L’idée selon laquelle l’univers s’étend à des vitesses supérieures à la lumière semble dépasser la limite de vitesse ultime. Ce n’est pas le cas. Mais cela rend la définition de la distance dans l’espace beaucoup plus délicate que la simple mesure du temps qu’il faut à la lumière pour arriver.
L’espace continue de croître pendant que les photons sont en transit. Une galaxie émet un rayon de lumière. Ce photon se dirige vers notre télescope. Pendant ce temps, le tissu de l’espace entre eux s’étire. Au moment où la lumière atteint la lentille, la galaxie source est beaucoup plus éloignée qu’au début de son voyage. Ce n’est pas seulement théorique. C’est pourquoi les astronomes doivent s’appuyer sur des modèles pour déterminer où se trouvent les choses maintenant.
La lumière nous montre le passé. Pas le présent.
Pour cartographier l’emplacement actuel de ces objets distants, nous utilisons un cadre cosmologique. Plus précisément, le modèle Lambda-CDM (LCDM). Cela représente la matière noire et l’énergie noire. Nous savons que la matière noire joue un rôle (voir épisode séparé). Nous savons que l’énergie noire est à l’origine de l’accélération (un autre épisode). Des théories alternatives existent, mais elles modifient rarement suffisamment les mécanismes fondamentaux de l’expansion cosmique pour avoir une incidence sur cette question spécifique.
Définir les limites de l’univers observable
Regardons les chiffres. L’univers a environ 13,77 milliards d’années. La lumière a eu autant de temps pour voyager. Donc, naïvement, on pourrait penser que la limite de ce que nous pouvons voir se trouve à 13,77 milliards d’années-lumière.
Vous auriez tort.
Parce que l’espace s’est étendu tout au long du voyage de la lumière, l’objet qui a émis cette lumière la plus ancienne est désormais distant d’environ 45 milliards d’années-lumière. Cette limite est appelée l’horizon des particules. Parfois, les cosmologistes l’appellent l’horizon comobile. Parfois, ils utilisent simplement « l’horizon cosmologique ». Le nom change selon l’humeur de l’astrophysicien et non selon celle du physique.
45 milliards. Bien plus grand que 13,77.
Cela signifie-t-il que l’information voyage plus vite que la lumière ? Non, cela signifie que l’espace lui-même est en expansion. Et l’espace n’est pas soumis aux mêmes règles que la matière.
La vitesse de la lumière est une limite de vitesse locale. Il régit la vitesse à laquelle les objets se déplacent à travers l’espace. Cela ne limite pas la vitesse à laquelle l’espace lui-même peut s’étendre. Vous ne verrez jamais une fusée passer devant votre fenêtre à une vitesse supérieure à c. Mais si vous observez deux galaxies lointaines, elles peuvent s’éloigner l’une de l’autre à n’importe quelle vitesse. Ils ne se déplacent pas dans l’espace au sens traditionnel du terme. L’espace entre eux ne fait que croître.
Pourquoi Redshift compte plus que la vitesse
Comment savons-nous que cela se produit ? Nous mesurons le redshift.
Lorsqu’une galaxie s’éloigne de nous, sa lumière s’étend dans les longueurs d’onde plus rouges et plus longues du spectre électromagnétique. Edwin Hubble a utilisé ce phénomène précis pour découvrir que l’univers est en expansion. Il a constaté que les galaxies plus éloignées avaient des redshifts plus élevés.
Un redshift plus élevé signifie une récession plus rapide.
Dans un univers en expansion, distance et vitesse sont liées. Plus un objet est éloigné, plus il y a d’espace entre vous et lui. Plus d’espace signifie plus d’expansion. Et plus d’expansion signifie une vitesse plus élevée.
Il y a un point de bascule spécifique. C’est ce qu’on appelle la distance de Hubble. Il se situe à environ 13,77 milliards d’années-lumière de la Terre. Les objets à cette distance s’éloignent de nous à la vitesse de la lumière.
Au-delà de ce point ? Ils se déplacent plus vite que la lumière.
Est-ce de la triche ? Non, c’est ainsi que fonctionne la relativité restreinte à l’échelle cosmique. Localement, rien ne vaut la lumière. À l’échelle mondiale ? L’espace peut faire ce qu’il veut.
La frontière cachée : l’horizon des événements
Nous pouvons donc voir les galaxies reculer plus vite que la lumière. Cela semble paradoxal. Mais il y a un piège.
Nous ne voyons que ces galaxies lointaines et en retrait supraluminique parce que la lumière que nous captons actuellement a été émise il y a des milliards d’années. À l’époque, ils étaient beaucoup plus proches. Ils étaient à la portée de nos télescopes.
Il y a une limite stricte à ce que nous pouvons voir. Ce n’est pas l’horizon des particules (la barre des 45 milliards d’années-lumière). C’est quelque chose de plus proche et de plus définitif.
L’horizon des événements cosmologiques.
Située à environ 17 milliards d’années-lumière, cette frontière sépare les galaxies que nous pouvons voir aujourd’hui de celles que nous ne verrons jamais, peu importe combien de temps nous attendons l’arrivée de la nouvelle lumière. La lumière émise au-delà de cette ligne ne nous parviendra jamais. L’expansion est trop rapide.
L’énergie noire rend cette limite plus agressive.
L’expansion accélérée provoquée par l’énergie noire garantit la stabilisation de l’horizon des événements. Elle augmentera légèrement, pour finalement se stabiliser à environ 60 milliards d’années-lumière. Mais au-delà de ça ? Obscurité.
La plupart des galaxies lointaines disparaîtront vers le rouge. Leur lumière s’étendra dans des longueurs d’onde si longues et si faibles qu’elles deviendront indétectables.
Ce n’est pas de la spéculation. C’est une prédiction basée sur les données actuelles. Dans environ 100 milliards d’années, si les humains (ou tout ce qui viendra après nous) continuent de lever les yeux, toutes les galaxies en dehors de notre groupe local auront disparu. L’univers semblera vide. Juste notre propre quartier dans un océan de rien.
C’est un avenir solitaire pour les astronomes. Mais cela est cohérent avec la physique dont nous disposons. L’univers s’étend. L’espace s’étire. Et certaines choses sont perdues dans l’obscurité, non pas parce qu’elles sont mortes, mais parce qu’elles sont allées trop loin, trop vite.
Et c’est comme ça.
