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L'Univers abrite environ 2 000 milliards de galaxies, organisées en groupes, amas et superamas. Ces structures s'étendent sur des millions d'années-lumière, formant une toile cosmique complexe. Cependant, cette hiérarchie de structures ne se répète pas indéfiniment.
Un modèle de la toile cosmique, montrant des galaxies lumineuses s'agglutinant là où les filaments de gaz se rencontrent.
Image: ESA / Springel et al., Virgo Consortium
Benoit Mandelbrot a popularisé le concept de fractales au milieu du XXe siècle. Une fractale est une structure définie par une formule mathématique unique, conservant sa forme à toutes les échelles. Mandelbrot s'est demandé si l'Univers pouvait être une fractale.
Les fractales sont omniprésentes dans la nature, des branches d'un arbre aux contours d'un flocon de neige. Mandelbrot a exploré si l'Univers, en s'éloignant, révélait des structures répétitives. En effet, nous observons une hiérarchie de structures à différentes échelles.
Cependant, cette hiérarchie a une limite. À une échelle d'environ 300 millions d'années-lumière, l'Univers devient homogène, sans structures plus grandes. Ainsi, l'Univers n'est pas une fractale, bien que certaines parties de la toile cosmique présentent des propriétés fractales.
Les halos de matière noire, abritant des galaxies et leurs amas, forment des structures imbriquées, avec des sous-halos et des sous-sous-halos. De même, les vides de l'Univers ne sont pas totalement vides, contenant quelques galaxies naines disposées en une version subtile de la toile cosmique.
Ainsi, bien que l'Univers dans son ensemble ne soit pas une fractale, les propriétés fractales sont omniprésentes dans ses structures complexes. Les simulations informatiques révèlent des sous-vides contenant leurs propres toiles cosmiques, montrant la richesse et la complexité de l'Univers.
Qu'est-ce qu'une fractale ?
Une fractale est une figure géométrique ou un ensemble naturel possédant une structure complexe et détaillée à toutes les échelles. Le concept a été popularisé par Benoit Mandelbrot, qui a montré comment ces formes apparaissent dans la nature, des côtes maritimes aux structures des plantes.
Les fractales sont définies par des formules mathématiques qui génèrent des motifs répétitifs. Ces motifs sont auto-similaires, ce qui signifie qu'ils conservent leur apparence quelle que soit l'échelle à laquelle on les observe.
Dans le contexte cosmologique, les fractales ont été envisagées comme un modèle possible pour la structure de l'Univers. Cependant, les observations montrent que l'Univers devient homogène à grande échelle, ce qui limite l'applicabilité du modèle fractal à l'ensemble du cosmos.
Et la matière noire dans tout ça ?
La matière noire joue un rôle crucial dans la formation et l'évolution des structures cosmiques. Invisible et ne rayonnant pas, elle exerce une attraction gravitationnelle qui façonne la distribution des galaxies et des amas de galaxies.
Les halos de matière noire, vastes nuages de cette substance encore mystérieuse, entourent les galaxies et leurs amas. Ces halos contiennent des sous-structures, comme des sous-halos, qui abritent des galaxies plus petites.
Les simulations informatiques montrent que la matière noire forme une toile cosmique complexe, avec des filaments et des vides. Cette toile influence la distribution de la matière visible, comme les étoiles et les galaxies, et joue un rôle clé dans la structure à grande échelle de l'Univers.