Combien d’atomes y a-t-il dans l’Univers observable ?

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Toute la matière dans l’Univers est composée d’atomes. Chacun de ces éléments constitutifs comporte un noyau chargé positivement, composé de protons et de neutrons, et d’électrons en orbite chargés négativement. Le nombre de protons, de neutrons et d’électrons d’un atome détermine à quel élément il appartient dans le tableau périodique et influence la façon dont il réagit avec les autres atomes qui l’entourent. Si l’ensemble de la matière est constitué d’atomes, combien de ceux-ci se trouvent dans l’Univers observable ?

Pour commencer petit, il y a environ 7 octillions, ou 7×1027 (7 suivi de 27 zéros) atomes dans un corps humain moyen. Compte tenu de cette vaste somme d’atomes dans une seule personne, l’on pourrait penser qu’il serait impossible de déterminer combien d’atomes se trouvent dans l’Univers entier. Et c’est le cas : nous n’avons aucune idée de la taille réelle de l’Univers entier, nous ne pouvons donc pas savoir combien d’atomes s’y trouvent.

Cependant, il est possible de calculer approximativement le nombre d’atomes dans l’Univers observable — la partie de l’Univers que nous pouvons voir et étudier — en utilisant quelques hypothèses cosmologiques et un peu de mathématiques. L’Univers actuel aurait été créé lors du Big Bang il y a 13.8 milliards d’années. Mais puisque l’Univers est en expansion accélérée depuis au moins 6 milliards d’années, et vu son taux d’expansion sur les grandes distances, le diamètre de l’Univers observable est aujourd’hui estimé à environ 90 milliards d’années-lumière.

Les hypothèses cosmologiques nécessaires au calcul

Selon la célèbre équation E=mc² d’Einstein, l’énergie et la masse, ou la matière, sont interchangeables, il est donc possible que la matière soit créée ou transformée en énergie. Mais à l’échelle cosmique de l’Univers, on peut supposer que la quantité de matière créée et incréée s’annulent. Cela signifie que la matière est finie, il y a donc le même nombre d’atomes dans l’Univers observable qu’il y en a toujours eu. Ceci est important, car notre image de l’Univers observable n’est pas un instantané unique dans le temps.

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Le principe cosmologique postule que sur les grandes échelles, l’Univers observable est homogène et isotrope. © T. Lombry

D’après les observations de l’Univers connu, les lois physiques qui le régissent sont les mêmes partout. Combiné avec l’hypothèse que l’expansion de l’Univers est constante, cela signifie qu’à grande échelle, la matière est uniformément distribuée dans tout le cosmos — un concept connu sous le nom de principe cosmologique. En d’autres termes, il n’y a pas de régions de l’Univers qui contiennent plus de matière que d’autres. Cette idée permet aux scientifiques d’estimer avec précision le nombre d’étoiles et de galaxies dans l’Univers observable, ce qui est utile car la plupart des atomes se trouvent dans les étoiles.

Quelques simplifications mathématiques

Premièrement, nous devons supposer que tous les atomes sont contenus dans les étoiles, même s’ils ne le sont pas. Malheureusement, nous avons une idée beaucoup moins précise du nombre de planètes, de lunes et de roches spatiales dans l’univers observable par rapport aux étoiles, ce qui signifie qu’il est plus difficile de les ajouter dans l’équation. Mais parce que la grande majorité des atomes de l’Univers sont contenus dans des étoiles, nous pouvons obtenir une bonne approximation du nombre d’atomes dans l’Univers en calculant le nombre d’atomes dans les étoiles et en ignorant tout le reste.

Deuxièmement, nous devons supposer que tous les atomes de l’Univers sont des atomes d’hydrogène, même s’ils ne le sont pas. Les atomes d’hydrogène représentent environ 90% du total des atomes de l’Univers, selon le Laboratoire national de Los Alamos, et un pourcentage encore plus élevé des atomes dans les étoiles, sur lesquels nous nous concentrons. Cela rend également les calculs beaucoup plus simples.

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Déterminer le nombre d’atomes dans l’Univers observable

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Pour calculer le nombre d’atomes dans l’Univers observable, nous devons connaître sa masse, ce qui signifie que nous devons savoir combien il y a d’étoiles. Il y a environ 1011 et 1012 galaxies dans l’Univers observable, et chaque galaxie contient entre 1011 et 1012 étoiles, selon l’Agence spatiale européenne. Cela donne un nombre situé entre 1022 et 1024 étoiles. Aux fins de ce calcul, nous pouvons dire qu’il y a 1023 étoiles dans l’Univers observable. Bien sûr, ce n’est qu’une estimation ; les galaxies peuvent varier en taille et en nombre d’étoiles.

En moyenne, une étoile possède une masse d’environ 1032 kilogrammes, ce qui signifie que la masse de l’Univers observable est d’environ 1055 kilogrammes. Maintenant que nous connaissons la masse ou la quantité de matière, il reste à déterminer combien d’atomes s’y trouvent.

En moyenne, chaque gramme de matière contient environ 1024 protons, selon le Fermilab, un laboratoire national de physique des particules dans l’Illinois (États-Unis). Cela signifie que la quantité est la même que le nombre d’atomes d’hydrogène, car chaque atome d’hydrogène n’a qu’un seul proton (d’où la raison pour laquelle l’hypothèse précédente sur les atomes d’hydrogène a été faite). Cela donne ainsi 1082 atomes dans l’Univers observable. Pour mettre cela en contexte, il s’agit de 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomes.

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