Univers observable

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Visualisation de l'univers observable en trois dimensions sur 93 milliards d'années-lumière (28 milliards de parsecs). L'échelle est telle que les légers grains de lumière représentent des regroupements de grands nombres de superamas. Le superamas de la Vierge où se trouve notre galaxie, la Voie lactée, est situé au centre, mais est trop petit pour être visible sur l'image.

L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de notre Univers. Par définition même, la limite de cette partie visible est située à l'horizon cosmologique. Du fait que notre Univers a un âge fini, 13,819 milliards d'années, la lumière des objets célestes situés au-delà de l'horizon n'a pas eu le temps de parvenir jusqu'à nous et ces objets sont donc invisibles ; néanmoins, l'univers visible s'agrandit par nature au cours du temps : le rayon de l'univers visible est ainsi une seconde-lumière plus grand chaque seconde ou de manière équivalente une année-lumière plus grand chaque année.

Il serait scientifiquement inconséquent d'ignorer la partie non observable de l'Univers sous prétexte que nous ne pouvons pas la voir. C'est toute la force des modèles théoriques de pouvoir appréhender l'Univers dans son ensemble alors que nous ne pouvons en voir qu'une partie. D'ailleurs la lumière voyageant à la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde, chaque seconde de temps qui s'écoule nous fait découvrir une profondeur d'espace nouvelle de 300 000 kilomètres. Cependant, on ne pourra jamais voir la matière qui se trouve à plus de 45 milliards d'années-lumière (rayon de l'univers observable) de la Terre, car l'univers s'étend plus vite entre nous et cette matière que ne se déplace la lumière. En fait, toute la matière qui est en ce moment située à plus de 14 milliards d'années-lumière ne sera jamais observable depuis la Terre compte tenu de la vitesse d'expansion actuelle. Sachant que l'expansion accélère continuellement, même la matière plus près de nous finira par sortir de l'horizon cosmologique. Appréhender la seule partie observable de l'Univers n'est pas appréhender la réalité de l'Univers dans son ensemble.

Taille de l'univers observable[modifier | modifier le code]

Puisque l'âge de notre Univers est de 13,7 milliards d'années, la lumière émise par un astre ne peut pas avoir voyagé plus de 13,7 milliards d'années. Par conséquent la lumière issue des objets les plus éloignés que nous puissions détecter, à la limite de la partie observable de notre Univers, aura mis 13,819 milliards d'années pour nous parvenir. Pendant ce temps la lumière aura parcouru exactement 13,819 milliards d'années-lumière et par conséquent ce nombre fixe commodément la taille de la partie observable de notre Univers.

C'est une autre question de savoir à quelle distance géométrique se situent actuellement les objets dont nous recevons la lumière, 13,7 milliards d'années après qu'ils l'ont émise. Pour déterminer cette distance, il faut adopter un modèle d'univers et connaissant la vitesse d'expansion de l'espace en déduire la distance dont se sera éloigné l'objet considéré depuis l'émission des photons. Dans le cadre du modèle standard de la cosmologie la distance actuelle de l'horizon cosmologique est de l'ordre de 45 milliards d'années-lumière.

Nous ne pouvons donc pas observer les objets situés sur l'horizon cosmologique à sa distance actuelle. Nous ne pouvons théoriquement observer les objets que jusqu'à la distance du fond diffus cosmologique, 300 000 années après le Big Bang, quand l'Univers s'était assez refroidi pour permettre aux électrons de se joindre aux noyaux atomiques, ce qui amena un arrêt à l'effet Compton des photons ambiants en permettant ainsi aux photons de survivre assez longtemps pour atteindre la Terre. Toutefois, il serait (théoriquement) possible d'extraire des informations d'avant cette époque, grâce à la détection des ondes gravitationnelles ou des neutrinos « fossiles ». Ces derniers n'ont pas encore été détectés, mais les ondes gravitationnelles l'ont été le 17 mars 2014[1].

Contenu de l'univers observable[modifier | modifier le code]

Représentation à l'échelle logarithmique de l'univers observable avec, au centre, le Système solaire, les planètes internes et externes, la ceinture de Kuiper, le nuage d'Oort, Alpha Centauri, le bras de Persée, la Voie lactée, Andromède et les galaxies proches, le réseau des structures à grande échelle, le fond diffus cosmologique et, à la périphérie, le plasma invisible du Big Bang.

Voici trois façons d'estimer en ordre de grandeur l'équivalent, en quantité de matière, de l'énergie présente dans la partie observable de notre Univers. Elles conduisent à un nombre total d'atomes de l'ordre de 1080 en chiffres ronds.

  1. L'horizon de notre Univers est situé actuellement à environ 40 milliards d'années-lumière. Si l'on néglige les effets de courbure de l'espace, le volume de l'espace visible représente : 4/3.π.R3 = 2×1080 m3. La densité critique de l'Univers, pour une constante de Hubble égale à 75 (km/s)/Mpc, est de : 3.H2/(8.π.G) = 10−26 kg/m3 ; soit environ 5 atomes d'hydrogène par mètre cube. En multipliant ceci par le volume de la partie visible de l'Univers, on obtient 1081 atomes d'hydrogène.
  2. Une étoile typique « pèse » environ 2×1030 kg (c'est la masse du Soleil), ce qui fait environ 1057 atomes d'hydrogène par étoile. Une galaxie typique contient environ 400 milliards d'étoiles ce qui fait que chaque galaxie aurait en moyenne environ 1×1057 × 4×1011 = 4×1068 atomes d'hydrogène. Il y aurait peut-être 80 milliards de galaxies dans la partie observable de notre Univers, ce qui fait au final 4×1068 × 8×1010 = 3×1079 atomes d'hydrogène dans l'Univers.
  3. Enfin une façon simple, plus rigoureuse et moins arbitraire d'estimer l'ordre de grandeur des quantités cherchées est de faire les calculs à partir des équations de Friedmann. Une application numérique pouvant être considérée comme une bonne première approximation de la réalité donne une densité actuelle de 5×10-27 kg/m3 pour un volume total de l'Univers de 1081 m3 dont nous ne verrions que 20 %. Ces nombres conduisent à 1054 kg de matière, c'est-à-dire à 5×1080 atomes, dans la partie observable de notre Univers.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. http://www.scientificamerican.com/article/gravity-waves-cmb-b-mode-polarization/