Cette histoire est initialement parue dans le numéro de décembre du magazine Discover sous le titre « L’Univers est-il infini ? ». Soutenez notre journalisme scientifique en devenant abonné.
Lorsque Galilée a pointé son premier télescope vers les cieux en 1610, il a découvert des « congrégations d’étoiles innombrables » cachées dans la bande de lumière appelée Voie lactée. Ce jour-là, notre cosmos a connu une croissance exponentielle. Environ trois siècles plus tard, les limites du cosmos ont à nouveau explosé lorsque les astronomes ont construit des télescopes suffisamment grands pour montrer que la Voie lactée n’est qu’un des nombreux « univers insulaires ». Bientôt, ils ont appris que l’univers était également en expansion, les galaxies se retirant les unes des autres à des vitesses toujours plus rapides.
Depuis lors, des télescopes toujours plus grands ont montré que l’univers observable s’étend sur une distance incompréhensible de 92 milliards d’années-lumière et contient peut-être 2 trillions de galaxies. Et pourtant, les astronomes se demandent toujours combien d’univers il y a encore, au-delà de ce qu’ils observent.
« L’univers a toujours été légèrement plus grand que ce que nous pouvons voir », déclare Virginia Trimble, de l’université de Californie à Irvine, astronome et experte de l’histoire du domaine.
Construire des télescopes plus grands n’aidera plus à étendre le cosmos. « Les télescopes n’observent que l’observable. Vous ne pouvez pas voir plus loin dans le temps que l’âge de l’univers », explique le cosmologiste John Mather, lauréat du prix Nobel, du Goddard Space Flight Center de la NASA, qui est également le scientifique en chef du télescope spatial James Webb. « Nous sommes donc totalement limités. Nous avons déjà vu aussi loin que vous pouvez l’imaginer. » À la limite, nous voyons les restes de la lueur du Big Bang – le rayonnement de fond cosmique (CMB). Mais il ne s’agit pas d’une frontière magique de l’univers. Notre cosmos continue d’avancer. Nous pourrions simplement ne jamais savoir jusqu’où.
Au cours des dernières décennies, les cosmologistes ont tenté de résoudre ce mystère en déterminant d’abord la forme de l’univers, comme le mathématicien grec antique Eratosthène calculant la taille de la Terre à l’aide d’une simple trigonométrie. En théorie, notre univers peut avoir l’une des trois formes possibles, chacune dépendant de la courbure de l’espace lui-même : en forme de selle (courbure négative), sphérique (courbure positive) ou plate (pas de courbure).
Peu de gens ont défendu un univers en forme de selle, mais un cosmos sphérique a du sens pour nous, terriens. La Terre est ronde, tout comme le soleil et les planètes. Un univers sphérique vous permettrait de naviguer dans le cosmos dans n’importe quelle direction et de vous retrouver à votre point de départ, comme l’équipage de Ferdinand Magellan faisant le tour du monde. Einstein appelait ce modèle un « univers fini mais non borné »
Mais à partir de la fin des années 1980, une série d’observatoires en orbite construits pour étudier le CMB ont effectué des mesures de plus en plus précises montrant que l’espace n’a aucune courbure. Il est plat jusqu’aux limites de ce que les astronomes peuvent mesurer – si c’est une sphère, c’est une sphère si énorme que même l’ensemble de notre univers observable n’enregistre aucune courbure.
« L’univers est plat comme une feuille de papier », dit Mather. « Selon cela, vous pourriez continuer infiniment loin dans n’importe quelle direction et l’univers serait juste le même, plus ou moins. » Vous n’arriveriez jamais à un bord de cet univers plat ; vous ne trouveriez que de plus en plus de galaxies.
Ceci convient parfaitement à la plupart des astronomes. Un univers plat est en accord à la fois avec l’observation et la théorie, de sorte que l’idée se trouve maintenant au cœur de la cosmologie moderne.
Le problème est que, contrairement à un univers sphérique, un univers plat peut être infini – ou pas. Et il n’y a pas vraiment de moyen de faire la différence. « Que pourriez-vous chercher pour savoir s’il y a un univers infini ? ». dit Trimble. « Personne ne le sait tout à fait. »
Alors, les astronomes espèrent plutôt qu’une réponse puisse venir de la théorie – un modèle qui pourrait offrir une preuve indirecte dans un sens ou dans l’autre. Par exemple, le modèle standard de la physique a prédit l’existence de nombreuses particules, comme le boson de Higgs, des années avant leur découverte effective. Pourtant, les physiciens présumaient toujours que ces particules étaient réelles.
« Si vous avez une bonne description de tout ce que vous avez observé jusqu’à présent et qu’elle prédit que quelque chose est vrai, alors vous vous attendez à ce que ce soit le cas », dit Trimble. « C’est ainsi que la plupart des scientifiques pensent au fonctionnement de la science. »