Espace · Les fondamentaux
L’Univers a environ 13,8 milliards d’années, et la région aujourd’hui observable mesure quelque 93 milliards d’années-lumière de diamètre. Cette apparente contradiction nous conduit au cœur de la cosmologie moderne : la lumière voyage dans un espace qui se transforme pendant son trajet.
Notre horizon cosmique n’est pas une paroi extérieure
Pour comprendre la taille du cosmos, il faut d’abord distinguer l’Univers observable de l’Univers dans son ensemble. La région observable est celle dont les informations ont pu nous parvenir depuis les premières époques de l’histoire cosmique. Son rayon actuel est d’environ 46 milliards d’années-lumière, et son diamètre d’environ 92 à 93 milliards d’années-lumière. Le léger écart entre les chiffres couramment cités ne constitue pas une contradiction fondamentale dans cette présentation en valeurs arrondies. Cette limite n’est ni une paroi photographiée ni un bord de l’espace dont l’existence aurait été démontrée. Elle correspond à un horizon d’observation. Nous en savons beaucoup moins sur la taille totale de l’Univers. Celui-ci pourrait être bien plus vaste que la portion qui nous est visible ; la question de savoir s’il est spatialement fini ou infini reste ouverte. Même un télescope doté d’une meilleure résolution ne peut faire apparaître des informations qui ne nous sont pas encore parvenues. Dire que « l’Univers mesure 93 milliards d’années-lumière » serait donc trop général : ce chiffre concerne la région observable.
Pourquoi la taille et l’âge sont compatibles
Selon le modèle cosmologique standard, l’Univers a environ 13,8 milliards d’années. Cet âge est déduit d’observations et d’un modèle de son évolution, en particulier à partir du fond diffus cosmologique et de l’expansion. Ce n’est pas un âge que l’on pourrait lire sur une seule horloge stellaire. Il semblerait naturel de s’attendre à un rayon ne dépassant pas 13,8 milliards d’années-lumière. Mais ce raisonnement supposerait un espace immuable. Pendant que la lumière très ancienne voyageait jusqu’à nous, les distances cosmiques ont augmenté. Les régions d’où provient cette lumière sont donc aujourd’hui considérablement plus éloignées que ne le suggère une simple multiplication de la vitesse de la lumière par la durée du trajet. La distance actuelle, la distance à l’époque de l’émission et le temps de parcours de la lumière sont des grandeurs différentes. Aux échelles cosmiques, elles ne peuvent pas être substituées arbitrairement les unes aux autres.
L’expansion par minute : un chiffre doit être associé à une distance
Il n’existe pas de vitesse unique applicable à l’Univers tout entier pour décrire sa croissance par minute. L’expansion actuelle est décrite par la constante de Hubble. Sous une forme simplifiée, pour la composante due à l’expansion cosmique : vitesse = constante de Hubble × distance actuelle. Plus la distance entre des régions entraînées par l’expansion cosmique est grande, plus elle augmente rapidement à l’heure actuelle. Pour illustrer le calcul, prenons une valeur délibérément arrondie de 70 kilomètres par seconde et par mégaparsec. Un mégaparsec correspond à environ 3,26 millions d’années-lumière. À une distance d’un mégaparsec, cela représente environ 4 200 kilomètres supplémentaires par minute. À dix mégaparsecs, ce sont 42 000 kilomètres par minute, et à cent mégaparsecs, 420 000. Il s’agit de nos propres conversions du taux choisi, et non de trois valeurs mesurées indépendamment. L’unité est essentielle : 4 200 kilomètres par minute et par mégaparsec ne désignent pas une accélération « de 4 200 kilomètres par minute à chaque minute ». Tous les objets ne grandissent pas non plus avec l’expansion. Les atomes, les êtres humains, la Terre et les systèmes liés par la gravitation, comme le Système solaire, ne suivent pas simplement l’expansion cosmique. Dans notre voisinage, les mouvements propres et les effets de la gravitation peuvent se superposer à la composante due à l’expansion.
Sources : [2]
La tension de Hubble et l’expansion accélérée
Le taux d’expansion actuel n’est pas fixé à une valeur qui ferait l’unanimité. Les observations de l’Univers primordial, interprétées dans le cadre du modèle standard, donnent environ 67 à 68 kilomètres par seconde et par mégaparsec ; les mesures locales de distance fournissent souvent des valeurs proches de 73. Cet écart est appelé « tension de Hubble ». La valeur de 70 utilisée pour le calcul dans la section précédente est un choix pédagogique, et non une moyenne qui résoudrait le problème scientifique. Il faut distinguer cette question de l’observation selon laquelle l’expansion cosmique est accélérée dans l’histoire récente de l’Univers. Dans le modèle standard, cette accélération est décrite par l’énergie sombre. Cela ne signifie pas automatiquement que le paramètre de Hubble, dont la valeur actuelle est appelée constante de Hubble, augmente lui-même avec le temps : il représente un taux d’expansion relatif, tandis que le terme « accélérée » concerne l’évolution du facteur d’échelle cosmique. De telles distinctions montrent pourquoi des termes évocateurs nécessitent parfois des définitions plus précises. À de très grandes distances, la vitesse de variation des distances cosmiques peut en outre dépasser celle de la lumière. Il ne s’agit pas du déplacement local d’un vaisseau spatial dans l’espace à une vitesse supraluminique. La relativité restreinte impose une limite à la vitesse locale des signaux ; les variations des distances cosmiques dans un espace-temps en expansion doivent être traitées différemment. On ne peut en déduire l’avenir encore inconnu de l’Univers par une simple extrapolation linéaire.
Sources et informations complémentaires
- [1] NASA: How Big Is Space?nasa.gov
- [2] NASA/Hubble: The Hubble Constant and the Hubble Tensionscience.nasa.gov
- [3] NASA: Building Blocks of the Universescience.nasa.gov
Rédigé avec l’aide de l’IA à partir des sources citées, dans une formulation originale. Les chiffres sont arrondis ; les estimations, les hypothèses de modélisation et les questions de recherche encore ouvertes sont explicitement mises en perspective. Cet article présente des notions fondamentales et ne constitue pas une actualité du jour.