Univers observable - Définition

Introduction

Voir l'article Univers pour un point de vue général de l'Univers.

L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de notre Univers. Par définition même, la limite de cette partie visible est située à l'horizon cosmologique. Du fait que notre Univers a un âge fini, environ 14 milliards d'années, la lumière des objets célestes situés au-delà de l'horizon n'a pas eu le temps de parvenir jusqu'à nous et ces objets sont donc invisibles.

Il serait scientifiquement inconséquent d'ignorer la partie non observable de l'Univers sous prétexte que nous ne pouvons pas la voir. C'est toute la force des modèles théoriques de pouvoir appréhender l'Univers dans son ensemble alors que nous ne pouvons en voir qu'une partie. D'ailleurs la lumière voyageant à la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde, chaque seconde de temps qui s'écoule nous fait découvrir une profondeur d'espace nouvelle de 300 000 kilomètres. De la sorte, en une année, quelques galaxies nouvelles supplémentaires se découvrent à notre vue. On conçoit qu'il serait absurde de dénier la réalité de ces objets avant que nous puissions les voir alors qu'ils vont apparaitre d'un moment à l'autre. Appréhender la seule partie observable de l'Univers n'est pas appréhender la réalité de l'Univers dans son ensemble.

Taille de l'univers observable

Puisque l'âge de notre Univers est de quelque 14 milliards d'années, la lumière émise par un astre ne peut pas avoir voyagé plus de 14 milliards d'années. Par conséquent la lumière issue des objets les plus éloignés que nous puissions détecter, à la limite de la partie observable de notre Univers, aura mis 14 milliards d'années pour nous parvenir. Pendant ce temps la lumière aura parcouru exactement 14 milliards d'années-lumière et par conséquent ce nombre fixe commodément la taille de la partie observable de notre Univers.

C'est une autre question de savoir à quelle distance géométrique se situent actuellement les objets dont nous recevons la lumière, 14 milliards d'années après qu'ils l'ont émise. Pour déterminer cette distance, il faut adopter un modèle d'univers et connaissant la vitesse d'expansion de l'espace en déduire la distance dont se sera éloigné l'objet considéré depuis l'émission des photons. Dans le cadre du modèle standard de la cosmologie la distance actuelle de l'horizon cosmologique est de l'ordre de 45 milliards d'années-lumière.

Nous ne pouvons donc pas observer les objets situés sur l'horizon cosmologique à sa distance actuelle. Nous ne pouvons théoriquement observer les objets que jusqu'à la distance du fond diffus cosmologique, 300 000 années après le Big Bang, quand l'Univers s'était assez refroidi pour permettre aux électrons de se joindre aux noyaux atomiques, ce qui amena un arrêt à l'effet Compton des photons ambiants en permettant ainsi aux photons de survivre assez longtemps pour atteindre la Terre.
Toutefois il serait (théoriquement) possible d'extraire des informations d'avant cette époque, grâce à la détection des ondes gravitationnelles ou des neutrinos « fossiles ». Ni les unes ni les autres n'ont encore été détectés.

Contenu de l'univers observable

Voici trois façons d'estimer en ordre de grandeur la quantité de matière dans la partie observable de notre Univers. Elles conduisent à un nombre total d'atomes de l'ordre de 10⁸⁰ en chiffres ronds.

1. L'horizon de notre Univers est situé actuellement à environ 40 milliards d'années-lumière, comme nous de le voir. Si l'on néglige les effets de courbure de l'espace, le volume de l'espace visible représente : 4/3.π.R³ = 2×10⁸⁰ m³. La densité critique de l'Univers, pour une constante de Hubble égale à 75 (km/s)/Mpc, est de : 3.H²/(8.π.G) = 10⁻²⁶ kg/m³ ; soit environ 5 atomes d'hydrogène par mètre cube. En multipliant ceci par le volume de la partie visible de l'Univers, on obtient 10⁸¹ atomes d'hydrogène.
2. Une étoile typique « pèse » environ 2×10³⁰ kg (c'est la masse du Soleil), ce qui fait environ 10⁵⁷ atomes d'hydrogène par étoile. Une galaxie typique contient environ 400 milliards d'étoiles ce qui fait que chaque galaxie aurait en moyenne environ 1×10⁵⁷ × 4×10¹¹ = 4×10⁶⁸ atomes d'hydrogène. Il y aurait peut-être 80 milliards de galaxies dans la partie observable de notre Univers, ce qui fait au final 4×10⁶⁸ × 8×10¹⁰ = 3×10⁷⁹ atomes d'hydrogène dans l'Univers.
3. Enfin une façon simple, plus rigoureuse et moins arbitraire d'estimer l'ordre de grandeur des quantités cherchées est de faire les calculs à partir des équations de Friedmann. Une application numérique pouvant être considérée comme une bonne première approximation de la réalité donne une densité actuelle de 5×10^-27 kg/m³ pour un volume total de l'Univers de 10⁸¹ m³ dont nous ne verrions que 20 %. Ces nombres conduisent à 10⁵⁴ kg de matière, c'est-à-dire à 5×10⁸⁰ atomes, dans la partie observable de notre Univers.