Comment peut-on affirmer que l'Univers a un âge ?

Description de l'image : Visualisation de l'expansion de l'Univers depuis le Big Bang. Source image : Astronoo IA.

L'âge de l'Univers : 13,8 milliards d'années

L'affirmation de l'âge de l'Univers repose sur plusieurs observations et théories physiques qui permettent d'estimer ce qu'on appelle "l'âge cosmologique". Cette estimation provient principalement de la compréhension des lois de la physique, des propriétés de l'expansion de l'Univers et de la radiation de fond cosmique. Comment cet âge est-il déterminé ?

La Théorie du Big Bang

L'idée fondamentale derrière l'âge de l'Univers repose sur le modèle cosmologique du Big Bang, qui suggère que l'Univers a commencé dans un état extrêmement dense et chaud il y a environ 13,8 milliards d'années. L'évolution de l'Univers depuis ce moment, en particulier son expansion, est décrite par les équations de la relativité générale d'Einstein.

$$ R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu}R + g_{\mu\nu}\Lambda = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $$

Le côté gauche de l'équation est lié à la géométrie de l'espace-temps, qui est influencée par la distribution de la matière et de l'énergie dans l'Univers qui est représentée par le côté droit de l'équation. Toutes les solutions de cette équation sont des géométries d'espace-temps possibles (des univers). Existe-t-il un espace-temps qui corresponde à notre Univers ?

Les équations de la relativité générale sont des équations différentielles aux dérivées partielles non linéaires complexes, et bien qu'il soit possible de les résoudre dans certains cas très spécifiques, il n'existe pas de solution générale exacte pour toutes les configurations possibles de matière et d'énergie.

Quelle est la géométrie correcte de l'Univers observable ?

Il va falloir choisir une solution approximative en accord avec l'observation, c'est-à-dire un bon modèle mathématique qui correspond à la description du cosmos, en fonction de l'exactitude de nos mesures.

L'expansion de l'Univers

L'une des premières preuves solides de l'expansion de l'Univers provient de l'observation du décalage vers le rouge des galaxies lointaines. Cela signifie que ces galaxies s'éloignent de nous à une vitesse qui est proportionnelle à leur distance, un phénomène décrit par la loi de Hubble-Lemaître publiée en 1929. La relation entre la distance des galaxies et leur vitesse de fuite permet de remonter à l'époque où ces galaxies étaient concentrées en un seul point, marquant le début de l'Univers. En mesurant cette expansion (70 kilomètres par seconde et par mégaparsec qui est la moyenne utilisée dans les calculs), les cosmologistes peuvent calculer le temps écoulé depuis le Big Bang.

La Radiation de Fond Cosmique (CMB)

La CMB, ou rayonnement fossile, est une forme de radiation électromagnétique qui a été émise environ 380 000 ans après le Big Bang, lorsque l'Univers est devenu suffisamment refroidi pour permettre aux électrons et aux protons de se combiner et former des atomes d'hydrogène. Ce rayonnement, observé partout dans l'Univers, contient des informations sur l'état de l'Univers à ces premières époques. Les mesures précises de la CMB, notamment celles obtenues par des satellites comme WMAP ou Planck, fournissent des indices sur la structure de l'Univers primitif et permettent de contraindre les paramètres cosmologiques, tels que la densité de matière et d'énergie, et donc l'âge de l'Univers.

Modèle cosmologique standard (ΛCDM)

Le modèle cosmologique actuel, appelé modèle ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), décrit l'évolution de l'Univers en fonction de la matière, de l'énergie sombre et de la relativité générale. En utilisant des observations telles que le décalage vers le rouge des galaxies, la distribution de la matière dans l'Univers, et la CMB, les cosmologistes peuvent calculer un âge de l'Univers avec une "grande précision". Ces calculs sont basés sur la solution des équations de Friedmann, qui sont dérivées des équations de la relativité générale et qui décrivent l'évolution de l'Univers à grande échelle.

Méthodes indirectes et modèles d'évolution stellaire

Une autre approche consiste à étudier l'évolution des objets stellaires et des amas d'étoiles. Les étoiles les plus anciennes, comme celles de l'amas globulaire, offrent une contrainte supplémentaire sur l'âge de l'Univers. Les scientifiques peuvent estimer l'âge de ces étoiles en étudiant leur composition chimique et en modélisant leur évolution. Ces estimations d'âge, bien que moins précises que celles basées sur la CMB et l'expansion de l'Univers, fournissent des limites inférieures à l'âge de l'Univers.

Conclusion

L'espace-temps de notre Univers est une solution dynamique de l'équation de la relativité générale. Il n'est pas une solution statique mais une solution en expansion, où les propriétés de l'espace-temps varient avec le temps en fonction de l'évolution de la densité de matière et de l'énergie. En d'autres termes, notre espace-temps (celui que nous observons) est une solution évolutive qui résulte de la distribution de la matière et de l'énergie dans l'Univers, conformément à la relativité générale.