Quel est l’âge de l’univers et comment est-il déterminé ?

Dès le 18ème siècle, les astronomes se questionnent sur l’âge des différents objets de l’univers, comme la Terre, les comètes ou les étoiles perçues dans le ciel. Quelques temps après, cette question va se poser à propos de l’univers lui-même. Aujourd’hui, les cosmologistes parviennent à déterminer une valeur précise de l’âge de l’univers grâce à différentes observations.

L’âge de l’univers est définit par le modèle cosmologique standard, le modèle Λ-CDM (prononcé lambda-CDM), comme la durée écoulée depuis le Big Bang. De nombreuses expériences et missions d’observation ont contribué à fournir des données permettant aux scientifiques d’établir avec précision cette durée. Ces données donnent aujourd’hui un âge de 13.799 ± 0.021 milliards d’années.

Apparition et évolution de la notion d’âge de l’univers

Au cours du 19^ème siècle, ainsi que dans la première dizaine d’années du 20^ème siècle, les scientifiques adhèrent au modèle d’univers stationnaire et éternel, c’est-à-dire un univers immuable, sans aucune variation notable à l’échelle cosmologique. Il faut attendre le développement des concepts thermodynamiques, et notamment celui de l’entropie, pour que les physiciens commencent à admettre la possibilité d’un âge fini. En effet, selon la thermodynamique, si l’univers était éternel, alors la même température régnerait en tous points et aucun objet n’aurait pu se former.

En 1917, après avoir publié ses travaux sur la relativité générale en 1915, Albert Einstein modifie ses équations pour y ajouter une constante cosmologique, afin de rester cohérent avec un modèle d’univers stationnaire. Mais, en 1922 puis en 1927, les travaux des cosmologues Alexander Friedmann et Georges Lemaître, basés sur les équations d’Einstein, donneront tort au père de la relativité, en rejetant l’hypothèse stationnaire et en démontrant que l’univers est nécessairement en contraction ou en expansion. Arthur Eddington donnera le coup de grâce en montrant explicitement l’instabilité d’un univers stationnaire.

Les premiers indices d’un âge de l’univers fini, proviennent des observations des astronomes Vesto Slipher et Edwin Hubble (1929), mettant en évidence la récession des galaxies et donc le phénomène d’expansion de l’univers, rejetant ainsi définitivement l’hypothèse de l’univers statique. Pour établir la première estimation de l’âge de l’univers, Hubble a considéré que tous les objets avaient commencé à s’éloigner du même point, et a ainsi pu calculer une première valeur. Celle-ci s’est avérée bien trop basse, l’astronome ayant choisi des distances entre galaxies plus faibles que celles rapportées par les observations suivantes.

L’astronome américain Allan Sandage donne en 1958 la première valeur relativement précise de la constante de Hubble, c’est-à-dire la valeur du taux d’expansion de l’univers, soit H = 75 km/s/Mpc (une valeur très proche de celle admise aujourd’hui). Cette valeur permet à Sandage de calculer un âge de l’univers égal à 13 milliards d’années. Toutefois, à cette époque, les modèles stellaires considèrent que l’âge des plus vieilles étoiles peut atteindre 25 milliards d’années, Sandage remet alors en cause ses calculs.

En 1965, les physiciens A. Penzias, R. Wilson, R. Dicke, J. Peebles et D. Wilkinson, publient leurs travaux sur le fond diffus cosmologique, mettant fin aux rares doutes qui subsistaient encore concernant l’expansion de l’univers et confirmant définitivement les résultats de Sandage, tout en les affinant de manière à obtenir un âge plus précis. Les missions WMAP (2001) puis Planck (2009) ont, par la suite, permis de mesurer précisément la constante de Hubble et donc de contraindre l’âge de l’univers avec une précision sans précédent.

Âge de l’univers : comment est-il défini ?

Le modèle Λ-CDM — « Λ » faisant référence à la constante cosmologique et « CDM » signifiant cold dark matter, soit matière noire froide —, est le modèle cosmologique standard décrivant l’évolution de l’univers depuis son état primordial dense et chaud jusqu’à aujourd’hui. Les équations d’Einstein indiquent que le tout début de l’univers prend la forme d’une singularité initiale. Même si une telle singularité n’a pas d’existence physique tangible, puisqu’il s’agit uniquement d’une limite mathématique de la relativité générale, le Big Bang est réputé commencer à cette étape.

Selon le modèle Λ-CDM, l’âge de l’univers est la durée écoulée depuis le Big Bang, soit l’évolution de l’univers depuis environ 13.8 milliards d’années. Pour neutraliser la relativité du temps de la relativité générale, cette durée est exprimée en terme de temps cosmique. Le temps cosmique est le temps propre d’un observateur comobile à un univers homogène et isotrope. En d’autres termes, il peut être défini comme le temps propre d’un observateur fondamental, universel, au repos par rapport à la distribution homogène et isotrope de matière. Le temps de son référentiel comobile est alors le même que pour tous les autres référentiels comobiles.

Toutes les horloges des observateurs comobiles défilent au même rythme. Ils observent tous les mêmes valeurs concernant les paramètres cosmologiques : densité de matière et d’énergie, taux d’expansion,  etc. L’évolution de l’univers est donc identique pour chacun d’entre eux. Ainsi, l’âge de l’univers est le temps cosmique écoulé depuis le Big Bang.

Les observations actuelles n’ayant accès qu’à la partie observable de l’univers, certaines hypothèses cosmologiques admettent un âge de l’univers plus important, le reste de l’univers inobservable pouvant théoriquement présenter une évolution plus longue que ce que nos observations montrent de l’univers observable. L’Union Astronomique Internationale précise ainsi que le terme d’« âge de l’univers » ne correspond qu’à la durée écoulée depuis le Big Bang dans l’univers observable.

Paramètres cosmologiques, constante de Hubble, naines blanches et âge de l’univers

Les équations de Friedmann décrivent l’évolution d’un univers homogène et isotrope, en fonction de différents paramètres appelés « paramètres cosmologiques ». Les paramètres cosmologiques sont des quantités déterminées par l’observation intervenant dans la description d’un modèle cosmologique. Les équations de Friedmann, et plus généralement le modèle Λ-CDM, se basent sur la contribution de la matière (baryonique et noire), du rayonnement et de la constante cosmologique (énergie sombre) à la densité d’énergie totale de l’univers.

Couplés à la constante de Hubble « H₀ », ces paramètres de densité permettent de déterminer l’âge de l’univers grâce au temps de Hubble. Le temps de Hubble est donné par la relation t₀ = 1/H₀. La valeur obtenue doit ensuite être corrigée en fonction des différentes valeurs des paramètres cosmologiques. Ainsi, plus la constante de Hubble et les paramètres cosmologiques sont mesurés de manière précise, plus la précision sur l’âge de l’univers est grande. Par exemple, pour H₀ = 68 km/s/Mpc, 1/H₀ donne 14.4 milliards d’années.

Les missions Planck et WMAP ont eu pour objectif de déterminer les valeurs des différents paramètres cosmologiques ainsi que celle de la constante de Hubble. Pour ce faire, la mission WMAP (pour Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) a utilisé la localisation du premier pic acoustique dans le spectre de puissance du fond diffus cosmologique pour déterminer la taille de l’univers à l’époque de la recombinaison (surface de découplage). Le temps de voyage de la lumière jusqu’à cette surface permet d’établir un âge de l’univers assez précis. WMAP a ainsi permis de déterminer un âge de 13.772 ± 0.059 milliards d’années (avec une incertitude de plus ou moins 59 millions d’années).

De même, la mission Planck a analysé les anisotropies (variations de température) du fond diffus cosmologique. Grâce à ses deux instruments optiques, HFI (High Frequency Instrument) et LFI (Low Frequency Instrument), le satellite lancé en 2009 a pu cartographier avec précision le fond diffus cosmologique. Des contraintes précises ont été posées sur les paramètres cosmologiques et une valeur de 67.8 km/s/Mpc a été déterminée pour la constante de Hubble. Combinées à d’autres données externes, cela a permis de calculer un âge de l’univers égal à 13.799 ± 0.021 milliards d’années.

En dehors de cette méthode qualifiée de « standard », les cosmologues peuvent également déterminer l’âge de l’univers grâce à la méthode des naines blanches froides. Pour ce faire, les scientifiques observent les amas globulaires — c’est-à-dire les amas stellaires les plus vieux de l’univers, et notamment les naines blanches les plus froides à l’intérieur de ceux-ci, car ce sont les étoiles les plus vieilles de ces amas. Dès lors, l’observation de telles étoiles fournit de précieuses informations pour contraindre l’âge de l’univers. Notamment, elles permettent de poser une limite inférieure à ce dernier.

Ces estimations doivent toutefois être considérées avec précaution. En effet, elles sont subordonnées à la validité des modèles qui les sous-tendent. Le mesures effectuées par les missions WMAP et Planck sont conditionnées par les modèles théoriques d’appréciation des paramètres cosmologiques et de la constante de Hubble, sur lesquels les instruments se basent. L’utilisation de modèles incorporant des descriptions différentes de ces paramètres ou introduisant des hypothèses supplémentaires (l’existence d’un fond de particules relativistes par exemple) donne des résultats différents ou des incertitudes plus élevées.