Quelle est la taille totale de l’Univers ?

Les modèles théoriques, complétés par les observations effectuées au cours de ces dernières années, permettent aujourd’hui aux cosmologistes de contraindre relativement fidèlement la taille de l’Univers observable. Au-delà de cette limite, l’Univers continue de s’étendre, mais demeure inaccessible à nos instruments. Malgré cette inconnue, il est possible, à partir de l’extrapolation des données recueillies jusqu’à maintenant, d’émettre certaines hypothèses sur la taille de l’Univers entier. 

Le Big Bang est apparu il y a environ 13.8 milliards d’années. L’Univers était alors extrêmement dense et chaud, composé de matière, d’antimatière et de rayonnement. Sous l’effet de l’inflation puis de l’expansion, sa température a diminué tandis que son volume a considérablement augmenté. Aujourd’hui, l’Univers observable possède un rayon d’environ 46 milliards d’années-lumière (soit un diamètre de 92 milliards d’années-lumières).

Sur le même sujet :

Dans quoi l’Univers est-il en expansion ?

Cette limite de l’Univers observable correspond à l’horizon cosmologique, c’est-à-dire la frontière au-delà de laquelle l’Univers et les objets qui s’y trouvent ne nous sont plus causalement liés et demeurent donc à jamais inaccessibles à nos observations. C’est également à cette distance que se situe la surface de dernière diffusion — la région de l’Univers à partir de laquelle les photons du fond diffus cosmologique ont été émis.

Connaître l’Univers observable : un pré-requis à l’extrapolation vers l’Univers global

Pour spéculer sur la taille de l’Univers entier, il est nécessaire de s’appuyer sur les informations recueillies au sein de l’Univers observable, notamment concernant son histoire et sa dynamique. Si aujourd’hui l’Univers que nous observons est froid et constellé de structures complexes, dans le passé, celui-ci était bien plus chaud est uniforme, n’ayant pas eu suffisamment de temps pour former les grandes structures cosmiques.

Sous l’effet de l’expansion, la longueur d’onde des photons est étirée (redshift), correspondant à une diminution d’énergie, et conduisant donc à une diminution progressive de la température de l’Univers. Cela signifie que l’Univers jeune était alors plus chaud, la longueur d’onde des photons n’ayant que très peu subi l’expansion. Un fait confirmé par différentes observations distantes.

Il est possible de mesurer la température actuelle de l’Univers observable en étudiant le fond diffus cosmologique émis 380’000 ans après le Big Bang. Ces photons se trouvent aujourd’hui dans la fréquence micro-onde du spectre électromagnétique. Démontrant les propriétés d’un corps noir, sa température s’élève à -270.425 °C, correspondant avec une extrême précision aux prédictions effectuées dans le cadre du modèle du Big Bang.

En outre, l’évolution de l’énergie de ce rayonnement en fonction de la dynamique de l’Univers est connue. L’énergie d’un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde. Lorsque l’Univers faisait la moitié de sa taille actuelle, l’énergie des photons émis après le Big Bang était doublée. Lorsque l’Univers faisait 10% de sa taille actuelle, l’énergie des photons était multipliée par 10. Et lorsque l’Univers faisait 0.092% de sa taille actuelle, il était 1089 fois plus chaud qu’aujourd’hui, soit environ 2700 °C.

Pour estimer la taille de l’Univers observable, trois paramètres doivent être considérés : le taux d’expansion actuel de l’Univers (obtenu en mesurant la constante de Planck) ; la température actuelle de l’Univers (obtenue à partir du fond diffus cosmologique) ; la composition de l’Univers (matière, antimatière, rayonnement, neutrinos, matière noire, énergie noire, etc).

Grâce à ces informations, il est possible de déterminer l’évolution de la taille de l’Univers observable depuis le Big Bang. Combinées aux observations menées sur les supernovas, les grandes structures et l’oscillation acoustique des baryons, le rayon de l’Univers observable est estimé à 46.1 milliards d’années-lumière.

Le rôle primordial de l’inflation dans la taille totale de l’Univers

L’émission d’hypothèses sur l’Univers entier ne peut se baser que sur les modèle cosmologique et les lois physiques que nous connaissons dans l’Univers observable, et présumer que ces lois s’appliquent tout aussi bien localement que globalement.

Par exemple, les dernières missions d’observation ont montré que l’Univers est spatialement plat sur les grandes distances avec une marge d’erreur de seulement 0.4%. En se basant sur le modèle cosmologique standard, il est possible de déterminer une taille limite de l’Univers avant qu’il ne présente une courbure.

La mission Planck et le Sloan Digital Sky Survey ont montré que, si l’Univers est courbé, il présente un rayon de courbure 250 fois plus grand que ce que nous observons. En supposant l’absence d’anomalies topologiques, cela conduit à un diamètre de l’Univers entier d’au moins 23 trillions d’années-lumière, contenant un volume d’espace 15 millions de fois plus important que celui de l’Univers observable.

L’Univers a connu une période d’inflation qui a fini par s’arrêter dans notre région de l’Univers. Toutefois, plusieurs questions capitales demeurent encore sans réponse : quelle est la taille finale de l’Univers après l’inflation ? L’hypothèse de l’inflation éternelle est-elle correcte ? Combien de temps a précisément duré l’inflation ? Seules les réponses à ces questions permettraient de statuer clairement sur la taille totale de l’Univers.

Il est possible que l’Univers entier, après l’inflation, ait atteint une taille à peine supérieure à celle de l’Univers observable. Mais il est également possible que sa taille soit démesurément plus grande. Si le modèle de l’inflation éternelle est correct, alors plusieurs zones de l’Univers sont entrées en inflation et ont formé des « bulles d’Univers » contenues dans un espace-temps global représentant l’Univers dans sa totalité.

Mais à moins que l’inflation ait duré une infinité de temps, ou que l’Univers soit lui-même né infiniment grand, celui-ci devrait posséder une taille finie.