Paul Sutter est astrophysicien à l’Université d’État de l’Ohio et scientifique en chef au COSI Science Center. Sutter est également l’hôte des podcasts Ask a Spaceman et RealSpace, ainsi que de la série YouTube Space In Your Face.

Nous savons tous que l’univers est en expansion, n’est-ce pas? Eh bien, si tu n’étais pas au courant, maintenant tu l’es. Nous vivons dans un univers en expansion : chaque galaxie s’envole de toutes les autres galaxies. Cela conduit naturellement à une question commune: Si l’univers est en expansion, dans quoi s’étend-il? Plus d’univers ? Rien ? Quelque chose qui ressemble à un brouillard vague? Où est le bord de notre bulle de savon cosmique?

Eh bien, notre univers a un avantage – c’est-à-dire si par « notre univers », vous entendez l’univers observable. La vitesse de la lumière n’est que cela — une vitesse — et l’univers n’existe que depuis si longtemps (environ 13,77 milliards d’années), ce qui signifie qu’une grande partie de l’univers nous a été révélée par la lumière qui a parcouru ces vastes distances cosmiques. Et qu’y a-t-il en dehors de notre limite observable? Celui-là est facile: C’est juste plus de choses, comme des galaxies et des trous noirs et de nouvelles variétés fantastiques de fromage. C’est toujours inaccessible pour nous, bien sûr — mais c’est toujours là-bas.

De notre point de vue, il semble que nous soyons au centre de tout, et chaque galaxie s’envole loin de nous. Donc, cela conduit naturellement à la ligne de raisonnement « Il doit y avoir un bord ». Mais disons que vous avez sauté à Andromède, notre plus proche voisin galactique. De ce nouveau point de vue, il semble toujours que vous soyez au centre de l’univers et que tout s’envole loin de vous. Maintenant, devenons vraiment fous et faisons semblant de pouvoir vous téléporter dans la galaxie observable la plus lointaine, à l’extrême limite de notre portée d’observation. Devine quoi ? Ouaip, de votre position, il semble que vous soyez au centre de l’univers, et toutes les galaxies — y compris la Voie Lactée lointaine — s’éloignent de vous.

C’est ce que nous voulons dire quand nous disons « L’univers est en expansion. »Chaque galaxie recule de toutes les autres galaxies (à quelques exceptions mineures des fusions locales, mais c’est le sujet d’un autre article).

Mais il doit y avoir une limite, non? Ce n’est pas comme si l’univers était infini, non? Pas vrai?

Eh bien, probablement pas. Bien qu’il soit très, très, très grand, l’univers n’est probablement pas infiniment grand.

Mais il n’a toujours pas besoin d’un bord.

Pensez à nouveau à sauter de galaxie en galaxie. De la Voie Lactée, l’univers ressemble à une énorme bulle de savon de plus en plus grande, avec nous au centre. Mais d’une autre galaxie, cette bulle universelle a l’air différente, car il y a une galaxie différente au « centre » de la bulle.. Ce que nous pourrions être tentés d’appeler un « intérieur » ou un « bord » de notre univers n’a aucun sens dans la nouvelle perspective. Et c’est vrai pour chaque galaxie.

Je le répète : « Univers en expansion » signifie simplement que chaque galaxie s’éloigne de toutes les autres galaxies. C’est tout! Pas de bord. Pas de bulle. Rien à développer. Le calcul est simple : l’univers s’agrandit avec le temps. Et c’est tout.

Prenons un peu de recul. Tout le monde connaît ces analogies communes utilisées pour décrire un univers en expansion: Les galaxies sont comme des fourmis rampant sur un ballon de plage. Nous sommes tous des raisins secs dans une miche de pain. Et – oh! – le ballon de plage gonfle! Oui ! La miche de pain se lève dans le four! L’espace est en expansion et les galaxies sont emportées avec elle! Tu vois? Doucement !

Ces analogies traversent certainement un point important : Les galaxies ne volent pas, ne tirent pas ou ne valsent pas les unes des autres. C’est l’espace en dessous d’eux qui fait tout le travail d’expansion; les galaxies sont juste le long pour le tour du tapis cosmique.

Mais ces analogies portent également un défaut fatal. Nous pouvons tous facilement imaginer un ballon de plage gonflé ou une miche de pain qui monte, et nous pensons immédiatement qu’ils se développent en quelque chose: de l’air vide. Le ballon de plage a une peau. Le pain a une croûte délicieuse et croquante. Ils ont des bords, et ils se déplacent dans quelque chose.

Nos esprits nous ont joué un tour, et cela nous trompe d’être complètement émerveillés par ce qui se passe.

Lorsque nous utilisons l’analogie des fourmis sur un ballon de plage, la première chose que les gens disent est: « Pourquoi les fourmis? »Je ne sais pas; faites avec. Et la deuxième chose que les gens disent est: « Oh, le centre de l’univers est juste là, au milieu de la balle. »À ce moment-là, je dois sauter avec les limites de l’analogie: notre univers entier est la surface du ballon de plage. Et la surface de la balle n’a pas de centre. Tout comme la surface de la Terre n’a pas de centre. On aurait pu faire les poteaux n’importe où.

Dans le modèle de ballon de plage, tout notre univers est une surface en deux dimensions, pleine de fourmis idiotes essayant de ramper l’une vers l’autre mais échouant parce qu’un crétin ne cesse de le gonfler. OK, d’accord, peu importe. Cet univers modèle est bidimensionnel, mais dans notre esprit, nous pensons immédiatement à son expansion dans une troisième dimension — une dimension à laquelle les fourmis ne peuvent pas accéder, car elles ne peuvent pas sauter. Mais cette dimension supplémentaire fournit un « endroit » où la surface de la balle peut s’étendre.

Mais notre univers réel est tridimensionnel. Alors que la théorie des cordes suggère qu’il pourrait y avoir des dimensions supplémentaires, elles sont toutes supertiny, donc celles-ci ne comptent pas. Y a-t-il donc une quatrième dimension supplémentaire qui fournit la « substance » dans laquelle notre univers peut s’étendre?

Peut-être, peut-être pas. Voici la chose: Les mathématiques pourraient soutenir une quatrième dimension dans laquelle notre univers 3D pourrait s’étendre. Et nous aurions certainement un « bord » dans cette dimension supplémentaire, de la même manière que vous pouvez pointer vers le « bord » d’une surface de ballon de plage 2D.

Mais ce n’est pas nécessaire.

Nous n’avons pas besoin d’une quatrième dimension pour envelopper notre univers. Nous avons une description mathématique complète et cohérente de l’expansion de l’univers en utilisant uniquement les trois dimensions normales que nous connaissons et aimons. Cela signifie donc que nous pouvons avoir un univers en expansion sans avoir besoin d’un bord ou d’une chose pour qu’il se développe.

J’avoue que j’ai du mal à comprendre ce concept. Mais c’est la beauté d’utiliser les mathématiques pour comprendre l’univers: Nous pouvons créer et manipuler des concepts que notre cerveau ne pourrait tout simplement pas gérer tout seul!

En savoir plus en écoutant l’épisode  » À quoi bon parler de science ? » sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le web à http://www.askaspaceman.com. Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Sutter @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter .

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