Connaitre l’âge de l’Univers

D’un point de vue conceptuel, l’idée de déterminer l’âge de l’Univers peut sembler la plus simple qui soit. Une fois que vous avez compris que l’Univers est en expansion, tout ce que vous avez à faire est de mesurer le taux d’expansion aujourd’hui et d’utiliser les lois de la physique pour déterminer comment le taux d’expansion doit avoir changé avec le temps. Au lieu d’extrapoler vers l’avant pour déterminer le sort de l’Univers, vous faites plutôt les calculs à l’envers, et vous retournez jusqu’à ce que vous ayez atteint les conditions du Big Bang chaud lui-même.

Cette méthode évidente ne fonctionne pas seulement, mais elle reste la meilleure façon de calculer l’âge de l’Univers, même aujourd’hui. Pourtant, il est très facile d’aller de travers, car il existe de nombreuses hypothèses simplificatrices que vous pouvez faire qui vous donneront une réponse facile qui n’est pas nécessairement correcte, y compris les erreurs que même un lauréat du prix Nobel a commises plus tôt cette année. Voici comment vous aussi pouvez déterminer l’âge de l’Univers.

L’expansion de l’univers

Le premier point de départ est l’Univers en expansion et le seul paramètre que nous nous sommes efforcés de mesurer plus longtemps que tout autre : la constante de Hubble. Sur les plus grandes échelles, les galaxies que nous trouvons dans l’Univers obéissent à une relation très simple entre les deux quantités observables de distance et de décalage rouge, où plus un objet est loin de nous, plus son décalage rouge mesuré sera grand.

Remarquablement, la loi qui les relie est extrêmement simple : la vitesse de récession que vous déduirez du décalage vers le rouge d’une galaxie est égale à la distance à cette galaxie multipliée par la constante de Hubble. Plus remarquable encore, cette constante a la même valeur pour pratiquement toutes les galaxies que nous mesurons, en particulier pour les galaxies situées à quelques milliards d’années-lumière de nous. Bien qu’il y ait des mouvements cosmiques supplémentaires inhérents à chaque galaxie induits par des effets gravitationnels, cette loi reste vraie quand on fait la moyenne sur toutes les galaxies que l’on peut trouver.

La constante de Hubble

Quelle est donc la constante de Hubble à mesurer ? Cela dépend de la façon dont vous le mesurez, puisque :

• si vous le mesurez en utilisant des signaux qui ont été imprimés jusqu’aux premiers stades du Big Bang, vous obtenez une valeur pour la constante de Hubble de 67 km/s/Mpc, avec une incertitude de 1-2%,
• mais si vous le mesurez en mesurant des sources lumineuses individuelles qui n’arrivent que lorsque l’Univers a déjà des milliards d’années, vous obtenez une valeur pour la constante de Hubble de 73 km/s/Mpc, avec une incertitude de seulement 2-3%.

Pourquoi ces deux valeurs ne correspondent pas – et pourquoi elles donnent des réponses si différentes et mutuellement incohérentes – est l’une des énigmes majeures de la cosmologie moderne.

Cependant, les plus astucieux d’entre vous remarqueront quelque chose à propos de la constante de Hubble elle-même : elle est exprimée en unités qui sont une vitesse (km/s) par unité de distance (Mpc, où 1 mégaparsec est d’environ 3,26 millions d’années-lumière). Si vous regardez une galaxie à 100 Mpc de distance, vous vous attendriez à ce qu’elle s’éloigne dix fois plus vite qu’une galaxie à seulement 10 Mpc de distance, mais seulement dix fois moins vite qu’une galaxie à 1 000 Mpc. C’est le simple pouvoir de la relation rouge-distance-distance.

Mais il y a une autre façon de manipuler la constante de Hubble : reconnaître qu’une vitesse (distance par temps) par unité de distance (distance) est la même que les unités de temps inverse. A quoi pourrait correspondre la signification physique de ce « temps inverse » ? Peut-être, vous pouvez raisonnablement l’imaginer, pourrait-elle correspondre à l’âge de l’Univers.

Il y a environ 3,1 × 1019 kilomètres dans un mégaparsec, ce qui signifie que si vous transformez la constante de Hubble en un temps inverse, vous trouvez des choses fascinantes.

• Le « temps » auquel correspond une valeur de 67 km/s/Mpc équivaut à 14,6 milliards d’années.
• Le « temps » auquel correspond une valeur de 73 km/s/Mpc équivaut à 13,4 milliards d’années.

Ils sont tous les deux presque égaux à l’âge accepté de l’Univers, mais pas tout à fait. De plus, ils sont presque égaux l’un à l’autre, mais diffèrent à peu près du même montant que les deux estimations de la constante de Hubble : 9 % environ.

Le calcul

Cependant, vous ne pouvez pas simplement changer l’âge de l’Univers en changeant la constante de Hubble, et il y a une raison subtile mais vitale pour laquelle il en est ainsi.

La valeur de la constante de Hubble aujourd’hui n’est pas simplement l’inverse de la valeur de l’âge de l’Univers, même si les unités sont conçues pour vous donner une mesure du temps. Au lieu de cela, le taux d’expansion que vous mesurez – la constante de Hubble aujourd’hui – doit équilibrer la somme totale de toutes les formes d’énergie qui contribuent à la composition de l’Univers, y compris :

• matière normale,
• de la matière noire,
• neutrinos,
• les radiations,
• l’énergie noire,
• courbure spatiale,
• et tout ce que l’on peut inventer.

L’équation qui régit l’Univers en expansion peut être résolue exactement dans certains cas simples.

Si votre Univers est exclusivement composé de rayonnement, vous trouvez que la constante de Hubble multipliée par l’âge de l’Univers puisque le Big Bang est égal à ½, exactement. Si votre Univers est exclusivement composé de matière (normale et/ou sombre), vous trouvez que la constante de Hubble multipliée par l’âge de l’Univers est égale à ⅔, exactement. Et si votre Univers est entièrement fait d’énergie noire, vous constaterez qu’il n’y a pas de réponse exacte ; la valeur de la constante de Hubble multipliée par l’âge de l’Univers continue toujours à augmenter (vers l’infini) au fil du temps.

Le calcul avec précision

Cela signifie que si nous voulons calculer avec précision l’âge de l’Univers, nous pouvons le faire, mais la constante de Hubble seule ne suffit pas. De plus, nous devons aussi savoir de quoi est fait l’Univers. Deux Univers imaginés avec le même taux d’expansion aujourd’hui mais faits de différentes formes d’énergie auront des histoires d’expansion différentes et, par conséquent, des âges différents l’un de l’autre.

Donc, pour découvrir l‘âge réel de l’Univers depuis le début du Big Bang chaud, tout ce que nous avons à faire est de déterminer le taux d’expansion de l’Univers et de quoi l’Univers est fait. Il y a une variété de méthodes que nous pouvons utiliser pour faire cette détermination, mais il y a une chose vitale que nous devons nous rappeler : plusieurs des façons dont nous avons de mesurer un paramètre (comme le taux d’expansion) dépendent de nos hypothèses sur ce dont l’Univers est fait.

En d’autres termes, nous ne pouvons pas supposer que l’Univers est fait d’une certaine quantité de matière, d’une certaine quantité de rayonnement et d’une certaine quantité d’énergie noire d’une manière indépendante du taux d’expansion lui-même. La façon peut-être la plus puissante d’illustrer cela est de regarder les restes de la lueur du Big Bang lui-même : l’arrière-plan des micro-ondes cosmiques.

Ceci, ci-dessus, est une carte des fluctuations (le fond diffus cosmologique) de l’arrière-plan des hyperfréquences cosmiques. Dans l’ensemble, toutes les directions de l’Univers affichent la même température moyenne que toutes les autres directions : environ 2,725 K. Lorsque vous soustrayez cette valeur moyenne, vous obtenez le modèle que vous voyez ci-dessus : les fluctuations ou les écarts de la température moyenne.

Les fluctuations présentent des schémas particuliers dans leur amplitude sur une variété d’échelles angulaires, avec des fluctuations dont l’amplitude augmente jusqu’à une échelle angulaire particulière d’environ 1 degré, puis diminue et augmente de façon oscillatoire. Ces oscillations nous donnent des statistiques vitales sur l’Univers.

Le plus important à réaliser, c’est qu’il existe de nombreuses combinaisons possibles de valeurs qui peuvent s’adapter à n’importe quel graphique particulier. Par exemple, étant donné les fluctuations que nous voyons, nous pouvons avoir un Univers avec :

• 4 % de matière normale, 21 % de matière noire, 75 % d’énergie noire et une constante de Hubble de 72,
• 5% de matière normale, 30% de matière noire, 65% d’énergie noire et une constante de Hubble de 65,
• soit 8% de matière normale, 47% de matière noire, 49% d’énergie noire, -4% de courbure et une constante de Hubble de 51.

Vous pouvez remarquer ici : vous pouvez avoir une constante de Hubble plus grande si vous avez moins de matière et plus d’énergie sombre, ou une constante de Hubble plus petite si vous avez plus de matière et moins d’énergie sombre. Ce qui est remarquable à propos de ces combinaisons, cependant, c’est qu’elles mènent toutes à presque exactement le même âge pour l’Univers depuis le Big Bang.

L’age réel

La raison pour laquelle nous pouvons prétendre que l’Univers est vieux de 13,8 milliards d’années avec une telle précision est due à la suite complète de données que nous avons. Un Univers qui se développe plus rapidement a besoin d’avoir moins de matière et plus d’énergie sombre, et sa constante de Hubble multipliée par l’âge de l’Univers aura une plus grande valeur. Un Univers en expansion plus lente nécessite plus de matière et moins d’énergie sombre, et sa constante de Hubble multipliée par l’âge de l’Univers obtient une valeur inférieure.

Cependant, pour être cohérent avec ce que nous observons, l’Univers ne peut être inférieur à 13,6 milliards d’années et supérieur à 14,0 milliards d’années, avec une confiance supérieure à 95%. Il y a beaucoup de propriétés de l’Univers qui sont en effet en doute, mais son âge n’en fait pas partie. Assurez-vous simplement de tenir compte de la composition de l’Univers, sinon vous obtiendrez une réponse naïve – et incorrecte.