L’univers montre des modèles complexes de clustering qui ne se répètent jamais. Mais de notre point de vue, nous ne pouvons voir qu’un volume fini de l’Univers. Qu’est-ce qui se trouve au-delà de ce bord? V. Springel et coll., MPA Garching, et la Simulation du Millénaire

Il y a 13,8 milliards d’années, l’Univers tel que nous le connaissons a commencé avec le Big Bang chaud. Pendant ce temps, l’espace lui-même s’est élargi, la matière a subi une attraction gravitationnelle, et le résultat est l’Univers que nous voyons aujourd’hui. Mais aussi vaste soit-il, il y a une limite à ce que nous pouvons voir. Au-delà d’une certaine distance, les galaxies disparaissent, les étoiles scintillent et aucun signal de l’Univers lointain ne peut être vu. Qu’est-ce qui se trouve au-delà? C’est la question de cette semaine de Dan Newman, qui demande:

Si l’univers est fini en volume, alors y a-t-il une limite? Est-ce accessible? Et quelle pourrait être la vue dans cette direction?

Commençons par commencer à notre emplacement actuel, et regardons aussi loin que possible.

tout comme le nôtre. Mais en regardant plus loin, nous voyons l’Univers tel qu’il était dans un passé lointain: moins structuré, plus chaud, plus jeune et moins évolué. NASA, ESA et A. Feild (STScI)

Dans notre propre cour, l’Univers est plein d’étoiles. Mais allez à plus de 100 000 années-lumière, et vous avez laissé la Voie Lactée derrière vous. Au-delà, il y a une mer de galaxies: peut-être deux billions au total contenus dans notre Univers observable. Ils se présentent dans une grande diversité de types, de formes, de tailles et de masses. Mais en regardant les plus lointains, vous commencez à trouver quelque chose d’inhabituel: plus une galaxie est éloignée, plus elle est susceptible d’être plus petite, de masse inférieure et de voir ses étoiles intrinsèquement plus bleues que les étoiles voisines.

dans l’histoire de l’Univers: plus petit, plus bleu, plus jeune et moins évolué à une époque antérieure. NASA, ESA, P. van Dokkum (Université de Yale), S. Patel (Université de Leyde), et l’équipe 3D-HST

Cela a du sens dans le contexte d’un Univers qui a eu un début : un anniversaire. C’est ce qu’était le Big Bang, le jour où l’Univers tel que nous le connaissons est né. Pour une galaxie relativement proche, c’est à peu près le même âge que nous. Mais quand nous regardons une galaxie à des milliards d’années-lumière, cette lumière a besoin de voyager pendant des milliards d’années pour atteindre nos yeux. Une galaxie dont la lumière met 13 milliards d’années à nous atteindre doit avoir moins d’un milliard d’années, et donc plus nous regardons loin, plus nous regardons dans le temps.

Champ profond extrême; la plus grande image jamais publiée de l’Univers lointain. NASA, ESA, H. Teplitz et M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Université d’État de l’Arizona) et Z. Levay (STScI)

L’image ci-dessus est le champ extrême Profond de Hubble (XDF), l’image la plus profonde de l’Univers lointain jamais prise. Il y a des milliers de galaxies sur cette image, à une grande variété de distances de nous et les unes des autres. Ce que vous ne pouvez pas voir en couleur simple, cependant, c’est que chaque galaxie a un spectre qui lui est associé, où des nuages de gaz absorbent la lumière à des longueurs d’onde très particulières, basées sur la physique simple de l’atome. À mesure que l’Univers se développe, cette longueur d’onde s’étire, de sorte que les galaxies les plus lointaines apparaissent plus rouges qu’elles ne le feraient autrement. Cette physique nous permet de déduire leur distance, et voilà, lorsque nous leur attribuons des distances, les galaxies les plus éloignées sont les plus jeunes et les plus petites de toutes.

Au-delà des galaxies, nous nous attendons à ce qu’il y ait les premières étoiles, puis rien d’autre que du gaz neutre, alors que l’Univers n’avait pas encore eu le temps de tirer la matière dans des états suffisamment denses pour former une étoile. En remontant des millions d’années supplémentaires, le rayonnement dans l’Univers était si chaud que les atomes neutres ne pouvaient pas se former, ce qui signifie que les photons rebondissaient continuellement sur les particules chargées. Lorsque des atomes neutres se sont formés, cette lumière devrait simplement circuler en ligne droite pour toujours, sans être affectée par autre chose que l’expansion de l’Univers. La découverte de cette lueur résiduelle — le fond cosmologique des micro—ondes – il y a plus de 50 ans a été la confirmation ultime du Big Bang.

mise en évidence de la réionisation. Avant que les étoiles ou les galaxies ne se forment, l’Univers était plein d’atomes neutres bloquant la lumière. Alors que la majeure partie de l’Univers ne se réionise que 550 millions d’années plus tard, quelques régions fortunées sont pour la plupart réionisées à des moments plus anciens. Crédit : S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center

Ainsi, d’où nous sommes aujourd’hui, nous pouvons regarder dans n’importe quelle direction et voir la même histoire cosmique se dérouler. Aujourd’hui, 13,8 milliards d’années après le Big Bang, nous avons les étoiles et les galaxies que nous connaissons aujourd’hui. Auparavant, les galaxies étaient plus petites, plus bleues, plus jeunes et moins évoluées. Avant cela, il y avait les premières étoiles, et avant cela, juste des atomes neutres. Avant les atomes neutres, il y avait un plasma ionisé, puis encore plus tôt il y avait des protons et des neutrons libres, la création spontanée de matière et d’antimatière, des quarks et des gluons libres, toutes les particules instables du Modèle standard, et enfin le moment du Big Bang lui-même. Regarder des distances de plus en plus grandes équivaut à regarder tout le chemin du retour dans le temps.

univers observable. Les galaxies cèdent la place à une structure à grande échelle et au plasma chaud et dense du Big Bang à la périphérie. Ce « bord » n’est une limite que dans le temps. L’utilisateur de Wikipédia Pablo Carlos Budassi

Bien que cela définisse notre Univers observable — avec la limite théorique du Big Bang située à 46,1 milliards d’années—lumière de notre position actuelle – ce n’est pas une véritable limite dans l’espace. Au lieu de cela, c’est simplement une limite dans le temps; il y a une limite à ce que nous pouvons voir car la vitesse de la lumière permet à l’information de ne voyager que si loin au cours des 13,8 milliards d’années depuis le Big Bang chaud. Cette distance est supérieure à 13,8 milliards d’années-lumière car le tissu de l’Univers s’est élargi (et continue de s’étendre), mais il est toujours limité. Mais qu’en est-il avant le Big Bang? Que verriez-vous si vous alliez en quelque sorte au temps juste une infime fraction de seconde plus tôt que lorsque l’Univers était à ses énergies les plus élevées, chaud et dense, et plein de matière, d’antimatière et de rayonnement?

l’Univers observable auquel nous avons accès. Les fluctuations de l’inflation ont semé les graines qui ont poussé dans la structure que nous avons aujourd’hui. Bock et coll. (2006, astro-ph/0604101); modifications par E. Siegel

Vous constateriez qu’il y avait un état appelé inflation cosmique: où l’Univers était en expansion ultra rapide, et dominé par l’énergie inhérente à l’espace lui-même. L’espace s’est développé de manière exponentielle pendant cette période, où il a été étiré à plat, où il a reçu les mêmes propriétés partout, où les particules préexistantes ont toutes été repoussées et où les fluctuations des champs quantiques inhérents à l’espace ont été étirées à travers l’Univers. Lorsque l’inflation a pris fin là où nous sommes, le Big Bang chaud a rempli l’Univers de matière et de rayonnement, donnant naissance à la partie de l’Univers — l’Univers observable — que nous voyons aujourd’hui. 13,8 milliards d’années plus tard, nous y voilà.

années dans toutes les directions de notre point de vue, mais il y a certainement plus, Univers inobservable, peut-être même une quantité infinie, tout comme le nôtre au-delà. Frédéric MICHEL et Andrew Z. Colvin, annotés par E. Siegel

Le fait est qu’il n’y a rien de spécial dans notre localisation, ni dans l’espace ni dans le temps. Le fait que nous puissions voir à 46 milliards d’années-lumière ne rend pas cette frontière ou cet endroit spécial; cela marque simplement la limite de ce que nous pouvons voir. Si nous pouvions en quelque sorte prendre un ”instantané » de l’Univers entier, allant bien au-delà de la partie observable, telle qu’elle existe 13,8 milliards d’années après le Big Bang partout, tout ressemblerait à notre Univers voisin aujourd’hui. Il y aurait un grand réseau cosmique de galaxies, d’amas, de filaments et de vides cosmiques, s’étendant bien au-delà de la région relativement petite que nous pouvons voir. N’importe quel observateur, à n’importe quel endroit, verrait un Univers qui ressemblait beaucoup à celui que nous voyons de notre propre point de vue.

présente des étoiles et des galaxies proches vues en cours de route, mais les galaxies les plus proches des régions extérieures sont simplement vues à un stade plus jeune et plus précoce de l’évolution. De leur point de vue, ils ont 13,8 milliards d’années (et plus évolués), et nous apparaissons comme il y a des milliards d’années. NASA, ESA, l’équipe des MARCHANDISES et M. Giavalisco (STScI / Université du Massachusetts)

Les détails individuels seraient différents, tout comme les détails de notre propre système solaire, galaxie, groupe local, etc., sont différents du point de vue de tout autre observateur. Mais l’Univers lui-même n’est pas fini en volume ; c’est seulement la partie observable qui est finie. La raison en est qu’il y a une limite dans le temps — le Big Bang — qui nous sépare du reste. Nous ne pouvons approcher cette frontière que par des télescopes (qui se tournent vers les temps anciens de l’Univers) et par la théorie. Jusqu’à ce que nous comprenions comment contourner le flux du temps, ce sera notre seule approche pour mieux comprendre le « bord” de l’Univers. Mais dans l’espace ? Il n’y a pas d’avantage du tout. Pour le mieux que nous puissions dire, quelqu’un au bord de ce que nous voyons nous verrait simplement comme le bord à la place!

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