Notre Univers a commencé à partir d’un Big Bang, mais cela ne signifie pas que nous nous le représentons correctement. La plupart d’entre nous l’imaginent comme une explosion : où tout a commencé par être chaud et dense d’un seul coup, puis s’est étendu et refroidi à mesure que les différents fragments s’éloignaient les uns des autres. Mais aussi tentante que soit cette image, elle n’est pas du tout correcte. Cela a conduit Jasper Evers à poser une très bonne question :
Je me demande comment il n’y a pas de centre de l’univers et comment le rayonnement de fond cosmologique 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.
Réfléchissons un instant à la physique d’une explosion, et à ce que serait notre Univers s’il commençait par une explosion.
Les premières étapes de l’explosion de l’essai nucléaire Trinity, juste 16 millisecondes après… la détonation. Le sommet de la boule de feu fait 200 mètres de haut. Crédit image : Berlyn Brixner, du 16 juillet 1945.
Une explosion commence en un point, et s’étend rapidement vers l’extérieur. La matière qui se déplace le plus rapidement se déplace vers l’extérieur le plus rapidement, et donc s’étale le plus vite. Plus vous êtes éloigné du centre de l’explosion, moins la matière vous atteindra. La densité d’énergie diminue partout au fur et à mesure que le temps passe, mais elle diminue plus rapidement à mesure que l’on s’éloigne de l’explosion, car les matériaux énergétiques sont plus rares à la périphérie. Où que vous soyez, vous serez toujours en mesure — en supposant que vous ne soyez pas détruit — de reconstruire le centre de l’explosion.
La structure à grande échelle de l’Univers change au fil du temps, alors que de minuscules imperfections grandissent pour former les… premières étoiles et galaxies, puis fusionnent pour former les grandes galaxies modernes que nous voyons aujourd’hui. L’observation à grande distance révèle un Univers plus jeune, comme l’était notre région locale dans le passé. Crédit image : Chris Blake et Sam Moorfield.
Mais ce n’est pas l’Univers que nous voyons. L’Univers a la même apparence à grande et à courte distance : les mêmes densités, les mêmes énergies, le même nombre de galaxies, etc. Les objets lointains, qui s’éloignent de nous à grande vitesse, n’ont pas l’air d’avoir le même âge que les objets plus proches de nous qui se déplacent à plus faible vitesse ; ils semblent plus jeunes. Il n’y a pas moins d’objets à grande distance, mais plus d’objets. Et si nous regardons comment tout se déplace dans l’Univers, nous constatons que malgré le fait que nous pouvons voir à des dizaines de milliards d’années-lumière, le centre reconstitué atterrit juste sur nous.
Est-ce que cela signifie que nous, parmi tous les trillions de galaxies de l’Univers, nous nous sommes trouvés par hasard au centre du Big Bang ? Et que le « bang » initial a été configuré de telle manière — avec des densités, des énergies, des « temps de départ » irréguliers et inhomogènes et une mystérieuse lueur de 2,7 K — pour conspirer afin que nous soyons au centre ? Quel Univers peu généreux ce serait si c’était le cas : se configurer de cette manière incroyablement irréaliste dès le départ.
Au lieu de cela, ce que la relativité générale prédit n’est pas une explosion, mais une expansion. Un Univers qui part d’un état chaud et dense voit son tissu même s’étendre. On pense à tort que cela aurait commencé à partir d’un point unique ; ce n’est pas le cas ! Au lieu de cela, il y a une région qui possède ces propriétés – remplie de matière, d’énergie, etc. — et ensuite l’Univers évolue sous l’effet des lois de la gravité.
Il a des propriétés similaires partout, notamment la densité, la température, le nombre de galaxies, etc. Mais si nous regardions à l’extérieur, ce que nous verrions serait la preuve d’un Univers en évolution. Parce que le Big Bang s’est produit partout à la fois il y a un temps fini dans une région de l’espace, et que cette région est tout ce qui est observable pour nous, lorsque nous regardons à l’extérieur depuis notre point d’observation, nous voyons une région de l’espace qui n’est pas si différente de notre propre position dans le passé.
Regarder à de grandes distances cosmiques revient à regarder en arrière dans le temps. Nous sommes à 13,8 milliards d’années… depuis le Big Bang là où nous sommes, mais le Big Bang s’est également produit partout ailleurs où nous pouvons le voir. La durée du voyage de la lumière vers ces galaxies signifie que nous voyons ces régions lointaines telles qu’elles étaient dans le passé. Crédit image : NASA, ESA et A. Feild (STScI), via http://www.spacetelescope.org/images/heic0805c/.
Les galaxies dont la lumière a mis un milliard d’années pour arriver ici apparaissent telles qu’elles étaient il y a un milliard d’années ; les galaxies dont la lumière a mis dix milliards d’années pour arriver ici apparaissent telles qu’elles étaient il y a dix milliards d’années ! Il y a 13,8 milliards d’années, l’Univers était dominé par le rayonnement, et non par la matière, et lorsque l’Univers a commencé à former des atomes neutres, ce rayonnement persiste encore, après avoir été refroidi et décalé vers le rouge par l’expansion de l’Univers. Ce que nous percevons comme le fond diffus cosmologique n’est pas seulement la lueur résiduelle du Big Bang, mais ce rayonnement est observable depuis n’importe quel endroit de l’Univers.
Il n’y a pas nécessairement un centre à l’Univers ; ce que nous appelons une « région » de l’espace où le Big Bang s’est produit pourrait être infini. S’il y a un centre, il pourrait littéralement être n’importe où et nous ne le saurions pas ; la partie de l’Univers que nous pouvons observer est insuffisante pour révéler cette information. Il nous faudrait voir un bord, une anisotropie fondamentale (où différentes directions semblent différentes) dans les températures et le nombre de galaxies, et notre Univers, aux plus grandes échelles, semble vraiment le même partout et dans toutes les directions.
Conception à l’échelle logarithmique de l’univers observable par un artiste. Crédit image : utilisateur Wikipedia Pablo… Carlos Budassi.
Il n’y a pas un endroit où l’Univers a commencé à s’étendre à cause du Big Bang ; il y a un moment où l’Univers a commencé à s’étendre. C’est ce qu’est le Big Bang : une condition affectant l’ensemble de l’Univers observable à un moment précis. C’est pourquoi regarder à de plus grandes distances dans toutes les directions signifie regarder en arrière dans le temps. C’est pourquoi toutes les directions semblent avoir des propriétés à peu près uniformes. Et c’est pourquoi notre histoire de l’évolution cosmique peut être retracée aussi loin que nos observatoires peuvent voir.
Peut-être que l’Univers a une forme et une taille finies, mais si c’est le cas, cette information nous est inaccessible. La portion de l’Univers observable pour nous est finie, et cette information n’y est pas contenue. Si vous considérez l’Univers comme un ballon, une miche de pain ou toute autre analogie de votre choix, rappelez-vous que vous ne pouvez accéder qu’à une infime partie de l’Univers réel ; ce que nous pouvons observer n’est qu’une limite inférieure de ce qui existe. Il pourrait être fini ou infini, mais ce dont nous sommes sûrs, c’est qu’il est en expansion, qu’il devient moins dense et que plus nous regardons loin, plus nous sommes capables de remonter dans le temps. Comme le dit l’astrophysicienne Katie Mack :
L’Univers est en expansion de la même manière que votre esprit est en expansion. Il ne s’étend pas vers quoi que ce soit ; vous devenez simplement moins dense.
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