Quelles sont les dimensions de l’Univers ?

Comment mesure-t-on la distance des étoiles et des galaxies lointaines ? L’Univers est-il fini ou infini ? Nos explications.

La mesure des distances des étoiles voisines

Les étoiles qui nous sont familières sont pour la plupart situées à moins d’une centaine d’années-lumière, ce qui est plutôt proche aux échelles cosmiques. Comment le sait-on ? En les observant depuis la Terre à différents moments de l’année : par rapport à d’autres étoiles plus lointaines, elles montrent de petits changements de position en raison d’un décalage d’angle de vue appelé parallaxe. Ce décalage permet de calculer une distance par une simple formule de géométrie. Mais les angles mesurés sont si petits que les résultats ne sont valables que pour les étoiles les plus proches au sein de notre galaxie.

Pour les étoiles plus lointaines, il faut une autre méthode. Il existe des étoiles d’un type particulier, les Céphéides, dont l’éclat varie avec une grande régularité : elles « clignotent » à un rythme proportionnel à leur luminosité propre. En mesurant ce rythme ainsi que la luminosité moyenne de l’étoile perçue depuis la Terre – dont on sait qu’elle est atténuée en fonction de la distance – on peut calculer son éloignement. On peut ainsi mesurer la distance des galaxies les plus proches, à quelques millions d’années-lumière, dès lors qu’elles abritent des Céphéides. Une méthode analogue permet d’aller au-delà en étudiant des variations d’éclat spécifiques sur des supernovas, des étoiles qui viennent d’exploser et qu’on peut voir à de très grandes distances grâce à leur forte luminosité.

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Les distances extrêmes

Situées à des distances pouvant dépasser le milliard d’années-lumière, beaucoup de galaxies sont trop éloignées pour qu’on puisse y déceler l’éclat d’étoiles individuelles. Mais en analysant la lumière qu’elles émettent, on peut utiliser un phénomène appelé décalage vers le rouge pour remonter à leur distance. Ce phénomène correspond à une dilatation des ondes lumineuses, le rouge ayant une longueur d’onde plus grande que celle des autres couleurs de l’arc-en-ciel. Pourquoi cette dilatation ? À la fin des années 1920, les astronomes Georges Lemaître et Edwin Hubble ont apporté la réponse : l’Univers est en expansion, et les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. On peut donc connaître la distance d’une galaxie en mesurant sa vitesse d’éloignement, caractérisée par son décalage vers le rouge. C’est la clef pour sonder les grandes profondeurs de l’Univers. Jusqu’à certaines limites…

L’Univers : fini ou infini ?

Selon la théorie du Big bang, l’expansion de l’Univers a commencé il y a 14 milliards d’années, à partir d’un état primordial extrêmement dense et chaud. Aucune lumière ne peut avoir été émise avant, si bien qu’on ne peut observer aucun objet dont la lumière aurait mis plus de 14 milliards d’années à nous parvenir. Il y a donc une limite à ce que les scientifiques appellent l’Univers observable. Compte tenu de son expansion pendant cette durée maximale, on estime que l’Univers observable occupe une sphère d’une cinquantaine de milliards d’années-lumière de rayon. Mais une partie de l’Univers pourrait être plus lointaine encore, et demeurer inaccessible à l’observation en raison de la vitesse limitée de la lumière.

Alors, jusqu’où l’Univers s’étend-il ? La question n’est pas tranchée à ce jour : si certains scientifiques sont convaincus que l’Univers est infini, d’autres considèrent que l’espace est peut-être courbé, se refermant sur lui-même comme une sphère : un Univers fini, sans bords. Qu’y aurait-­il « autour » ? Rien, pas même de vide ni d’espace ! Fini ou infini, l’Univers est bien difficile à imaginer dans sa globalité.

Article extrait de l’ouvrage Découvrir le ciel à l’œil nu, édité par Stelvision.