L’Univers pourrait avoir la forme d’un « donut »

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| ESO

Depuis de nombreuses années, les cosmologistes s’interrogent sur la forme de l’Univers. Est-ce une sphère ? Un dodécaèdre ? Ou autre chose encore ? Mais certains physiciens pensent qu’il pourrait en réalité avoir une forme encore plus singulière : celle d’un donut. Dans un tel univers fini, il serait possible de voyager en ligne droite et de revenir à notre point de départ, et ainsi de déterminer sa taille.

En examinant la lumière du tout début de l’Univers, Thomas Buchert et une équipe d’astrophysiciens ont déduit que notre cosmos peut être multiconnecté, ce qui signifie que l’espace est fermé sur lui-même dans les trois dimensions comme un beignet. Un tel univers serait fini, et selon leurs résultats, notre cosmos entier pourrait n’être que trois à quatre fois plus grand que les limites de l’Univers observable (environ 45 milliards d’années-lumière de rayon).

Les physiciens utilisent le langage de la relativité générale d’Einstein pour expliquer l’Univers. Ce langage relie le contenu de l’espace-temps à la déformation de l’espace-temps, qui indique ensuite à ces contenus comment interagir. Dans un contexte cosmologique, ce langage relie le contenu de l’univers entier — matière noire, énergie noire, matière ordinaire, rayonnement — à sa forme géométrique globale. Pendant des décennies, les astronomes ont débattu de la nature de cette forme : est-ce que notre univers est « plat » (ce qui signifie que des lignes parallèles imaginaires resteraient parallèles pour toujours), « fermé » (les lignes parallèles finiraient par se croiser) ou « ouvert » (ces lignes divergeraient ) ?

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Les différentes géométries possibles de l’Univers. © Wikimédia

Cette géométrie de l’Univers dicte son destin. Les univers plats et ouverts continueraient à s’étendre pour toujours, tandis qu’un univers fermé finirait par s’effondrer sur lui-même. De multiples observations, en particulier à partir du fond diffus cosmologique, ont fermement établi que nous vivons dans un univers plat. Les lignes parallèles restent parallèles et notre univers ne cessera de s’étendre. Mais la forme ne se limite pas à la géométrie.

Topologie de l’Univers : est-il fini et multiconnecté ?

Il y a aussi la topologie, c’est-à-dire comment les formes peuvent changer tout en conservant les mêmes règles géométriques. Alors que nos mesures du contenu et de la forme de l’Univers nous renseignent sur sa géométrie – il est plat – elles ne nous renseignent pas sur la topologie. Ils ne nous disent pas si notre univers est multiconnecté, ce qui signifie qu’une ou plusieurs dimensions de notre cosmos se connectent les unes aux autres.

Alors qu’un univers parfaitement plat s’étendrait à l’infini, un univers plat avec une topologie à connexions multiples aurait une taille finie. Si nous pouvions d’une manière ou d’une autre déterminer si une ou plusieurs dimensions sont enveloppées sur elles-mêmes, alors nous saurions que l’Univers est fini dans cette dimension. Nous pourrions ensuite utiliser ces observations pour mesurer le volume total de l’Univers. Mais comment un univers multiconnecté se révélerait-il ?

Une équipe d’astrophysiciens de l’Université d’Ulm en Allemagne et de l’Université de Lyon en France s’est penchée sur l’étude du fond diffus cosmologique (CMB). Lorsque le CMB a été émis, notre univers était un million de fois plus petit qu’il ne l’est aujourd’hui, et donc si notre univers est effectivement multiconnecté, alors il était beaucoup plus susceptible de s’enrouler sur lui-même dans les limites observables du cosmos à l’époque.

Aujourd’hui, en raison de l’expansion de l’Univers, il est beaucoup plus probable que l’enveloppement se produise à une échelle au-delà des limites observables, et donc l’enveloppement serait beaucoup plus difficile à détecter. Les observations du CMB nous donnent notre meilleure chance de voir les empreintes d’un univers multiconnecté.

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L’équipe a spécifiquement examiné les perturbations de la température du CMB. Si une ou plusieurs dimensions de notre univers devaient se reconnecter, les perturbations ne pourraient pas être plus grandes que la distance autour de ces boucles. « Dans un espace infini, les perturbations de la température du rayonnement CMB existent à toutes les échelles. Si, cependant, l’espace est fini, alors il manque ces longueurs d’onde qui sont plus grandes que la taille de l’espace », explique Buchert. En d’autres termes : Il y aurait une taille maximale aux perturbations, ce qui pourrait révéler la topologie de l’Univers.

Une carte du CMB compatible avec une forme de tore 3D

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Les cartes du CMB réalisées avec des satellites comme WMAP de la NASA et Planck de l’ESA ont permis d’observer une quantité intrigante de perturbations manquantes à grande échelle. Buchert et ses collaborateurs ont examiné si ces perturbations manquantes pouvaient être dues à un univers multiconnecté. Pour ce faire, l’équipe a effectué de nombreuses simulations informatiques de ce à quoi ressemblerait le CMB si l’Univers était un tore en 3D, qui est le nom mathématique d’un beignet géant en trois dimensions, où notre cosmos est connecté à lui-même dans les trois dimensions.

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Simulation du CMB pour un univers en forme de tore. Les résultats sont cohérents avec les anisotropies détectées dans le CMB actuel. © Buchert et al. 2021

« Il faut donc faire des simulations dans une topologie donnée et comparer avec ce qui est observé. Les propriétés des fluctuations observées du CMB montrent alors une puissance manquante à des échelles dépassant la taille de l’Univers. Nous trouvons une bien meilleure correspondance avec les fluctuations observées, par rapport au modèle cosmologique standard qui est considéré comme infini », indique Buchert. Une puissance manquante signifie que les fluctuations du CMB ne sont pas présentes à ces échelles. Cela impliquerait que notre univers est multiconnecté et fini, à cette échelle de taille.

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« Nous pouvons faire varier la taille de l’espace et répéter cette analyse. Le résultat est une taille optimale de l’Univers qui correspond le mieux aux observations du CMB. La réponse de notre article est clairement que l’Univers fini correspond mieux aux observations que le modèle infini. Nous pourrions dire : maintenant, nous connaissons la taille de l’Univers ». L’équipe a découvert qu’un univers à connexions multiples environ trois à quatre fois plus grand que notre bulle observable correspondait le mieux aux données du CMB. Bien entendu, les auteurs rappellent que ces résultats sont préliminaires et nécessitent des travaux supplémentaires.

Sources : arXiv

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