Un univers homogène et isotrope ?

Les observations anciennes suggèrent que l'univers est homogène et isotrope

 Apparemment, l’univers tout entier semble homogène et isotrope aux échelles de l’astronomie. Il donne l’impression d’être partout semblable à lui-même.

Quelle que soit la direction dans laquelle il est observé, il n’y a pas un endroit qui puisse éveiller l’attention plus qu’un autre.

Autrement dit, nous vivons dans un univers terriblement ennuyeux quand on le regarde de loin et dans sa globalité.

La traduction mathématique de l'homogénéité

En première lecture, les mesures du rayonnement micro-onde de la toile de fond cosmique (le CMB des anglophones) confirment cette homogénéité.

Ce constat expérimental justifie de rechercher des solutions simples aux équations de la théorie de la gravitation. Elles doivent inclure de nombreuses symétries pour rendre au mieux compte de cette apparente homogénéité.

Voilà la raison pourquoi les métriques FLRW ont trouvé les faveurs des théoriciens. Et voilà pourquoi aussi le scénario affirmant que notre univers est le fruit d’un Big-Bang a été privilégié au détriment d’autres hypothèses dont celle de Hoyle.

Résultat : la cosmologie moderne actuelle admet que l’univers dans lequel nous vivons est né il y a environ quatorze milliards d’années. Et que depuis, il se serait grosso modo dilaté de façon uniforme.

Les modèles mathématiques contiennent des chapitres entiers sur les espaces homogènes et isotropes ; qu’ils aient trois ou quatre dimensions. Cette partie-là des mathématiques permet d’aborder les très intéressants sujets des algèbres de Lie et de tenter une classification des types d’univers. Une entreprise commencée au début du vingtième siècle avec la classification de Bianchi, par exemple.

Mais l'univers est-il si homogène qu'il y paraît ?

Fin de l’histoire ; fin de cet article ? Non, car certaines observations relativement récentes et effectuées dans la gamme des rayons X ont réveillé le monde des astronomes.

Une étude publiée par une équipe internationale incluant la NASA, l’ESA et les Japonais, a mesuré la luminosité X de plus de huit cents galaxies. Elle a également comparé celles-ci avec des relevés antérieurs. La conclusion : deux régions au moins de l’univers ont montré de grands écarts avec les données recueillies précédemment.

L’observation dans cette gamme de fréquences du spectre électromagnétique s’est poursuivie et une partie des données a été mise à disposition du public occidental en 2024. Contrairement aux espoirs soulevés par les premiers résultats, elles n’apportent rien de révolutionnaire ; voir l’article : « L’univers en rayons X ».

De la nécessité d'une utilisation raisonnée du spectre électromagnétique

Quoiqu’il en soit, toute proposition de modèle théorique doit impérativement intégrer les différents visages de notre univers. Et cette proposition doit baser ses raisonnements sur les observations glanées sur l’ensemble des fréquences du spectre électromagnétique.

Pour bien comprendre l’utilité de pratiquer de la sorte, une expérience simple de physique suffit. Amassez différents types de minéraux. Placez-les dans une salle que vous pouvez éclairer avec des lumières de différentes fréquences en suivant le spectre de l’arc-en-ciel. Puis regardez !

La panoplie des images successives obtenues est impressionnante. En exagérant un peu le trait, tout se passe comme s’il existait un univers par fréquence. Ce qui n’est évidemment pas le cas puisque que ces diverses lumières révèlent un seul et même univers : le nôtre.

C’est un constat déjà ancien ; en 1982, il avait d’ailleurs inspiré et justifié le sujet de ma thèse en biophysique [01].

Depuis Johannes Kepler (1571 – 1630), la grande majorité des lois physiques ont été forgées (ou/et le sont encore) sur la base d’observations limitées à la seule partie visible (par les yeux) du spectre EM.

Peut-être y-a-t-il là une partie de l’origine des difficultés rencontrées par les astrophysiciens dans leurs tentatives de compréhension de l’univers. La communauté scientifique en est persuadée.

Cette conviction justifie que, depuis quelques années, des satellites artificiels circulent en orbite autour de la Terre. Ils scrutent l’univers dans les différentes gammes de fréquences (de l’I.R à l’U.V.).

Les nouvelles observations représentent pour la science actuelle ce que les observations de Tycho Brahe représentaient autrefois pour Kepler : une manne de données.

L’analyse et le recoupement de ces données offrent l’opportunité de mieux comprendre les structures galactiques et les connexions entre celles-ci.

Si l’univers semble effectivement globalement homogène, certaines simulations du cosmos n’en laissent pas moins deviner l’existence de filaments intergalactiques.

© Thierry PERIAT, 26 novembre 2023 – revu le 19 mars 2024.

Référence utile

[01] T. PERIAT : Panorama des méthodes de visualisation des tissus vivants (aspects biophysique) ; thèse n° 42.55.82 pour le diplôme de docteur de 2ème cycle en chirurgie dentaire, présentée le 9 juillet 1982, Académie de Paris, Université René Descartes (Paris V), Faculté de chirurgie dentaire. Imprimeur : Photo Dupli Services, 10 Galerie des damiers, La Défense 1 Courbevoie 775 26 32.