Quelle est la taille de l’Univers? Entre horizon cosmologique et infini

Paradoxe de la limite de l'Univers observable: L'horizon cosmologique

L'Univers observable a un rayon d'environ 46 milliards d'années-lumière, une valeur qui semble paradoxale étant donné que l'âge de l'Univers est estimé à 13,8 milliards d'années. Ce paradoxe s'explique par l'expansion de l'Univers (expansion de l'espace lui-même, qui étire la distance entre les objets cosmologiques): l'espace lui-même s'étire, permettant à la lumière de voyager sur des distances plus grandes que le simple produit de la vitesse de la lumière par l'âge de l'Univers.

L’expansion de l’Univers

L’expansion de l’Univers signifie que l’espace lui-même grandit avec le temps. Ce n’est pas que les galaxies « voyagent » à travers l’espace comme des fusées, mais plutôt que l’espace entre elles s’étire, un peu comme les points dessinés sur la surface d’un ballon de baudruche qu’on gonfle.

Cette idée a été confirmée par Edwin Hubble en 1929, en observant que plus une galaxie est lointaine, plus elle s’éloigne rapidement de nous. On résume cela par la formule simple: \(v = H \times d\), où \(v\) est la vitesse d’éloignement, \(d\) la distance et \(H\) la constante de Hubble.

Grâce à cette expansion, l’Univers observable est beaucoup plus vaste que son âge exprimé en années-lumière: bien qu’il ait 13,8 milliards d’années, son rayon observable atteint environ 46 milliards d’années-lumière. La lumière des galaxies lointaines a voyagé pendant tout ce temps, mais l’espace s’est étiré pendant son trajet.

N.B. :
Les découvertes récentes montrent même que cette expansion s’accélère, comme si une mystérieuse « énergie noire » poussait l’Univers à grandir de plus en plus vite.

Pourquoi l'univers observable est-il plus grand que son âge ?

La distance mesurée à un instant cosmologique donné est appelée distance comobile, c'est-à-dire en « gelant » l'expansion à un moment donné. C’est la définition utilisée aujourd’hui pour exprimer le rayon observable de 13,8 milliards d'années.

Cependant, le rayon comobile correspond à une mesure de distance qui reste fixe pour un objet donné, indépendamment de l’expansion de l’Univers. Par exemple, une galaxie dont la lumière met 13,8 milliards d’années à nous parvenir se trouve actuellement à environ 46 milliards d’années-lumière en distance comobile. Cette grandeur est essentielle pour comparer des échelles cosmologiques, car elle neutralise l’effet de l’expansion et permet de définir clairement le volume de l’Univers observable.

N.B. :
La valeur « 46,5 Gly » désigne une distance comobile aujourd’hui, pas la durée de parcours de la lumière; la différence provient de l’expansion de l’espace.

Au-delà de l'horizon: l'Univers inaccessible

Au-delà de cet horizon de 46 milliards d'années-lumière, existe une partie de l'Univers que nous ne pouvons pas observer. La lumière provenant de ces régions n'a pas encore eu le temps de nous parvenir depuis le Big Bang (instant initial hypothétique de l'Univers, marquant le début de son expansion). Selon les modèles cosmologiques standard, l'Univers pourrait être soit infini, soit fini mais sans bord.

Les différents horizons

Pour comprendre l’Univers observable, il faut distinguer plusieurs notions de distance et de temps. Ensemble, ces concepts permettent de mieux visualiser la structure et l’évolution de l’Univers observable.

Le rayon comobile observable correspond à la distance la plus lointaine que nous pouvons voir aujourd’hui, soit environ 46 milliards d’années-lumière.
Le diamètre observable représente la taille totale de la sphère centrée sur nous, c’est-à-dire deux fois le rayon comobile, soit environ 93 milliards d’années-lumière.
Le rayon de Hubble définit une échelle où l’expansion de l’espace atteint la vitesse de la lumière, environ 14 milliards d’années-lumière.
L’âge de l’Univers indique le temps écoulé depuis le Big Bang, soit 13,8 milliards d’années.

Comparaison des horizons et valeurs caractéristiques
Concept	Définition	Valeur indicative	Commentaire
Rayon comobile observable	Distance comobile aujourd’hui jusqu'à la surface de dernière diffusion	≈ 46,5 Gly	Valeur modèle-dépendante, citée couramment comme « 46 milliards d'années-lumière ».
Diamètre observable	Deux fois le rayon comobile	≈ 93 Gly	Volume comobile observé associé à la sphère centrée sur l'observateur.
Rayon de Hubble	\(c/H_0\), échelle caractéristique	≈ 14,4 Gly	Échelle liée à la valeur de \(H_0\); sens physique différent de l'horizon des particules.
Âge de l'Univers	Temps écoulé depuis le Big Bang	≈ 13,8 Gyr	Paramètre bien contraint par la CMB et la synthèse de données cosmologiques.

Voyager plus vite que la lumière: est-ce possible ?

Selon la relativité restreinte d’Einstein, rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans le vide. Cette vitesse limite, \(c \approx 299 792\) km/s, est fondamentale pour la causalité et la structure même de l’espace-temps. Ainsi, un vaisseau ou une particule ne peut jamais atteindre ou dépasser cette vitesse en se déplaçant localement dans l’espace.

Cependant, il existe des exceptions à l’échelle cosmologique. L’expansion de l’Univers (étirement de l’espace-temps lui-même) peut séparer deux objets à une vitesse apparente supérieure à celle de la lumière, sans violer la relativité. En effet, ce n’est pas l’objet qui bouge à travers l’espace plus vite que \(c\), mais l’espace lui-même qui s’étire entre eux. C’est ce qui explique pourquoi des galaxies très lointaines semblent s’éloigner plus vite que la lumière de nous, dans le cadre du modèle standard \(\Lambda\)-CDM.