La forme du cosmos dépend de l’équilibre de deux forces concurrentes : l’attraction gravitationnelle et l’expansion provoquée par l’énergie noire. Journaliste Léa Grue explore ce que les observations nous disent sur l'étendue de l'univers et s'il a la forme d'un drap, d'une selle ou de quelque chose de complètement différent
La nébuleuse de la Carène vue par le télescope spatial Hubble
Commencez dans n'importe quelle direction et volez à travers l'univers. Hors de notre système solaire, au-delà des limites de la Voie Lactée, à travers la forêt de galaxies qui composent notre groupe local, dans les étendues sauvages du cosmos lointain, au-delà des trous noirs et des galaxies et des mondes quasi infinis… ou sont-ils infinis ?
Pourriez-vous continuer à voyager pour toujours ou finiriez-vous par atteindre un avantage ? Ou peut-être revenir là où vous avez commencé ? C’est le plus gros problème de la cosmologie, surtout si vous prenez le mot « plus grand » au sens littéral : quelle est exactement la taille et la forme de notre univers ? Nous avons quelques indices, mais ils ne pointent dans aucune direction particulière, cela reste donc en grande partie un mystère.
Lorsque je parle de l’univers avec des amis ou des collègues, je me surprends souvent à leur rappeler que l’espace est immense, voire infini. C'est une chose difficile à comprendre, mais les cosmologistes et les grands penseurs s'y interrogent depuis des siècles. La meilleure façon de déterminer sa taille est de commencer par déterminer sa forme. Et il existe de nombreuses idées sur la forme que pourrait prendre notre univers.
La forme la plus simple de l’univers serait essentiellement une feuille plate. Bien sûr, c'est bien plus compliqué que cela, mais c'est une métaphore utile (que l'on pourrait dire pour la plupart des choses en physique). Je vais passer en revue certains détails techniques, mais il suffit de dire que si l'univers est plat, toute la géométrie que vous avez apprise à l'école fonctionne : dessinez un triangle et ses angles totaliseront 180 degrés et toutes ses lignes seront droites. Mais si le cosmos est courbé, les choses commencent à devenir géniales. Votre triangle ne serait pas un triangle tel que vous le connaissez, mais les effets seraient si minimes que vous ne le remarqueriez pas. L'univers pourrait avoir la forme d'une selle ou même d'une sphère, et dans tous les cas, la géométrie devient non euclidienne et donc un peu étrange.
La taille et la forme de l'univers sont régies par deux grandeurs : la gravité et l'énergie sombre. La gravité de tout ce qui existe dans l’univers l’attire et l’énergie noire le pousse à se développer. Si ces deux éléments correspondent parfaitement, l’univers est plat. Si l'énergie noire gagne, elle a la forme de Pringle. L’une ou l’autre de ces formes permettrait à l’univers d’être fini ou infini – il existe des modèles qui fonctionnent pour chacune d’elles.
Si la gravité l’emporte, l’univers est sphérique et donc fini – ce qui est la solution la plus simple. Cependant, d’après diverses observations à grande échelle du cosmos, il semble que l’univers soit probablement plat. Là encore, des observations récentes ont montré que l’énergie sombre pourrait s’affaiblir avec le temps, ce qui souligne vraiment à quel point nous savons peu de choses avec certitude sur l’univers dans son ensemble. La matière noire est tout aussi mystérieuse, même si nous en construisons des cartes de plus en plus précises dans tout le cosmos, et elle constitue un élément crucial de la gravité de l’univers. Donc « probablement plat » doit toujours être pris avec des pincettes.
À ce stade, je dois vous dire que je ne suis pas ici un narrateur entièrement impartial. Comme de nombreux physiciens, je n’aime pas les infinis. Bien sûr, c'est amusant d'y penser, mais branchez-en un dans le monde physique et qu'est-ce que cela signifie ? C'est peut-être simplement les limites de mon cerveau humain, mais j'ai du mal à accepter que tout puisse être infini de manière significative. Tout doit avoir une limite, même si cette limite est extrêmement grande. Infinity me semble être une sorte de dérobade. Il n'y a aucun moyen de le mesurer. Si nos équations ne fonctionnent pas correctement, nous supposerons simplement que cela dure éternellement ? Donnez-moi une pause.
Je ne suis pas le seul à penser ainsi, et étant donné le dégoût général pour l’infini, il existe de nombreuses théories sur ce à quoi pourrait ressembler un univers fini. Même s'il est plat, il existe de nombreuses options pour relier les différentes parties de l'espace-temps les unes aux autres – comme je l'ai dit, la distinction feuille/sphère/selle est une simplification. D’une part, il y a la question de savoir si un univers fini doit avoir un avantage. Si l'univers est fini et plat comme une feuille de papier, il doit en avoir une – mais alors nous devons nous demander : qu'y a-t-il au-delà du bord ? Peut-être d'autres univers, peut-être rien du tout. Cela pourrait être n'importe quoi. Mais que se passe-t-il juste au bord ? Est-ce que l'existence… s'arrête ? C'est un peu déconcertant et difficile à imaginer, et il est également difficile de travailler sur les équations qui décrivent notre univers.
L’une d’elles représente-t-elle la forme de l’univers ?
Si l’espace-temps est courbé, les options s’ouvrent un peu. Une sphère n'a pas de bord, donc si vous voyagez trop loin dans une direction, vous reviendrez là où vous avez commencé. Ou encore, il pourrait avoir la forme d'un beignet, d'une bouteille de Klein, d'une étrange éponge percée de trous de ver, ou bien d'autres possibilités. Certains physiciens ont suggéré qu'il pourrait avoir la forme d'une cacahuète, d'un cône ou d'une pomme, cette dernière n'étant rendue possible qu'en ajoutant plus de dimensions que celles dans lesquelles nous existons actuellement. Comme je l'ai dit, c'est compliqué.
Toutes ces formes que je viens de mentionner sont finies. Ajoutez des infinis au mélange et tout devient encore plus sauvage – on pourrait même dire compliqué. Vous pourriez voyager éternellement et tout ce que vous trouveriez serait un espace infini, une variété infinie de galaxies, de systèmes et de mondes stellaires. Il n'y aurait plus à se soucier des limites ou de ce qui se trouve « à l'extérieur » de l'univers, car tout serait à l'intérieur.
Dans un certain sens, la perspective est passionnante. On pouvait trouver n'importe quoi là-bas. Il y aurait certainement d'autres formes de vie – par pure probabilité – même si cela est toujours valable pour un univers qui n'est pas infini mais vraiment très grand. Personnellement, cependant, je ne peux m'empêcher de penser qu'une quantité infinie d'univers, c'est tout simplement trop. J’adore imaginer ce qui pourrait exister, mais si la réponse est « tout est possible parce que l’univers continue toujours et à jamais », cela ne semble servir à rien d’imaginer.
Ce sont des sentiments personnels, cependant, et comme tout en physique, en fin de compte, cela se résumera à des observations et à des mathématiques. Cela fait partie de ce que j'aime dans la physique, son caractère concret – et l'infini n'est tout simplement pas assez concret. Si je choisis une direction et que je m'envole à travers l'univers, je veux finalement atteindre quelque chose, que ce soit un bord ou simplement rentrer chez moi.
