Les cosmologistes sont des voyageurs intellectuels du temps. En regardant en arrière sur des milliards d'années, ces scientifiques sont en mesure de suivre l'évolution de notre univers avec des détails étonnants. Au cours des éons qui ont suivi, notre cosmos a atteint une taille si énorme que nous ne pouvons plus en voir l'autre côté.
Mais comment cela peut-il être? Si la vitesse de la lumière marque une limite de vitesse cosmique, comment peut-il y avoir des régions de l’espace-temps dont les photons sont toujours hors de notre portée? Et même s'il y en a, comment savons-nous qu'ils existent?
L'univers en expansion
Comme tout le reste en physique, notre Univers s'efforce d'exister dans l'état d'énergie le plus bas possible. Mais environ 10-36 quelques secondes après le Big Bang, les cosmologistes inflationnistes croient que le cosmos se retrouvait à la place à une "énergie de faux vide" - un point bas qui n'était pas vraiment un point bas. En cherchant le vrai nadir de l'énergie du vide, sur une fraction de minute, on pense que l'Univers a gonflé d'un facteur 1050.
Depuis ce temps, notre Univers a continué de se développer, mais à un rythme beaucoup plus lent. Nous voyons des preuves de cette expansion dans la lumière des objets éloignés. À mesure que les photons émis par une étoile ou une galaxie se propagent à travers l'Univers, l'étirement de l'espace leur fait perdre de l'énergie. Une fois que les photons nous parviennent, leurs longueurs d'onde ont été décalées vers le rouge en fonction de la distance parcourue.
C'est pourquoi les cosmologistes parlent du décalage vers le rouge en fonction de la distance dans l'espace et dans le temps. La lumière de ces objets éloignés voyage depuis si longtemps que, lorsque nous la voyons enfin, nous voyons les objets tels qu'ils étaient il y a des milliards d'années.
Le volume Hubble
La lumière décalée vers le rouge nous permet de voir des objets comme les galaxies telles qu'elles existaient dans un passé lointain; mais nous ne pouvons pas voir tout les événements qui se sont produits dans notre Univers au cours de son histoire. Parce que notre cosmos est en expansion, la lumière de certains objets est tout simplement trop loin pour que nous puissions jamais la voir.
La physique de cette frontière repose en partie sur un morceau d'espace-temps environnant appelé volume Hubble. Ici sur Terre, nous définissons le volume Hubble en mesurant quelque chose appelé le paramètre Hubble (H0), une valeur qui relie la vitesse de récession apparente des objets éloignés à leur décalage vers le rouge. Il a été calculé pour la première fois en 1929, quand Edwin Hubble a découvert que les galaxies lointaines semblaient s'éloigner de nous à un rythme proportionnel au décalage vers le rouge de leur lumière.
Diviser la vitesse de la lumière par H0, nous obtenons le volume Hubble. Cette bulle sphérique renferme une région où tous les objets s'éloignent d'un observateur central à des vitesses inférieures à la vitesse de la lumière. En conséquence, tous les objets en dehors du volume Hubble s'éloignent du centreplus rapide que la vitesse de la lumière.
Oui, "plus vite que la vitesse de la lumière". Comment est-ce possible?
La magie de la relativité
La réponse a à voir avec la différence entre la relativité restreinte et la relativité générale. La relativité restreinte requiert ce qu'on appelle un «référentiel inertiel» - plus simplement, une toile de fond. Selon cette théorie, la vitesse de la lumière est la même que dans tous les référentiels inertiels. Qu'un observateur soit assis sur un banc de parc sur la planète Terre ou qu'il passe devant Neptune dans une fusée à grande vitesse futuriste, la vitesse de la lumière est toujours la même. Un photon s'éloigne toujours de l'observateur à 300 000 000 mètres par seconde, et il ne rattrapera jamais.
La relativité générale, cependant, décrit le tissu de l'espace-temps lui-même. Dans cette théorie, il n'y a pas de référentiel inertiel. L'espace-temps ne s'étend pas par rapport à quoi que ce soit en dehors de lui-même, donc la vitesse de la lumière en tant que limite de sa vitesse ne s'applique pas. Oui, les galaxies en dehors de notre sphère Hubble s'éloignent de nous plus vite que la vitesse de la lumière. Mais les galaxies elles-mêmes ne dépassent aucune limite de vitesse cosmique. Pour un observateur dans l'une de ces galaxies, rien ne viole la relativité restreinte. C'est l'espace entre nous et ces galaxies qui prolifère rapidement et s'étire exponentiellement.
L'univers observable
Maintenant pour la prochaine bombe: le volume Hubble n'est pas la même chose que l'Univers observable.
Pour comprendre cela, considérons qu'à mesure que l'Univers vieillit, la lumière distante a plus de temps pour atteindre nos détecteurs ici sur Terre. Nous pouvons voir des objets qui ont accéléré au-delà de notre volume Hubble actuel parce que la lumière que nous voyons aujourd'hui a été émise quand ils s'y trouvaient.
À strictement parler, notre univers observable coïncide avec quelque chose appelé horizon de particules. L'horizon des particules marque la distance à la lumière la plus éloignée que nous pouvons éventuellement voir à ce moment dans le temps - des photons qui ont eu assez de temps pour rester à l'intérieur ou rattraper notre sphère Hubble en expansion douce.
Et quelle est exactement cette distance? Un peu plus de 46 milliards d'années-lumière dans toutes les directions - donnant à notre univers observable un diamètre d'environ 93 milliards d'années-lumière, soit plus de 500 milliards de milliards de miles.
(Une note rapide: l'horizon des particules n'est pas la même chose que le horizon des événements cosmologiques. L'horizon des particules englobe tous les événements du passé que nous pouvons voir actuellement. L'horizon des événements cosmologiques, en revanche, définit une distance à l'intérieur de laquelle un futur observateur pourra voir la lumière alors ancienne que notre petit coin de l'espace-temps émet aujourd'hui.
En d'autres termes, l'horizon des particules traite de la distance aux objets passés dont la lumière ancienne que nous pouvons voir aujourd'hui; l'horizon des événements cosmologiques traite de la distance que notre lumière actuelle qui sera capable de parcourir alors que les régions lointaines de l'Univers accélèrent loin de nous.)
Énergie noire
Grâce à l'expansion de l'Univers, il y a des régions du cosmos que nous ne verrons jamais, même si nous pourrions attendre un temps infini pour que leur lumière nous atteigne. Mais qu'en est-il de ces zones juste au-delà de la portée de notre volume Hubble actuel? Si cette sphère se développe également, pourrons-nous jamais voir ces objets frontières?
Cela dépend de la région qui se développe le plus rapidement - le volume Hubble ou les parties de l'Univers juste à l'extérieur de celui-ci. Et la réponse à cette question dépend de deux choses: 1) si H0 augmente ou diminue, et 2) si l'Univers accélère ou décélère. Ces deux taux sont intimement liés, mais ils ne sont pas identiques.
En fait, les cosmologistes croient que nous vivons à une époque où H0 décroît; mais à cause de l'énergie sombre, la vitesse d'expansion de l'Univers augmente.
Cela peut sembler contre-intuitif, mais tant que H0 diminue à un rythme plus lent taux que celle à laquelle la vitesse d'expansion de l'Univers augmente, le mouvement global des galaxies loin de nous se produit toujours à un rythme accéléré. Et en ce moment, les cosmologistes pensent que l'expansion de l'Univers dépassera la croissance plus modeste du volume Hubble.
Ainsi, même si notre volume Hubble augmente, l'influence de l'énergie sombre semble fournir une limite stricte à l'Univers observable en constante augmentation.
Nos limites terrestres
Les cosmologistes semblent avoir une bonne maîtrise des questions profondes comme à quoi ressemblera un jour notre univers observable et comment l'expansion du cosmos changera. Mais en fin de compte, les scientifiques ne peuvent théoriser les réponses aux questions sur l'avenir qu'en se basant sur leur compréhension actuelle de l'Univers. Les échelles de temps cosmologiques sont si incroyablement longues qu'il est impossible de dire grand chose de concret sur la façon dont l'Univers se comportera à l'avenir. Les modèles d'aujourd'hui correspondent remarquablement bien aux données actuelles, mais la vérité est qu'aucun de nous ne vivra assez longtemps pour voir si les prévisions correspondent vraiment à tous les résultats.
Décevant? Sûr. Mais cela en vaut vraiment la peine pour aider nos cerveaux chétifs à considérer une telle science qui blogue l'esprit - une réalité qui, comme d'habitude, est tout simplement plus étrange que la fiction.
