Taille et âge de l'Univers

Quelle est la taille de l'univers ?

Derrière cette simple question se cachent des concepts extrêmement complexes et peut-être même à redéfinir.
L'univers ou universum, c'est le "tout" en latin. Les questions qui concernent le "tout" sont autant d'ordre métaphysique que scientifique, alors il est possible qu'il n'y ait pas de réponse à cette question.
L'univers contient par définition tout ce qui existe, la matière avec son espace-temps et ce que l'on n'a pas encore découvert. L'univers n'a pas de « bord » l'existence d'un bord impliquerait qu'au-delà de cette frontière (bord), on ne serait plus dans l'Univers. L'univers n'est pas dans un espace, il contient la matière/énergie et c'est au voisinage de la matière que l'espace existe. L'espace absolu et le temps absolu indépendamment de la matière n'existent pas.
Ainsi, nous ne savons pas si l'univers est fini ou infini, unique ou multiple, éternel ou âgé. De nombreuses théories scientifiques concurrentes attendent une validation ou une invalidation qui viendrait des observations. Mais là encore comment peut-on observer quelque chose d'infini ou d'éternel ?
Cependant, les théories sur lesquelles on peut s'appuyer sont la théorie générale de la relativité, la mécanique quantique et la théorie quantique des champs. De nombreuses observations astronomiques basées sur ces théories permettent d'écrire une petite partie de l'histoire de l'univers, la plus récente, celle qui se déroule sous nos yeux et qui a démarré il y a 13,8 milliards d'années.
On a l'habitude de lire que l'univers est âgé de 13,8 milliards d'années, mais il faut comprendre que l'auteur parle de l'univers observable ou de l'horizon cosmologique ou de la surface de dernière diffusion ou du rayon de Hubble. Ces notions de distances, proches les unes des autres, peuvent se confondre suivant le contexte, mais jamais elles ne donnent un âge ou une taille à l'univers dans sa totalité, justement pour les raisons déjà citées.
Mais l'esprit humain a besoin de se représenter les choses, alors comment pouvons-nous malgré tout se faire une image rassurante de l'univers dans son ensemble ?
Au moment du Big Bang, le plasma primordial privait les photons de liberté, ils étaient émis puis immédiatement réabsorbés par la matière qui était à une température de plusieurs millions de degrés. Mais l'Univers a continué de s'étendre et de se refroidir très rapidement. Puis 380 000 ans après le Big Bang, les photons ont réussi à percer le plasma, la lumière s'est échappée et l'Univers alors opaque est devenu "visible". Cet instant marque la surface de dernière diffusion, la région de l'espace d'où a été émis les derniers photons. Le rayonnement électromagnétique le plus ancien est le fond diffus cosmologique que l'on observe aujourd'hui partout dans notre univers.
Rappelons que l'univers observable est l'univers dans lequel on voit des étoiles et des galaxies et il y a une limite actuelle à l'observation.

A cause de la vitesse de la lumière limitée à 300 000 km/s notre horizon cosmologique se situe à la limite de l'univers observable, aucun signal ne peut être reçu de l'au-delà. Cet horizon cosmologique nous masque donc tous les objets au-delà de 13,8 milliards d'années-lumière. Autrement dit l'univers réel qui continu au delà n'est plus connecté à nous.
Cependant cette distance n'est pas la limite physique de l'univers, c'est le rayon de l'univers observable qui lui, occupe un volume fini dans le temps et dans l'espace. Son volume (V=4/3πR³) est déjà considérable.
Une complication supplémentaire vient s'ajouter à la notion de taille de l'univers.
L'univers est un objet physique dynamique en mouvement, animé par la gravitation mais aussi par ce que les scientifiques appellent l'inflation cosmique, c'est-à-dire la dilatation de l'espace-temps. L'univers aurait commencé comme une formidable "explosion" qui a créé la matière avec l'espace-temps et tout se qu'il contient. Le "tout" est aujourd'hui en expansion permanente au taux de ≈67.8 km/s/Mpc, plus ou moins 0,5.
Dans cette expansion de l'univers ce ne sont pas les galaxies qui s'éloignent les unes des autres par rapport à un cadre spatial de référence, mais c'est ce cadre spatial qui gonfle. Cela entraine un certain nombre d'effets dont celui qui permet à deux objets très éloignés d'avoir une vitesse de récession l'un par rapport à l'autre bien supérieure à la vitesse de la lumière. Ces objets "ne se verront jamais" et cela ne viole pas le principe qui dit qu'aucun objet ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière. C'est l'espace entre les objets qui grandit de plus en plus vite. L'espace-temps est un objet dont nous ne connaissons pas la nature.
De plus, si la lumière des objets les plus lointains que nous observons a voyagé pendant 13,8 milliards d'années avant de nous parvenir cela ne nous dit pas à quelle distance réelle se situent actuellement ces objets. En effet, depuis cet évènement, il s'est déroulé 13,8 milliards d'années. Il est raisonnable d'imaginer que l'inflation cosmique a considérablement éloigné ces objets emportés par l'expansion. Ces objets pourraient aujourd'hui se trouver à des dizaines de milliards d'années-lumière de nous.
Il est donc possible que les galaxies dans notre univers observable ne représentent qu'une infime partie des galaxies dans l'Univers réel. Nous pouvons dire que l'univers réel est certainement beaucoup plus grand que 13,8 milliards d'années-lumière.
En résumé : l'univers a émis des signaux qui ont pu nous parvenir depuis 13,8 milliards d'années-lumière (la lumière des objets que l'on voit actuellement). Il a aussi émis des signaux qui pourront nous parvenir (la lumière des objets que l'on ne voit pas encore et qui s'éloignent moins vite que la vitesse de la lumière). Nous les verrons petit à petit car notre horizon s'éloigne de 1 an tous les ans. Et enfin, l'univers a émis des signaux qui ne pourront jamais nous parvenir. Certaines régions sont déconnectées à jamais car elles s'éloignent plus vite que la vitesse de la lumière.

Image : l'univers visible peut se découper en tranches observables. En découpant une tranche d'univers située à 5 milliards d'années-lumière de nous, nous voyons tous les objets dont la lumière est partie il y a 5 Ga. En découpant une tranche d'univers située à 10 milliards d'années-lumière, nous voyons tous les objets dont la lumière est partie il y a 10 Ga. Par contre dans une tranche d'univers située à 15 milliards d'années-lumière, nous ne voyons rien, que du noir, car tous les objets dont la lumière est partie il y a 15 Ga se situent derrière l'horizon cosmologique. Pour la plupart d'entre eux, ils ne seront jamais visibles. Les plus anciennes lumières que nous voyons datent de 13,8 Ga. Les plus lointaines galaxies visibles s'éloignent de nous à des vitesses atteignant 90 à 95 % de la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Les galaxies encore plus lointaines s'éloignent à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière et leur lumière ne pourra jamais nous parvenir. L'univers visible grandit d'une année, chaque année. L'univers continue de s'étendre et certains objets ne seront jamais visibles car ils s'éloignent de nous plus vite que la vitesse de la lumière. Crédit : astronoo.com

Quelle est la taille de l'univers réel ?

L'univers observable est un concept théorique dynamique, chaque observateur est au centre de son Univers observable. Son Univers observable grandit et chaque observateur voit entrer et sortir des galaxies de son champ de vision. Cependant pour nous terriens de nombreuses galaxies resteront à jamais hors de notre univers observable.
Bien que la sensibilité de nos instruments augmente rapidement avec la technologie, la lumière des objets lointains diminue. Plus les galaxies que nous verrons seront lointaines (15, 20, 30 milliards d'années-lumière) plus leur lumière sera décalée vers le rouge, de sorte qu'elles exigeront une sensibilité toujours croissante des instruments pour les détecter. A un moment donné leur lumière ne sera qu'un bruit, plus faible que le bruit de fond de l'univers, le fond diffus cosmologique (CMB).
Les régions de l'espace au-delà de notre Univers observable sont les régions qui étaient déjà en dehors de notre volume de Hubble lorsque leurs étoiles sont apparues et ont commencé à émettre de la lumière. La lumière provenant de ces régions ne pourra jamais nous atteindre.
La grande majorité de l'univers est probablement au-delà de l'univers observable. Personne ne sait exactement quelle est sa taille. L'âge des Univers observables est estimé à environ 13,8 milliards d'années par conséquent la lumière émise par un objet ne peut pas avoir voyagé plus de 13,8 Ga.

Mais depuis 13,8 Ga, les objets que l'ont voit tels qu'ils étaient à l'époque se sont éloignés et sont maintenant considérablement plus loin (à cause de l'inflation).
Mais à quelle distance se situent actuellement les objets les plus lointains dont nous recevons la lumière ?
En fonction du modèle d'univers que l'on adopte et de la vitesse d'expansion de l'espace (constante de Hubble), on peut en déduire la distance.
Dans le cadre du modèle standard de la cosmologie l'horizon cosmologique est de l'ordre de 46.5 milliards d'années-lumière à cause de son expansion permanente. L'univers enfle de 67 km toute les secondes par mégaparsec (constante de Hubble ≈ 67,4 km/s/Mpc). Un mégaparsec est égal à environ 3,26 années-lumière x 10⁶. Donc, le diamètre de l'Univers observable est estimé à environ 93 milliards d'années-lumière.

Vidéo : Représentation possible des univers observables dynamiques dans l'univers dans son ensemble. L'univers observable comprend les galaxies dont la lumière a eu le temps d'atteindre la Terre depuis le début de l'expansion cosmologique. L'univers observable est un volume sphérique centré sur l'observateur. Chaque emplacement dans l'Univers a son propre univers observable, qui peut ou pas se chevaucher avec celui centré sur la Terre. L'univers étant dynamique tous les objets sont en mouvements les uns par rapport aux autres.
Vidéo réalisée par : Rémi Monedi pour Astronoo
crédit : astronoo

L'Univers observable est-il vraiment grand ?

Mesurons-le par rapport à notre Galaxie, la Voie Lactée. Une galaxie est une structure gravitationnelle et donc tous les objets à l'intérieur de sa zone gravitationnelle lui appartiennent.
Nous voyons qu'il y a là un flou dans la notion de taille pour une galaxie car sa frontière s'arrête là où commencent celles des galaxies voisines, il en est de même pour un système stellaire, pour un amas de galaxies, pour un superamas et donc pour l'univers tout entier.
Donnons quand même une taille approximative à notre Galaxie, disons 130 000 années-lumière de diamètre.
L'univers visible est donc : 13x10⁹/13x10⁴=10⁵, c'est-à-dire 100 000 fois plus grand que la Voie Lactée. Ce rapport entre les diamètres de l'univers visible et de la Voie Lactée n'est pas très grand car 100 000 est un nombre à l'échelle humaine. On peut se représenter facilement le nombre 100 000, on sait ce que représentent 100 000 personnes, c'est une petite ville, un alignement de 100 000 personnes côte à côte ne fait que ≈100 km.

Tableau : équivalences entre les unités de distance.

N. B. : Un voyageur immobile voyage dans le temps (il vieillit) et non dans l'espace. Un voyageur qui se déplace voyage dans l'espace et dans le temps. Mais s'il voyage dans l'espace à la vitesse de la lumière, il ne peut plus se déplacer dans le temps (il ne vieillit pas). Un photon voyage à la vitesse de la lumière et pour lui le temps ne s'écoule pas, la lumière ne vieillit pas. Les premiers photons de l'Univers sont toujours là.

Image : Les premières lueurs de l'univers observable vues par la mission Planck (mars 2013). Cette image représente les signaux les plus lointains que nous recevons. Les fausses couleurs, du rouge (régions chaudes) jusqu’au bleu (régions froides), représentent les fluctuations de température du fond diffus cosmologique.
Crédit image: ESA et Planck collaboration.