• Taille & forme de l'univers

    Taille de l'Univers, Univers observable

    À ce jour, rien ne nous permet de confirmer que l'Univers est soit fini, soit infini. Certains théoriciens penchent pour un Univers infini, d'autres pour un Univers fini mais non borné.

    Les articles populaires et professionnels de recherche en cosmologie emploient souvent le terme « Univers » dans le sens d'« Univers observable ». Nous vivons au centre de l'Univers observable, en contradiction apparente avec le principe de Copernic qui dit que l'Univers est plus ou moins uniforme et ne possède aucun centre en particulier. C'est simplement parce que la lumière ne se déplace pas à une vitesse infinie et que les observations que nous faisons proviennent donc du passé. En effet, en regardant de plus en plus loin, nous voyons des choses qui se sont passées à une époque de plus en plus proche du Big-Bang. Et puisque la lumière se déplace à la même vitesse dans toutes les directions, tous les observateurs vivent au centre de leur Univers observable (sur Terre, nous avons pratiquement tous le même). On appelle « horizon cosmologique » la première lumière émise par le Big-Bang il y a 13,7 milliards d'années. Il nous est impossible de voir plus loin.

    On estime que le diamètre de cet Univers observable est de 100 milliards d'années lumière14. Celui-ci contient environ 7×1022 étoiles, répandues dans environ 1011 galaxies, elles-mêmes organisées en amas et superamas de galaxies14. Mais le nombre de galaxies pourrait être encore plus grand, selon le champ profond observé avec le télescope spatial Hubble.

    Il est cependant probable que l'Univers que nous voyons n'est qu'une infime partie d'un Univers réel beaucoup plus grand. Selon les derniers modèles cosmologiques, la taille minimale de l'Univers réel serait de 10^{100 000^{100 000}}années lumière soit un 1 suivi de 10500000 zéros.

    On pourrait raisonner que, l'Univers contenant par définition tout ce qui existe, y compris l'espace-temps (et c'est une précision essentielle), il ne peut avoir de « bord » tel que nous concevons intuitivement cette notion. En effet, l'existence d'un bord impliquerait qu'au-delà de ce bord, on ne serait plus dans l'Univers, ce qui serait absurde. Mais si l'Univers n'a pas de bord au sens intuitif de ce terme, alors son expansion n'est pas intuitive non plus : si elle l'était, dans quoi l'Univers serait-il en expansion ?

    On voit ici les apparents paradoxes entraînés par l'utilisation de notions dites « intuitives »... qui ne sont que le reflet d'une perception locale de la réalité. Donner une définition précise à ces notions intuitives permet de faire disparaître ces paradoxes. On voit que ce problème échappe à nos raisonnements simplistes, qui se fondent sur des hypothèses fausses telles que « l'Univers est galiléen », ou « un espace courbe est nécessairement inclus dans un espace de dimension supérieure ». En définitive, une définition précise de la notion d'Univers permet de tenter de résoudre ces apparents paradoxes. Les paradoxes restants permettent de démontrer... que la définition donnée à l'Univers n'a pas sens. On sait en fait aujourd'hui qu'une définition, même formelle, d'un ensemble n'implique pas son existence.

    En bref, le mot « Univers » reste à définir.

    Forme de l'Univers

    Une importante question de cosmologie qui reste sans réponse est la topologie de l'Univers.

    1. Est-ce que l'Univers est « plat » ? C'est-à-dire : est-ce que le théorème de Pythagore pour les triangles droits est valide à de plus grandes échelles ? Actuellement, la plupart descosmologues croient que l'Univers observable est (presque) plat, juste comme la Terre est (presque) plate.
    2. Est-ce que l'Univers est simplement connexe ? Selon le modèle standard du Big Bang, l'Univers n'a aucune frontière spatiale, mais peut néanmoins être de taille finie.

    Ceci peut être compris par une analogie bidimensionnelle : la surface de la Terre n'a aucun bord, mais possède une aire bien déterminée.
    Vous pouvez également penser à un cylindre et imaginer de coller les 2 extrémités du cylindre ensemble, mais sans plier le cylindre.
    C'est aussi un espace bidimensionnel avec une surface finie, mais au contraire de la surface de la Terre, il est plat, et peut ainsi servir de meilleur modèle.

    Par conséquent, à proprement parler, nous devrions appeler les étoiles et les galaxies mentionnées ci-dessus « images » d'étoiles et de galaxies, puisqu'il est possible que l'Univers soit fini et si petit que nous pouvons voir une ou plusieurs fois autour de lui, et le vrai nombre d'étoiles et de galaxies physiquement distinctes pourrait être plus petit. Des hypothèses d'Univers multiconnexe ont été proposées et sont en cours d'étude.

    Modèle dimensionnel de l'Univers

    L’Univers a-t-il 3, 6, 10 dimensions ou plus ?

    La théorie des cordes prédit qu’espace et matière sont consubstantiels. Il n’y a pas de « contenant » (l’espace) mais un fond d’espace-temps qui interagit avec la matière. Dans certains cas particuliers, la notion de « nombre de dimensions de l’espace » dépend de l’intensité avec laquelle les cordes réagissent entre elles. Si cette interaction est faible, elles semblent se propager dans un espace à neuf dimensions - auxquelles il faut rajouter celle du temps. Si cette interaction croît, cela développe une dimension de plus (ou plus en fonction de l’intensité de l’interaction) à laquelle il faut toujours rajouter celle du temps. Supposons maintenant qu’on enferme l’Univers dans un espace « fini » (une boîte pour être concret) et que cet espace rapetisse jusqu’à 10-32 centimètre de côté, la théorie des cordes le prédit équivalent à un Univers très grand. La conception d’espace est fondamentalement bouleversée. La mise en route du grand collisionneur de hadrons de Genève, Large Hadron Collider (plus communément appelé LHC), viendra peut être confirmer cette théorie. Elle ne pourra en revanche pas l'infirmer, car aucun ordre de grandeur n'a été prédit par la théorie des cordes. Ainsi, si le phénomène n'est pas détecté, cela pourrait signifier que trop peu d'énergie a été générée pour rendre le phénomène observable, sans impliquer pour autant que la théorie soit nécessairement erronée.

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