Cette image du rayonnement fossile observé par Planck correspond presque à l’horizon cosmologique. En tout cas, elle est directement liée à la taille de l’univers visible avec des photons. © ESA, Planck Collaboration

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Horizon cosmologique

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L'horizon cosmologique correspond à la limite du volume d'espace d'où l'on peut recevoir du rayonnement, ou plus précisément un signal, par exemple des ondes gravitationnelles, se déplaçant à la vitesse de la lumière.

Quelle que soit la taille de l'univers, et en supposant que celui-ci est isotrope à la précision des mesures, l'horizon cosmologique est donc la limite d'une sphère centrée sur chaque observateur dans cet univers.

Dans le cadre des modèles cosmologiques pouvant être construits avec la relativité générale, ce que l'on appelle « horizon cosmologique » n'est ainsi pas lié directement au rayon géométrique de l'univers, comme le serait le rayon d'une sphère ou ceux associés à un tore.

Les limites de l'horizon cosmologique

En utilisant les données de Wmap, le précurseur de Planck, les cosmologistes sont arrivés à calculer une valeur de 45,66 milliards d'années-lumière, non pas exactement pour le rayon de l'horizon cosmologique mais pour la distance nous séparant aujourd'hui des régions où a été émis le rayonnement fossile 380.000 ans après le Big Bang, qui est survenu il y a environ 13,8 milliards d'années.

Tout comme la surface du Soleil nous empêche de voir son intérieur, le plasma dans l'univers de l'époque nous empêche de voir jusqu'aux limites de l'horizon cosmologique. En théorie, à cause de leur pouvoir pénétrant (aucune matière n'arrête les ondes gravitationnelles), elles seules nous permettent de sonder les limites de l'horizon cosmologique. D'après les calculs, on obtient une valeur d'un peu plus de 46 milliards d'années-lumière pour le rayon de celui-ci.

Un fabuleux voyage à travers l'univers observable, de la Terre jusqu'à la sphère de dernière diffusion dont nous parviennent aujourd'hui les plus vieux photons de l'univers. Toutes les distances sont à l'échelle et les objets sont représentés avec le plus d'exactitude possible. © Digital Universe, American Museum of Natural History, YouTube. Musique : Suke Cerulo

Un horizon cosmologique de plus de 46 milliards d'années-lumière de rayon

Il peut paraître étonnant que l'on donne une valeur de plus de 45 milliards d'années-lumière pour le rayon de l'horizon cosmologique du fait de l'âge de l'univers observable. Il faut cependant se rappeler que rien ne fixe la vitesse d'expansion de l'espace selon la relativité générale, la théorie de la gravitation d’Einstein. Pour prendre une analogie, si l'espace est un tissu élastique sur lequel se déplacent des insectes, ce serait un tissu exotique qui peut s'étirer ou se contracter à des vitesses arbitraires, mais où le son et les insectes ne peuvent pas se déplacer plus vite qu'une certaine vitesse limite.

Dans le cas de l'univers, il découle de ce phénomène que les régions d'où sont parties les photons du rayonnement fossile 380.000 ans environ après l'hypothétique temps zéro, et qui donc forment une surface dont l'observateur est le centre quelle que soit la taille réelle de l'univers, se trouvent en fait aujourd'hui à une distance d'un peu plus de 45 milliards d'années-lumière du fait de l'expansion de l'univers observable. Ce nombre peut varier en fonction des caractéristiques du modèle cosmologique employé pour décrire le cosmos, c'est-à-dire notamment son contenu précis en matière, qu'elle soit baryonique ou noire, ainsi que la valeur de la constante cosmologique ou encore la topologie de l'espace.

Taille de l'horizon cosmologique

La taille de l'horizon cosmologique évolue avec le temps et ce n'est pas difficile de le comprendre si on prend pour analogie la taille d'une région sur Terre d'où un marcheur peut nous rejoindre en fonction du temps qui passe.

L'horizon cosmologique ne doit pas être confondu avec l'horizon des événements qui, dans un modèle cosmologique donné, correspond à la limite d'une région de l'espace pour un observateur au-delà de laquelle, de toute éternité, aucun signal ne pourra jamais lui parvenir.

Interview : quelle est la forme et la taille de l'univers ?  L'univers regroupe l’ensemble des éléments qui nous entourent. Mais, si son contenu est plus ou moins connu, sa forme et sa taille totale demeurent mystérieuses. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTh (Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique théorique), pour qu'il nous explique cette énigme.