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Universum - C. Flammarion, gravure sur bois, Paris 1888, coloris : Heikenwaelder Hugo, Wien 1998.

L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.

La cosmologie cherche à appréhender l'Univers d'un point de vue scientifique, comme l'ensemble de la matière distribuée dans le temps et dans l'espace. Pour sa part, la cosmogonie vise à établir une théorie de la création de l'Univers sur des bases philosophiques ou religieuses .

On ne connaît au plus que 5 % de la matière de l'Univers ^[1].

C'est une entité dans laquelle tout événement de probabilité non-nulle peut se produire^{[réf. nécessaire]}.

Découverte de l'Univers dans l'Histoire [modifier]

Les Sciences grecques tentèrent de comprendre le monde et de l'expliquer :

• les philosophes Parménide, Platon, et Aristote avaient intégré l'idée d'une Terre sphérique, mais ils la voyaient au centre de l'univers physique, alors que l'école de Milet se représentait la Terre plate ;
• Ératosthène tenta de réaliser des calculs précis, notamment la mesure de la circonférence d'un méridien terrestre ;
• Aristarque de Samos est l'un des premiers à envisager un modèle de système planétaire héliocentré. Cette découverte ne fait alors pas l'unanimité, pour des raisons philosophiques surtout en cela qu'une telle cosmologie est en désaccord avec la conception géocentrée du monde qui était retenue par de grands philosophes comme Parménide, Platon, et Aristote. Il calcule aussi la distance Terre-Lune dont il trouve une valeur très précise (60 rayons terrestres) ;
• Hipparque poursuit ce travail : il recalcule la distance Terre-Lune, recense 1 500 étoiles, retrouve approximativement la période de précession des équinoxes, qui était déjà connue des Babyloniens.
• Ptolémée poursuit le travail d'Hipparque. Son Almageste sera la référence astronomique essentielle pendant treize siècles.

L'Univers, vu par Andreas Cellarius en 1660/61.

Ces connaissances du monde grec perdureront et influenceront les sciences arabes après l'effondrement du monde gréco-romain, alors que dans le monde chrétien Cosmas d'Alexandrie tente de restaurer le modèle d'un monde plat.

La Renaissance porte à son apogée cette représentation du monde, grâce aux explorations et aux grandes découvertes qui eurent lieu du XIII^e au XVI^e siècles, à partir de systèmes géographiques et cosmologiques très élaborés (projection de Mercator).

La révolution copernicienne bouleverse cette cosmologie en trois étapes :

1. Copernic redécouvre l'héliocentrisme. Toutefois, cette redécouverte n'est que partiellement révolutionnaire : en effet, Copernic reste attaché aux sphères transparentes du modèle d'Aristote (pourtant délaissé par Ptolémée) censées soutenir les planètes et leur imprimer leur mouvement ; il présente son système comme un simple artifice destiné à simplifier les calculs, ce qui lui évite des ennuis avec le clergé.
2. Le dominicain Giordano Bruno défend la réalité du modèle héliocentrique et l'étend à toutes les étoiles, ouvrant la dimension de l'univers physique à l'infini. Cela lui vaudra d'être brulé au bûcher pour hérésie.
3. Kepler, Galilée et Newton posent les bases fondamentales de la mécanique à partir du mouvement des planètes, grâce à leurs études respectivement du mouvement elliptique des planètes autour du Soleil, l'affinement des observations astronomiques avec la définition du mouvement uniformément accéléré, et la formalisation mathématique de la force de gravité. L'Univers, toutefois, reste confiné dans le système solaire.

Naissance de l'Univers [modifier]

L'expansion de l'Univers, son âge et le Big Bang [modifier]

Les observations du décalage vers le rouge des rayonnements électromagnétiques en provenance d'autres galaxies suggèrent que celles-ci s'éloignent de notre galaxie, à une vitesse radiale d'éloignement supposée proportionnelle à ce décalage.

En étudiant les galaxies proches, Edwin Hubble s'est aperçu que la vitesse d'éloignement d'une galaxie était proportionnelle à sa distance par rapport à l'observateur (loi de Hubble); une telle loi correspond à un Univers visible en expansion.

Bien que la constante de Hubble ait été révisée par le passé dans d'importantes proportions (dans un rapport de 10 à 1), la loi de Hubble a été extrapolée aux galaxies éloignées, pour lesquelles la distance ne peut être calculée au moyen de la parallaxe ; cette loi est ainsi utilisée pour déterminer la distance des galaxies les plus lointaines.

En extrapolant l'expansion de l'Univers dans le passé, on arrive à une époque où celui-ci a dû être beaucoup plus chaud et beaucoup plus dense qu'aujourd'hui. C'est le modèle du Big Bang qui est un ingrédient essentiel du modèle standard de la cosmologie actuelle et possède aujourd'hui un grand nombre de confirmations expérimentales. La description du début de l'histoire de l'Univers par ce modèle ne commence cependant qu'après qu'il fût sorti d'une période appelée ère de Planck durant laquelle l'échelle d'énergie de l'Univers était si grande que le modèle standard n'est pas en mesure de décrire les phénomènes quantiques qui s'y sont déroulés. Durant cette époque, seule une théorie de la gravitation quantique pourrait expliquer le comportement microscopique de la matière sous l'influence importante de la gravité. Mais les physiciens ne disposent pas encore (en 2009) d'une telle théorie. Pour des raisons de cohérence avec les observations, après l'ère de Planck le modèle du Big Bang privilégie aujourd'hui l'existence d'une phase d'inflation cosmique très brève mais durant laquelle l'Univers aurait grandi de façon extrêmement rapide. C'est suite à cette phase que l'essentiel des particules de l'Univers auraient été créées avec une haute température, enclenchant un grand nombre de processus importants^[2] qui ont finalement abouti à l'émission d'une grande quantité de lumière, appelé fond diffus cosmologique, qui peut être aujourd'hui observé avec une grande précision par toute une série d'instruments (ballons-sondes, sondes spatiales).

C'est l'observation de ce rayonnement fossile micro-onde, remarquablement uniforme dans toutes les directions qui constitue aujourd'hui l'élément capital qui assoit le modèle du Big Bang comme description correcte de l'Univers dans son passé lointain. Beaucoup d'éléments du modèle devraient encore être affinés^[3], mais il y a aujourd'hui consensus de la communauté scientifique autour du modèle du Big Bang.

Dans le cadre du modèle ΛCDM, qui est le plus simple incorporant tous les éléments que l'on vient d'évoquer, les contraintes issues des observations de la sonde WMAP^[4] sur les paramètres cosmologiques indiquent une valeur la plus probable pour l'âge de l'Univers à environ 13,7 milliards d'années^[5] avec une incertitude de 0,2 milliard d'années, ce qui est en accord avec les données indépendantes issues de l'observation des amas globulaires^[6] ainsi que celle des naines blanches^[7].

Taille de l'Univers, Univers observable [modifier]

À ce jour, rien ne nous permet de confirmer que l'Univers est soit fini, soit infini. Certains théoriciens penchent pour un Univers infini, d'autres pour un Univers fini mais non borné.

Les articles populaires et professionnels de recherche en cosmologie emploient souvent le terme « Univers » dans le sens d'« Univers observable ». Nous vivons au centre de l'Univers observable, en contradiction apparente avec le principe de Copernic qui dit que l'Univers est plus ou moins uniforme et ne possède aucun centre en particulier. C'est simplement parce que la lumière ne se déplace pas à une vitesse infinie et que les observations que nous faisons proviennent donc du passé. En effet, en regardant de plus en plus loin, nous voyons des choses qui se sont passées à une époque de plus en plus proche du Big-Bang. Et puisque la lumière se déplace à la même vitesse dans toutes les directions, tous les observateurs vivent au centre de leur Univers observable (sur Terre, nous avons pratiquement tous le même). On appelle « horizon cosmologique » la première lumière émise par le Big-Bang il y a 13,7 milliards d'années-lumière. Il nous est impossible de voir plus loin.

On estime que le diamètre de cet Univers observable est de 100 milliards d'années lumière^[8]. Celui-ci contient environ 7×10²² étoiles, répandues dans environ 10¹¹ galaxies, elles-mêmes organisées en amas et superamas de galaxies^[8]. Mais le nombre de galaxies pourrait être encore plus grand, selon le champ profond observé avec le télescope spatial Hubble.

Il est cependant probable que l'Univers que nous voyons n'est qu'une infime partie d'un Univers réel beaucoup plus grand. Selon les derniers modèles cosmologiques, la taille minimale de l'Univers réel serait de (un 1 suivi de dix milliards de zéros !)^[8]. Ce nombre est si grand qu'il peut être exprimé avec n'importe quelle unité : kilomètre, année-lumière...

On pourrait raisonner que, l'Univers contenant par définition tout ce qui existe, y compris l'espace-temps (et c'est une précision essentielle), il ne peut avoir de « bord  » tel que nous concevons intuitivement cette notion. En effet, l'existence d'un bord impliquerait qu'au-delà de ce bord, on ne serait plus dans l'Univers, ce qui serait absurde. Mais si l'Univers n'a pas de bord au sens intuitif de ce terme, alors son expansion n'est pas intuitive non plus : si elle l'était, dans quoi l'Univers serait-il en expansion ?

On voit ici les apparents paradoxes entraînés par l'utilisation de notions dites « intuitives »... qui ne sont que le reflet d'une perception locale de la réalité. Nos ancêtres du Néolithique savaient probablement bien, eux, que tout était borné et que l'autre côté était inaccessible. Donner une définition précise à ces notions intuitives permet de faire disparaître ces paradoxes. On voit que ce problème échappe à nos raisonnements simplistes, qui se basent sur des hypothèses fausses telles que « l'Univers est galiléen », ou « un espace courbe est nécessairement inclus dans un espace de dimension supérieure ». En définitive, une définition précise de la notion d'Univers permet de tenter de résoudre ces apparents paradoxes. Les paradoxes restants permettent de démontrer... que la définition donnée à l'Univers n'a pas sens. On sait en fait aujourd'hui qu'une définition, même formelle, d'un ensemble n'implique pas son existence.

Bref le mot « Univers » reste à définir.

Forme de l'Univers [modifier]

Une importante question de cosmologie qui reste sans réponse est la topologie de l'Univers.

1. Est-ce que l'Univers est « plat » ? C'est-à-dire : est-ce que le théorème de Pythagore pour les triangles droits est valide à de plus grandes échelles ? Actuellement, la plupart des cosmologues croient que l'Univers observable est (presque) plat, juste comme la Terre est (presque) plate.
2. Est-ce que l'Univers est simplement connexe ? Selon le modèle standard du Big Bang, l'Univers n'a aucune frontière spatiale, mais peut néanmoins être de taille finie.

Ceci peut être compris par une analogie bidimensionnelle : la surface de la Terre n'a aucun bord, mais possède une aire bien déterminée.
Vous pouvez également penser à un cylindre et imaginer de coller les 2 extrémités du cylindre ensemble, mais sans plier le cylindre.
C'est aussi un espace bidimensionnel avec une surface finie, mais au contraire de la surface de la Terre, il est plat, et peut ainsi servir de meilleur modèle.

Par conséquent, à proprement parler, nous devrions appeler les étoiles et les galaxies mentionnées ci-dessus « images » d'étoiles et de galaxies, puisqu'il est possible que l'Univers soit fini et si petit que nous pouvons voir une ou plusieurs fois autour de lui, et le vrai nombre d'étoiles et de galaxies physiquement distinctes pourrait être plus petit. Des hypothèses d'Univers multiconnexe ont été proposées et sont en cours d'étude.

Modèle dimensionnel de l'Univers [modifier]

L’Univers a-t-il 4, 6, 10 dimensions ou plus ?

La théorie des cordes prédit qu’espace et matière sont consubstantiels. Il n’y a pas de « contenant » (l’espace) mais un fond d’espace-temps qui interagit avec la matière. Dans certains cas particuliers, la notion de « nombre de dimensions de l’espace » dépend de l’intensité avec laquelle les cordes réagissent entre elles. Si cette interaction est faible, elles semblent se propager dans un espace à neuf dimensions - auxquelles il faut rajouter celle du temps. Si cette interaction croît, cela développe une dimension de plus (ou plus en fonction de l’intensité de l’interaction) à laquelle il faut toujours rajouter celle du temps. Supposons maintenant qu’on enferme l’Univers dans un espace « fini » (une boîte pour être concret) et que cet espace rapetisse jusqu’à 10^-32 centimètre de côté, la théorie des cordes le prédit équivalent à un Univers très grand. La conception d’espace est fondamentalement bouleversée. La mise en route du grand collisionneur de hadrons de Genève, Large Hadron Collider (plus communément appelé LHC), viendra peut être confirmer cette théorie. Elle ne pourra en revanche pas l'infirmer, car aucun ordre de grandeur n'a été prédit par la théorie des cordes. Ainsi, si le phénomène n'est pas détecté, cela pourrait signifier que trop peu d'énergie a été générée pour rendre le phénomène observable, sans impliquer pour autant que la théorie soit nécessairement erronée.

Avenir de l'Univers [modifier]

Les objets galactiques auront une fin : le Soleil, par exemple, s'éteindra dans 5 (à 7) milliards d'années, lorsqu'il aura brûlé tout son combustible. À terme, les autres étoiles suivront elles aussi dans des cataclysmes cosmologiques (explosions, effondrements). Déjà les naissances d'étoiles se ralentissent^[9] faute de matière, qui se raréfie au fil du temps. Dans 20 milliards d'années environ, aucun astre ne s'allumera plus. L'Univers sera peuplé d'étoiles éteintes (étoiles à neutrons, naines blanches, trous noirs) et des naines rouges résiduelles. À bien plus longues échéances, les galaxies se désagrègeront dans des collisions géantes par leurs interactions gravitationnelles internes et externes^[10].
Voilà pour le contenu.

Qu'en est-il du contenant, c'est à dire l'espace ?

• Pour certains, le processus d'expansion sera gravitationnellement ralenti et s'inversera selon le scénario du Big Crunch^[11].
• Pour d'autres, l'expansion^[12] continuera à jamais. Peu à peu, les astres éteints s'agglutineront en trous noirs. L'Univers, sans aucune structure, ne sera plus qu'un bain de photons de plus en plus froids^[13]. Toute activité dans l'Univers s'éteindra ainsi à jamais.
• Si la quantité d'énergie sombre croît, l'Univers continuera son expansion à une vitesse toujours plus grande pour exploser à toutes les échelles : toute la matière qui le compose (y compris les atomes) se déchirera par dilatation de l'espace. C'est le Big Rip^[14]. Certains modèles prévoient une telle fin dans 22 milliards d'années.

Chacun de ces scénarios dépend donc de la quantité d'énergie sombre que contiendra l'Univers à un moment donné.

Actuellement, l'état de nos connaissances suggère non seulement qu'il y a insuffisamment de masse et d'énergie pour provoquer ce Big Rip, mais que l'expansion de l'Univers semble s'accélérer et continuera donc pour toujours.