant, non seulement presque tout s’éloignait de nous, mais ce décalage vers le rouge augmentait, ce qui signifie que les objets s’éloignaient de nous de plus en plus vite.

Ceci a conduit à la découverte que l’univers n’est pas stationnaire, comme certains le croyaient – il est en fait en expansion !

L’expansion de l’univers

C’est ici que les choses se compliquent. Nos observations du décalage vers le rouge ont révélé que les objets trois fois plus éloignés se déplacent trois fois plus vite par rapport aux galaxies proches. Plus nous regardons loin dans l’espace, plus les galaxies se déplacent rapidement – en fait, elles se déplacent si vite à ces vastes distances qu’elles dépassent facilement la vitesse de la lumière. Or, comme indiqué précédemment, la vitesse de la lumière est la vitesse limite universelle. Alors comment cela peut-il être ?

Premièrement, notez que bien qu’il y ait une limite à ce que nous pouvons voir, l’univers réel s’étend beaucoup plus loin que ce que nous pouvons comprendre. Tout ce qui se trouve dans cette limite est appelé « univers observable », et il comprend :

• 10 millions de superamas
• 25 milliards de groupes de galaxies
• 350 milliards de grandes galaxies
• 7 trillions de galaxies naines
• 30 milliards de trillions (3×10²²) d’étoiles

Si tout cela était rentré dans 13.7 milliards d’années-lumière d’espace-temps, l’univers semblerait bien tassé.

Le premier problème avec l’hypothèse selon laquelle la taille de l’univers devrait être égale à son âge en années sur la base de la distance parcourue par la lumière arrive lorsque nous regardons les premiers instants qui ont suivi le Big Bang.

Lorsque l’univers a « éclaté » pour la première fois il y a environ 13,75 milliards d’années, l’espace-temps lui-même a commencé à s’étendre à des vitesses supérieures à celle de la lumière. Cette période, appelée inflation, est intégrale pour expliquer bien plus que la taille de l’univers. Elle couvre également des choses comme la nature homogène de l’espace à grande échelle et les conditions qui existaient pendant la première époque.

Basiquement, l’univers est passé d’un état infiniment dense et chaud à un vaste espace grouillant de protons et de neutrons – des particules qui ont fini par s’assembler et forger les éléments constitutifs de toute la matière – en quelques instants. Après la fin de l’inflation initiale, l’expansion a ralenti. Maintenant, les objets sont tirés à part par une force mystérieuse appelée énergie sombre.

Plus vite que la lumière

Par des moyens qui n’ont pas encore été vérifiés, cette expansion semble bien se produire plus vite que la vitesse de la lumière, mais cela ne signifie pas ce que vous pensez probablement.

J’ai bien peur que la confusion provienne d’une mauvaise interprétation de base de la relativité elle-même. Voyez-vous, la théorie affirme que les objets ne peuvent pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans l’espace-temps. Elle n’impose cependant aucune limite à l’espace-temps lui-même.

Donc, pour résumer, la taille de l’espace n’est pas en conflit avec la physique de base.

Essentiellement, les galaxies elles-mêmes (et tout autre objet dans l’espace) n’enfreignent aucune loi, car elles ne voyagent pas dans l’espace plus vite que la lumière (du moins, pas au sens traditionnel). Au contraire, chaque portion de l’espace s’étend et s’étire. Ce n’est même pas que les bords s’envolent vers l’extérieur, mais que l’espace-temps lui-même – la zone entre les galaxies, les étoiles, les planètes, vous et moi – s’étire.

En bref, l’espace-temps s’étend et repousse la matière. La matière ne voyage pas vraiment dans l’espace-temps.

Parenthèse intéressante, malheureusement, l’expansion a de sombres implications pour l’avenir de l’univers. En supposant que l’expansion se poursuive indéfiniment (et ne ralentisse pas), l’horizon de l’univers visible va progressivement se rétrécir jusqu’à ce que les objets soient tout simplement trop éloignés les uns des autres pour que la lumière d’une galaxie puisse jamais en atteindre une autre.

Pour cette question, une grande partie de ce que nous voyons maintenant était à l’origine beaucoup plus proche. Grâce à l’expansion, ces objets ont été emportés, et certaines galaxies et d’autres objets ont été déplacés vers le rouge hors de l’existence (ou hors de notre vue, en tout cas). Les galaxies les plus éloignées font partie des choses les plus anciennes de l’univers, s’étant formées lorsque l’univers n’avait que des millions d’années, et il est probable qu’une majorité d’entre elles n’existent plus ou sont situées dans une section complètement différente du cosmos aujourd’hui.

Rapport complémentaire de Jaime Trosper.

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