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Une des questions les plus anciennes à propos de l’univers est de savoir quelle est son étendue. Sans entrer dans les éternels débats sur les conséquences philosophiques de cette question, nous nous proposons de présenter ici comment la cosmologie aborde le problème.

D’une part, rappelons que le concept de distances est ambigu quand on considère un univers en expansion : il est difficile de parler de la distance entre deux objets quand celle-ci varie au cours du temps, et ce d’autant plus qu’elle varie rapidement (comprendre ici qu’elle varie significativement pendant la durée que met un photon à parcourir cette distance). C’est que nous avons présenté dans l’article précédent Le concept de distance dans un univers en expansion. Pour fixer les idées, les distances que nous allons donner ici correspondent aux celles qui séparent les objets aujourd’hui, c’est-à-dire à celles qu’il nous faudrait parcourir si nous avions la possibilité de nous rendre instantannément d’un point à l’autre de l’univers.

Ce que l’on sait relativement bien évaluer, c’est l’« âge » de l’univers. Qu’entend-on exactement par là ? Comme l’univers est en expansion, il était par le passé très dense et très chaud. De ce fait, on ne sait pas bien remonter aux époques les plus anciennes de l’histoire de l’univers car on ne connaît pas les lois de la physique qui régnaient dans les conditions d’alors. En fait, on ne sait même pas si l’univers a un âge fini (qu’il est « né » à un instant précis) ou s’il est éternel. Ce que l’on sait par contre, c’est le temps qui nous sépare de l’époque d’émission des objets les plus lointains que l’on voit. Ce temps, que l’on peut appeler « âge » de l’univers, est bien connu (ce qui ne veut pas dire qu’il soit facile à mesurer !) : il est très vraisemblablement compris entre 13 et 15 milliards d’années.

Maintenant, quelle est la distance qui nous sépare de la région d’émission du rayonnement fossile ? Si l’univers était statique, cette distance serait bien évidemment entre 13 et 15 milliards d’années lumière. Mais l’univers est en expansion : quand la lumière parcourt une certaine distance, la distance parcourue par celle-ci augmente au cours du temps. Ainsi, la distance réelle qui sépare la région d’émission du rayonnement fossile de nous est supérieure à 13 ou 15 milliards d’années lumière. Sa valeur précise dépend en fait de l’histoire de l’expansion de l’univers. D’après ce que l’on sait à l’heure actuelle, la distance qui sépare aujourd’hui la région d’émission du rayonnement fossile de nous est un peu plus de trois fois plus grande que 13 à 15 milliards d’années lumière, soit entre 40 et 50 milliards d’années lumière. Le diamètre de l’univers observable serait donc aux alentours de 90 milliards d’années lumière.

Quelle est alors la « taille » de l’univers ? Le paragraphe précédent nous a permis seulement de discuter de la taille de l’univers observable, ce qui n’est pas la même chose. Tout d’abord, précisons qu’il est difficile de savoir avec certitude quoi que ce soit sur la structure de la l’univers sur des échelles plus grandes que celles que l’on observe. Ainsi, on peut éventuellement dire que l’univers est plus grand que la région que l’on en observe [3], sans pour autant pouvoir dire s’il est fini ou non. De plus, il est possible que l’univers ait une « forme » inattendue. Ainsi, il se pourrait qu’il soit en quelque sorte périodique : un observateur allant en ligne droite pourrait éventuellement revenir à son point de départ au bout d’un certain temps, de la même façon que dans certains jeux su rordinateur un personnage qui arrive à l’extrémité de l’écran réapparaît sur le bord opposé de celui-ci. On dit alors que l’univers aurait une topologie non triviale [4]. Dans ce cas, l’univers pourrait être plus petit que la distance que l’on calcule naïvement par rapport à la région d’émission du rayonnement fossile : à l’instar du jeu sur ordinateur, le rayonnement fossile pourrait avoir plusieurs fois traversé l’écran (parcouru toute la longueur de l’univers) avant de parvenir jusqu’à nous. L’étude de tels modèles est à la fois riche et complexe, mais il ressort que les observations ne favorisent pas un univers de ce type trop petit : celui-ci fait très vraissemblablement plus de 50 milliards d’années lumière de côté.

En résumé :
 On sait calculer le temps mis par la lumière du rayonnement fossile pour parvenir jusqu’à nous (entre 13 et 15 mililards d’années).
 On peut calculer a distance qui nous sépare aujourd’hui de la région d’émission si l’univers n’a pas une forme (une topologie) inattendue : entre 40 et 50 milliards d’années.
 On ne peut pas dire si l’univers est fini ou infini, on peut par contre donner des limites inférieures sur sa taille.
 Les limites inférieures que l’on trouve sont de l’ordre de 50 milliards d’années lumière.
 On ne peut pas pour l’heure apporter de réponse définitive sur le fait que l’univers est fini ou infini.
 Si l’univers s’avère être fini (et pas trop gros), il est possible que l’on arrive à s’en assurer, mais il sera difficile d’acquérir la certitude que celui-ci est infini.

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