Saviez-vous que l'univers que nous observons a des limites assez précises? Nous sommes habitués à associer l'Univers à quelque chose d'infini et d'incompréhensible. Cependant, la science moderne à la question de «l'infini» de l'Univers offre une réponse complètement différente à une question aussi «évidente».
Selon les concepts modernes, la taille de l'univers observable est d'environ 45,7 milliards d'années-lumière (ou 14,6 gigaparsecs). Mais que signifient ces chiffres?
La frontière de l'infini
La première question qui vient à l'esprit d'une personne ordinaire est de savoir comment l'Univers ne peut pas du tout être infini? Il semblerait incontestable que le contenant de tout ce qui existe autour de nous ne devrait pas avoir de frontières. Si ces limites existent, quelles sont-elles?
Disons qu'un astronaute a volé aux frontières de l'univers. Que verra-t-il devant lui? Un mur solide? Barrière coupe-feu? Et qu'y a-t-il derrière - le vide? Un autre univers? Mais la vacuité ou un autre univers peut-il signifier que nous sommes à la frontière de l'univers? Après tout, cela ne veut pas dire qu'il n'y a «rien». Le vide et l'autre Univers sont aussi «quelque chose». Mais l'Univers est quelque chose qui contient absolument tout «quelque chose».
Nous arrivons à une contradiction absolue. Il s'avère que la frontière de l'Univers devrait nous cacher quelque chose qui ne devrait pas l'être. Ou la frontière de l'Univers devrait séparer «tout» de «quelque chose», mais ce «quelque chose» devrait également faire partie de «tout». En général, une absurdité totale. Alors, comment les scientifiques peuvent-ils revendiquer la taille, la masse et même l'âge limite de notre univers? Ces valeurs, bien qu'inimaginablement grandes, sont toujours finies. La science se dispute-t-elle avec l'évidence? Pour faire face à cela, voyons d'abord comment les humains en sont arrivés à une compréhension moderne de l'univers.
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Élargir les frontières
Depuis des temps immémoriaux, l'homme s'intéresse à ce qu'est le monde qui l'entoure. Il n'est pas nécessaire de donner des exemples des trois baleines et d'autres tentatives des anciens pour expliquer l'univers. En règle générale, à la fin, tout se résumait au fait que le fondement de tout ce qui existe est le firmament terrestre. Même dans l'Antiquité et au Moyen Âge, lorsque les astronomes avaient une connaissance approfondie des lois régissant le mouvement des planètes le long de la sphère céleste «fixe», la Terre est restée le centre de l'Univers.
Naturellement, même dans la Grèce antique, il y avait ceux qui croyaient que la Terre tournait autour du Soleil. Il y avait ceux qui parlaient des nombreux mondes et de l'infini de l'univers. Mais la justification constructive de ces théories n'est apparue qu'au tournant de la révolution scientifique.
Au XVIe siècle, l'astronome polonais Nicolas Copernic a fait la première percée majeure dans la compréhension de l'Univers. Il a fermement prouvé que la Terre n'est qu'une des planètes en orbite autour du Soleil. Un tel système a grandement simplifié l'explication d'un mouvement aussi complexe et complexe des planètes dans la sphère céleste. Dans le cas d'une Terre stationnaire, les astronomes ont dû inventer toutes sortes de théories ingénieuses pour expliquer ce comportement des planètes. D'un autre côté, si la Terre est considérée comme mobile, l'explication de ces mouvements complexes vient naturellement. C'est ainsi qu'un nouveau paradigme appelé «héliocentrisme» a été établi en astronomie.
Beaucoup de soleils
Cependant, même après cela, les astronomes ont continué à confiner l'univers à la «sphère des étoiles fixes». Jusqu'au 19e siècle, ils ne pouvaient pas estimer la distance aux étoiles. Depuis plusieurs siècles, les astronomes ont tenté en vain de détecter les écarts de position des étoiles par rapport au mouvement orbital de la Terre (parallaxes annuelles). Les instruments de cette époque ne permettaient pas des mesures aussi précises.
Vega, photographié par l'ESO
Enfin, en 1837, l'astronome russo-allemand Vasily Struve a mesuré la parallaxe α de Lyra. Cela a marqué une nouvelle étape dans la compréhension de l'échelle de l'espace. Désormais, les scientifiques pourraient affirmer que les étoiles sont des similitudes éloignées avec le Soleil. Et désormais, notre luminaire n'est plus le centre de tout, mais un «habitant» égal de l'amas d'étoiles sans fin.
Les astronomes se sont encore rapprochés de la compréhension de l'échelle de l'univers, car les distances aux étoiles se sont avérées vraiment monstrueuses. Même la taille des orbites des planètes semblait insignifiante par rapport à cela. Ensuite, il a fallu comprendre comment les étoiles sont concentrées dans l'Univers.
Beaucoup de voie lactée
Le célèbre philosophe Emmanuel Kant a anticipé les fondements de la compréhension moderne de la structure à grande échelle de l'Univers en 1755. Il a émis l'hypothèse que la Voie lactée est un énorme amas d'étoiles en rotation. À leur tour, la plupart des nébuleuses observées sont également des «voies lactées» plus éloignées - des galaxies. Malgré cela, jusqu'au 20e siècle, les astronomes ont adhéré au fait que toutes les nébuleuses sont des sources de formation d'étoiles et font partie de la Voie lactée.
La situation a changé lorsque les astronomes ont appris à mesurer les distances entre les galaxies à l'aide des céphéides. La luminosité absolue des étoiles de ce type est strictement dépendante de la période de leur variabilité. En comparant leur luminosité absolue à celle visible, il est possible de déterminer leur distance avec une grande précision. Cette méthode a été développée au début du 20e siècle par Einar Herzsrung et Harlow Shelpy. Grâce à lui, l'astronome soviétique Ernst Epik a déterminé en 1922 la distance jusqu'à Andromède, qui s'est avérée être un ordre de grandeur plus grand que la taille de la Voie lactée.
Edwin Hubble a poursuivi l'effort d'Epic. En mesurant la luminosité des céphéides dans d'autres galaxies, il a mesuré la distance entre elles et l'a comparée au décalage vers le rouge de leurs spectres. Ainsi, en 1929, il développa sa célèbre loi. Son travail a définitivement réfuté la croyance établie selon laquelle la Voie lactée est le bord de l'univers. C'était maintenant l'une des nombreuses galaxies qui en avaient été autrefois considérées comme faisant partie intégrante. L'hypothèse de Kant a été confirmée près de deux siècles après son développement.
Plus tard, la connexion entre la distance de la galaxie à l'observateur et la vitesse de son éloignement de l'observateur, découverte par Hubble, a permis de composer une image complète de la structure à grande échelle de l'Univers. Il s'est avéré que les galaxies n'en étaient qu'une infime partie. Ils se sont liés en grappes, grappes en super grappes. À leur tour, les superagrégats se replient dans les plus grandes structures connues de l'univers - filaments et murs. Ces structures, adjacentes à d'énormes supervoïdes (vides), constituent la structure à grande échelle de l'univers actuellement connu.
Infini apparent
De ce qui précède, il s'ensuit qu'en quelques siècles à peine, la science est passée progressivement du géocentrisme à une compréhension moderne de l'Univers. Cependant, cela ne fournit pas de réponse quant aux raisons pour lesquelles nous limitons l'Univers ces jours-ci. Après tout, jusqu'à présent, il ne s'agissait que de l'échelle du cosmos, et non de sa nature même.
Évolution de l'univers
Le premier qui a décidé de justifier l'infini de l'Univers était Isaac Newton. Ayant découvert la loi de la gravitation universelle, il croyait que si l'espace était fini, tous ses corps se fondraient tôt ou tard en un seul tout. Avant lui, si quelqu'un exprimait l'idée de l'infini de l'Univers, c'était exclusivement dans une clé philosophique. Sans aucune justification scientifique. Un exemple de ceci est Giordano Bruno. À propos, comme Kant, il était en avance sur la science de plusieurs siècles. Il a été le premier à déclarer que les étoiles sont des soleils éloignés et que les planètes tournent également autour d'elles.
Il semblerait que le fait même de l'infini soit tout à fait justifié et évident, mais les tournants de la science du XXe siècle ont ébranlé cette «vérité».
Univers stationnaire
Albert Einstein a fait le premier pas significatif vers le développement d'un modèle moderne de l'univers. Le célèbre physicien a présenté son modèle d'un univers stationnaire en 1917. Ce modèle était basé sur la théorie générale de la relativité, qu'il avait développée la même année plus tôt. Selon son modèle, l'univers est infini dans le temps et fini dans l'espace. Mais, comme indiqué précédemment, selon Newton, un univers de taille finie devrait s'effondrer. Pour ce faire, Einstein a introduit une constante cosmologique, qui compensait l'attraction gravitationnelle d'objets distants.
Aussi paradoxal que cela puisse paraître, Einstein n'a pas limité la finitude même de l'Univers. Selon lui, l'Univers est une coquille fermée d'une hypersphère. Une analogie est la surface d'une sphère tridimensionnelle ordinaire, par exemple, un globe ou la Terre. Peu importe combien un voyageur parcourt la Terre, il n'atteindra jamais ses limites. Cependant, cela ne signifie pas du tout que la Terre est infinie. Le voyageur retournera simplement à l'endroit où il a commencé son voyage.
À la surface de l'hypersphère
De même, un vagabond spatial, surmontant l'univers d'Einstein sur un vaisseau spatial, peut retourner sur Terre. Seulement cette fois, le vagabond ne se déplacera pas le long de la surface bidimensionnelle de la sphère, mais le long de la surface tridimensionnelle de l'hypersphère. Cela signifie que l'Univers a un volume fini, et donc un nombre fini d'étoiles et de masse. Cependant, l'Univers n'a pas de frontières ni de centre.
L'avenir de l'univers
Einstein est arrivé à de telles conclusions en liant l'espace, le temps et la gravité dans sa célèbre théorie. Avant lui, ces concepts étaient considérés comme séparés, c'est pourquoi l'espace de l'Univers était purement euclidien. Einstein a prouvé que la gravité elle-même est une courbure de l'espace-temps. Cela a radicalement changé la compréhension initiale de la nature de l'Univers, basée sur la mécanique newtonienne classique et la géométrie euclidienne.
Univers en expansion
Même le découvreur du «nouvel univers» lui-même n'était pas étranger aux illusions. Bien qu'Einstein ait limité l'univers dans l'espace, il a continué à le considérer comme statique. Selon son modèle, l'Univers était et reste éternel, et sa taille reste toujours la même. En 1922, le physicien soviétique Alexander Fridman a considérablement élargi ce modèle. D'après ses calculs, l'univers n'est pas du tout statique. Il peut s'étendre ou se contracter avec le temps. Il est à noter que Friedman est arrivé à un tel modèle, basé sur la même théorie de la relativité. Il a pu appliquer plus correctement cette théorie, en contournant la constante cosmologique.
Albert Einstein n'a pas immédiatement accepté cet "amendement". La découverte Hubble mentionnée précédemment est venue à la rescousse de ce nouveau modèle. La dispersion des galaxies a incontestablement prouvé le fait de l'expansion de l'Univers. Alors Einstein a dû admettre son erreur. Maintenant, l'univers avait un certain âge, qui dépend strictement de la constante de Hubble, qui caractérise le taux de son expansion.
Développement ultérieur de la cosmologie
Alors que les scientifiques tentaient de résoudre cette question, de nombreux autres composants importants de l'univers ont été découverts et divers modèles ont été développés. Ainsi, en 1948, Georgy Gamov introduisit l'hypothèse «d'un univers chaud», qui deviendra plus tard la théorie du big bang. La découverte en 1965 du rayonnement de la relique confirma ses suppositions. Les astronomes pouvaient maintenant observer la lumière qui provenait du moment où l'univers est devenu transparent.
La matière noire, prédite en 1932 par Fritz Zwicky, a été confirmée en 1975. La matière noire explique en fait l'existence même des galaxies, des amas galactiques et de l'Univers lui-même dans son ensemble. Les scientifiques ont donc appris que la majeure partie de la masse de l'Univers est complètement invisible.
De quoi est fait l'univers
Enfin, en 1998, lors d'une étude de la distance aux supernovae de type Ia, il a été découvert que l'univers se dilate avec l'accélération. Ce prochain tournant dans la science a donné naissance à la compréhension moderne de la nature de l'univers. Le coefficient cosmologique introduit par Einstein et réfuté par Friedman a retrouvé sa place dans le modèle de l'Univers. La présence du coefficient cosmologique (constante cosmologique) explique son expansion accélérée. Pour expliquer la présence d'une constante cosmologique, le concept d'énergie noire a été introduit - un champ hypothétique contenant la majeure partie de la masse de l'Univers.
Le modèle actuel de l'univers est également appelé modèle ΛCDM. La lettre «Λ» dénote la présence d'une constante cosmologique qui explique l'expansion accélérée de l'univers. CDM signifie que l'univers est rempli de matière noire froide. Des études récentes indiquent que la constante de Hubble est d'environ 71 (km / s) / Mpc, ce qui correspond à l'âge de l'Univers 13,75 milliards d'années. Connaissant l'âge de l'univers, on peut estimer la taille de sa zone observable.
Évolution de l'univers
Selon la théorie de la relativité, les informations sur aucun objet ne peuvent atteindre l'observateur à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière (299792458 km / s). Il s'avère que l'observateur ne voit pas seulement un objet, mais son passé. Plus l'objet en est éloigné, plus il regarde le passé lointain. Par exemple, en regardant la Lune, nous voyons ce que c'était il y a un peu plus d'une seconde, le Soleil - il y a plus de huit minutes, les étoiles les plus proches - des années, des galaxies - des millions d'années, etc. Dans le modèle stationnaire d'Einstein, l'Univers n'a pas de limite d'âge, ce qui signifie que sa région observable n'est également limitée par rien. L'observateur, armé d'instruments astronomiques de plus en plus avancés, observera des objets de plus en plus éloignés et anciens.
Nous avons une image différente avec le modèle moderne de l'Univers. Selon elle, l'Univers a un âge, et donc une limite d'observation. Autrement dit, depuis la naissance de l'Univers, aucun photon n'aurait eu le temps de parcourir une distance supérieure à 13,75 milliards d'années-lumière. Il s'avère que nous pouvons affirmer que l'Univers observable est limité à l'observateur par une région sphérique d'un rayon de 13,75 milliards d'années-lumière. Cependant, ce n'est pas tout à fait vrai. N'oubliez pas l'expansion de l'espace de l'Univers. Jusqu'à ce que le photon atteigne l'observateur, l'objet qui l'a émis sera à 45,7 milliards de sv de nous. ans. Cette taille est l'horizon des particules, et c'est la frontière de l'Univers observable.
Ainsi, la taille de l'Univers observable est divisée en deux types. Taille visible, également appelée rayon de Hubble (13,75 milliards d'années-lumière). Et la taille réelle, appelée horizon des particules (45,7 milliards d'années-lumière). Essentiellement, ces deux horizons ne caractérisent pas du tout la taille réelle de l'Univers. Premièrement, ils dépendent de la position de l'observateur dans l'espace. Deuxièmement, ils changent avec le temps. Dans le cas du modèle ΛCDM, l'horizon des particules se dilate à une vitesse supérieure à l'horizon de Hubble. La question de savoir si cette tendance va changer à l'avenir, la science moderne ne donne pas de réponse. Mais si nous supposons que l'Univers continue de s'étendre avec l'accélération, alors tous ces objets que nous voyons maintenant, tôt ou tard, disparaîtront de notre «champ de vision».
À l'heure actuelle, la lumière la plus éloignée observée par les astronomes est le rayonnement de fond micro-ondes. En y regardant, les scientifiques voient l'Univers tel qu'il était 380 mille ans après le Big Bang. En ce moment, l'Univers s'est tellement refroidi qu'il a pu émettre des photons libres, qui sont capturés aujourd'hui à l'aide de radiotélescopes. À cette époque, il n'y avait ni étoiles ni galaxies dans l'Univers, mais seulement un nuage solide d'hydrogène, d'hélium et une quantité insignifiante d'autres éléments. A partir des inhomogénéités observées dans ce nuage, des amas galactiques se formeront par la suite. Il s'avère qu'exactement les objets qui sont formés à partir des inhomogénéités du rayonnement relique sont situés le plus près de l'horizon des particules.
Vraies limites
La question de savoir si l'univers a de vraies limites non observables est toujours le sujet de conjectures pseudo-scientifiques. D'une manière ou d'une autre, tout le monde converge vers l'infini de l'Univers, mais ils interprètent cet infini de manière complètement différente. Certains considèrent que l'Univers est multidimensionnel, où notre Univers tridimensionnel «local» n'est qu'une de ses couches. D'autres disent que l'univers est fractal - ce qui signifie que notre univers local peut être une particule d'un autre. N'oubliez pas les différents modèles du Multivers avec ses Univers fermés, ouverts, parallèles, ses trous de ver. Et il existe de très nombreuses versions différentes, dont le nombre n'est limité que par l'imagination humaine.
Mais si nous nous tournons vers le réalisme froid ou si nous nous éloignons simplement de toutes ces hypothèses, alors nous pouvons supposer que notre Univers est un dépôt homogène infini de toutes les étoiles et galaxies. De plus, à tout moment très éloigné, qu'il s'agisse de milliards de gigaparsecs de chez nous, toutes les conditions seront exactement les mêmes. À ce stade, il y aura exactement le même horizon de particules et la sphère de Hubble avec le même rayonnement relique à leur bord. Il y aura les mêmes étoiles et galaxies autour. Fait intéressant, cela ne contredit pas l'expansion de l'univers. Après tout, ce n'est pas seulement l'Univers qui est en expansion, mais son espace même. Le fait qu'au moment du Big Bang, l'Univers soit né d'un seul point indique seulement que les dimensions infiniment petites (pratiquement nulles) qui étaient alors sont maintenant devenues incroyablement grandes. Dans ce qui suit, nous utiliserons simplement cette hypothèse pour nous assurer quequi comprennent clairement l'échelle de l'univers observable.
Représentation visuelle
Diverses sources fournissent toutes sortes de modèles visuels qui permettent aux gens de comprendre l'échelle de l'univers. Cependant, il ne nous suffit pas de réaliser à quel point le cosmos est grand. Il est important de comprendre comment des concepts tels que l'horizon de Hubble et l'horizon des particules se manifestent réellement. Pour ce faire, imaginons notre modèle étape par étape.
Oublions que la science moderne ne connaît pas la région «étrangère» de l'Univers. En abandonnant les versions sur le multivers, l'Univers fractal et ses autres «variétés», imaginez qu'il est simplement infini. Comme indiqué précédemment, cela ne contredit pas l'expansion de son espace. Bien entendu, prenons en compte le fait que sa sphère de Hubble et la sphère de particules sont respectivement égales à 13,75 et 45,7 milliards d'années-lumière.
L'échelle de l'univers
Pour commencer, essayons de réaliser à quel point l'échelle universelle est. Si vous avez voyagé autour de notre planète, alors vous pouvez bien imaginer la taille de la Terre pour nous. Imaginons maintenant notre planète comme un grain de sarrasin qui tourne autour d'une pastèque-Soleil de la moitié de la taille d'un terrain de football. Dans ce cas, l'orbite de Neptune correspondra à la taille d'une petite ville, la région du nuage d'Oort à la Lune, la région de la frontière de l'influence du Soleil sur Mars. Il s'avère que notre système solaire est autant plus grand que la Terre que Mars est plus gros que le sarrasin! Mais ce n'est que le début.
Imaginons maintenant que ce sarrasin sera notre système, dont la taille est approximativement égale à un parsec. Ensuite, la Voie lactée aura la taille de deux stades de football. Cependant, même cela ne nous suffira pas. Nous devrons réduire la Voie lactée à un centimètre. Cela ressemblera un peu à de la mousse de café enveloppée dans un tourbillon au milieu de l'espace intergalactique noir de café. À vingt centimètres de là, il y a la même "miette" en spirale - la nébuleuse d'Andromède. Autour d'eux se trouvera un essaim de petites galaxies de notre amas local. La taille apparente de notre Univers sera de 9,2 kilomètres. Nous sommes parvenus à une compréhension des dimensions universelles. À l'intérieur de la bulle universelle
Cependant, il ne nous suffit pas de comprendre l'échelle elle-même. Il est important de comprendre la dynamique de l'univers. Imaginons-nous comme des géants pour lesquels la Voie lactée a un centimètre de diamètre. Comme indiqué tout à l'heure, nous nous trouvons à l'intérieur d'une sphère d'un rayon de 4,57 et d'un diamètre de 9,24 kilomètres. Imaginez que nous soyons capables de planer à l'intérieur de cette boule, de voyager, de surmonter des mégaparsecs entiers en une seconde. Que verrons-nous si notre univers est infini?
Bien sûr, devant nous, il y aura un nombre infini de toutes sortes de galaxies. Elliptique, spiralé, irrégulier. Certaines zones en seront grouillées, d'autres seront vides. La caractéristique principale sera que visuellement, ils seront tous immobiles alors que nous sommes immobiles. Mais dès que nous ferons un pas, les galaxies elles-mêmes commenceront à bouger. Par exemple, si nous pouvons voir le système solaire microscopique dans la Voie lactée centimétrique, nous pouvons observer son développement. En nous éloignant de 600 mètres de notre galaxie, nous verrons le Soleil proto-étoile et le disque protoplanétaire au moment de la formation. En s'en approchant, nous verrons comment la Terre apparaît, la vie surgit et l'homme apparaît. De même, nous verrons comment les galaxies changent et se déplacent à mesure que nous nous éloignons ou que nous les approchons.
Par conséquent, plus les galaxies que nous regardons sont lointaines, plus elles seront anciennes pour nous. Ainsi les galaxies les plus éloignées seront situées à plus de 1300 mètres de nous, et au tournant de 1380 mètres, nous verrons le rayonnement relique. Certes, cette distance sera imaginaire pour nous. Cependant, à mesure que nous nous rapprochons du rayonnement relique, nous verrons une image intéressante. Naturellement, nous observerons comment les galaxies se formeront et se développeront à partir du nuage original d'hydrogène. Lorsque nous atteignons l'une de ces galaxies formées, nous nous rendons compte que nous avons franchi non pas 1,375 kilomètres du tout, mais tous 4,57.
Réduction des effectifs
En conséquence, nous grandirons encore plus en taille. Maintenant, nous pouvons placer des vides et des murs entiers dans le poing. On se retrouve donc dans une bulle assez petite, dont il est impossible de sortir. Non seulement la distance aux objets au bord de la bulle augmentera à mesure qu'ils se rapprochent, mais le bord lui-même dérivera à l'infini. C'est tout l'intérêt de la taille de l'univers observable.
Quelle que soit la taille de l'Univers, pour l'observateur, il restera toujours une bulle limitée. L'observateur sera toujours au centre de cette bulle, en fait, il en est le centre. En essayant d'atteindre n'importe quel objet au bord de la bulle, l'observateur décale son centre. À mesure qu'il s'approche de l'objet, cet objet s'éloignera de plus en plus du bord de la bulle et changera en même temps. Par exemple, à partir d'un nuage d'hydrogène informe, il se transformera en une galaxie à part entière ou en un amas de galaxies. De plus, le chemin vers cet objet augmentera à mesure que vous vous en approcherez, car l'espace environnant lui-même changera. Une fois que nous arrivons à cet objet, nous le déplaçons simplement du bord de la bulle vers son centre. Au bord de l'univers, le rayonnement relique clignotera également.
Si nous supposons que l'Univers continuera à se développer à un rythme accéléré, alors qu'il se trouvera au centre de la bulle et que le temps s'écoulera pendant des milliards, des billions et des ordres encore plus élevés d'années à venir, nous remarquerons une image encore plus intéressante. Bien que notre bulle augmentera également en taille, ses composants en mutation s'éloigneront de nous encore plus rapidement, laissant le bord de cette bulle, jusqu'à ce que chaque particule de l'Univers erre dispersée dans sa seule bulle sans la capacité d'interagir avec d'autres particules.
Ainsi, la science moderne n'a pas d'informations sur les dimensions réelles de l'Univers et sur ses limites. Mais nous savons avec certitude que l'Univers observable a une frontière visible et vraie, appelée respectivement le rayon de Hubble (13,75 milliards d'années-lumière) et le rayon des particules (45,7 milliards d'années-lumière). Ces limites dépendent entièrement de la position de l'observateur dans l'espace et s'étendent avec le temps. Si le rayon de Hubble se dilate strictement à la vitesse de la lumière, alors l'expansion de l'horizon des particules est accélérée. La question de savoir si son accélération de l'horizon des particules se poursuivra et si elle ne passera pas à la compression reste ouverte.