L’Univers possède-t-il un centre ?

hubble champ profond univers
| Hubble/NASA

L’Univers est né du Big Bang, et l’idée communément répandue veut que celui-ci soit une explosion ayant début à partir d’un point particulier. Une telle situation signifierait donc qu’il existe un centre à partir duquel tout a débuté. Mais bien que tentante, cette représentation du Big Bang est incorrecte. Alors, si une explosion n’est pas à l’origine du Big Bang, l’Univers a-t-il tout de même un centre ?

Une explosion commence en un point précis et s’étend rapidement vers l’extérieur. Les matériaux qui se propagent le plus rapidement sont ceux qui se déplacent le plus rapidement vers l’extérieur. Plus un observateur se tient loin du centre de l’explosion, moins la quantité de matériaux susceptibles de l’atteindre sera élevée. La densité d’énergie diminue avec le temps, et diminue d’autant plus rapidement en fonction de la distance au centre. Ainsi, il sera toujours possible, pour un observateur, de reconstruire le centre de l’explosion.

Toutefois, cette situation ne correspond pas à l’Univers que nous observons. L’Univers a la même apparence sur les grandes distances : mêmes densités, mêmes énergies, mêmes distributions de galaxies, etc. Les objets distants, s’éloignant plus rapidement de nous, ne semblent pas avoir le même âge que les objets plus proches, qui se déplacent à des vitesses plus faibles ; ils sont plus jeunes.

explosion espace univers
Lors d’une explosion dans l’espace, les matériaux périphériques se propagent plus rapidement. Ainsi, en s’éloignant du centre, la densité et l’énergie diminueraient, et les différentes propriétés du système varieraient. L’explosion devrait également avoir lieu dans un espace, au lieu d’étirer son propre espace. L’Univers tel qu’on l’observe ne correspond pas à cette situation. Crédits : ESO

Au lieu d’une explosion, la relativité générale prédit une expansion. Un univers qui commence à partir d’un état chaud et dense, dont la trame spatiale même s’étend. L’idée commune veut que cet événement ait débuté en un point particulier. Mais cette idée est bien entendu erronée. La relativité générale prédit simplement l’existence d’une région remplie de matière et d’énergie à partir de laquelle l’Univers a évolué en fonction des lois de la gravité.

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Selon le principe cosmologique, l’Univers est homogène et isotrope, c’est-à-dire que son aspect est indépendant de la direction dans laquelle il est observé ; en d’autres mots, son apparence générale ne dépend pas de la position de l’observateur. Ainsi, peu importe la direction d’observation, l’Univers arbore les mêmes propriétés physiques (densité, température, etc). Ce principe trouve plusieurs confirmations expérimentales, notamment dans l’isotropie du fond diffus cosmologique, l’aspect de de cernier étant le même en tout point de l’Univers.

isotropie fond diffus cosmologique
Le fond diffus cosmologique est presque totalement isotrope ; seuls quelques µK séparent les régions les plus froides des plus chaudes. Cela signifie que peu importe la direction d’observation, l’Univers arbore les mêmes propriétés. Crédits : ESA/Planck

Cette lumière uniforme témoin du Big Bang confirme que celui-ci s’est produit simultanément dans toutes les directions, rendant ainsi caduque l’idée même de rechercher un centre à l’Univers. D’autant plus que la relativité générale ne présage pas de la finitude de l’Univers ; celui-ci aurait très bien pu être infini dès le départ, la notion de centre n’aurait alors plus aucun sens.

En outre, des considérations sur la métrique, c’est-à-dire la dynamique et la géométrie de l’espace-temps, vont dans le sens d’une absence de centre. En effet, pour situer le centre d’un espace, il est nécessaire de posséder un système de coordonnées. En relativité générale, ce système de coordonnées est l’espace-temps et ses quatre dimensions (x, y, z et t). Or, au moment du Big Bang, cet espace-temps n’est pas encore construit, il n’y a donc aucun moyen de pouvoir situer un événement dans un espace qui n’existe pas encore.

univers observable echelle logarithmique
Le Big Bang n’a pas eu lieu en un point précis, mais simultanément dans toutes les directions. Et si l’Univers a effectivement un centre, la région d’Univers observable que nous voyons est insuffisante pour nous donner cette information. N’importe quel observateur peut donc virtuellement être le centre de l’Univers, comme sur cette représentation à l’échelle logarithmique de l’Univers observable centré sur le Système solaire. Crédits : Pablo

Et si l’Univers a effectivement un centre, il peut être n’importe où ; la partie de l’Univers qui nous est accessible à l’observation étant insuffisante pour nous révéler cette information. Pour considérer cette hypothèse, il nous faudrait détecter une anisotropie conséquente dans les températures, les densités de matières ou les distributions de galaxies. Mais jusqu’à maintenant, sur les grandes échelles, l’Univers semble bien être le même dans toutes les directions. Ainsi, n’importe quel observateur peut théoriquement être le centre de l’Univers.

Il n’y a pas de zone précise d’où l’Univers est entré en expansion sous l’impulsion du Big Bang, seulement un temps à partir duquel cette expansion a commencé, soit environ 13.8 milliards d’années.

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Le Big Bang est donc un événement affectant la totalité de l’Univers observable à un moment donné. C’est pourquoi observer sur de grandes distances dans toutes les directions signifie observer le passé. Et c’est donc pour cette raison que, peu importe la direction, l’Univers arbore des propriétés uniformes.

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