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Des astrophysiciens affirment que notre univers pourrait être un beignet géant en 3D

credit wacomka/Getty Images

Imaginez un univers où vous pourriez diriger un vaisseau spatial dans une direction et revenir finalement à votre point de départ. Si notre Univers était un beignet fini, alors de tels mouvements seraient possibles et les physiciens pourraient potentiellement mesurer sa taille.

« Nous pourrions dire : Maintenant, nous connaissons la taille de l’Univers », a déclaré par courriel à Live Science l’astrophysicien Thomas Buchert, du Centre de recherche en astrophysique de l’Université de Lyon, en France.

En examinant la lumière provenant de l’Univers très ancien, Buchert et une équipe d’astrophysiciens ont déduit que notre cosmos pourrait être multiplement connecté, ce qui signifie que l’espace est fermé sur lui-même dans les trois dimensions, comme un beignet tridimensionnel.

Un tel Univers serait fini et, selon leurs résultats, notre cosmos tout entier pourrait n’être que trois à quatre fois plus grand que les limites de l’Univers observable, situé à environ 45 milliards d’années-lumière.

Les physiciens utilisent le langage de la relativité générale d’Einstein pour expliquer l’Univers. Ce langage relie le contenu de l’espace-temps à la courbure et à la déformation de l’espace-temps, qui indique ensuite à ce contenu comment interagir. C’est ainsi que nous faisons l’expérience de la force de gravité.

Dans un contexte cosmologique, ce langage relie le contenu de l’Univers tout entier – matière noire, énergie noire, matière ordinaire, rayonnement et tout le reste – à sa forme géométrique globale.

Pendant des décennies, les astronomes ont débattu de la nature de cette forme : notre Univers est-il « plat » (ce qui signifie que des lignes parallèles imaginaires resteraient toujours parallèles), « fermé » (les lignes parallèles finiraient par se croiser) ou « ouvert » (ces lignes divergeraient) ?

Cette géométrie de l’Univers dicte son destin. Les Univers plats et ouverts continueraient à s’étendre éternellement, tandis qu’un Univers fermé finirait par s’effondrer sur lui-même.

De multiples observations, notamment celles du fond diffus cosmologique (le flash de lumière émis lorsque notre Univers n’avait que 380 000 ans), ont fermement établi que nous vivons dans un Univers plat. Les lignes parallèles restent parallèles et notre Univers ne cesse de s’étendre.

Mais la forme ne se résume pas à la géométrie. Il y a aussi la topologie, c’est-à-dire la façon dont les formes peuvent changer tout en conservant les mêmes règles géométriques.

Par exemple, prenez une feuille de papier plate. Elle est évidemment plate : les lignes parallèles restent parallèles. Maintenant, prenez deux bords de ce papier et enroulez-le pour former un cylindre. Ces lignes parallèles sont toujours parallèles : Les cylindres sont géométriquement plats. Maintenant, prenez les extrémités opposées du papier cylindrique et reliez-les. Cela donne la forme d’un beignet, qui est également géométriquement plat.

Si nos mesures du contenu et de la forme de l’Univers nous renseignent sur sa géométrie (il est plat), elles ne nous renseignent pas sur sa topologie. Elles ne nous disent pas si notre Univers est multi-connecté, ce qui signifie qu’une ou plusieurs des dimensions de notre cosmos se connectent les unes aux autres.

Regardez la lumière
Alors qu’un Univers parfaitement plat s’étendrait à l’infini, un Univers plat avec une topologie à connexions multiples aurait une taille finie. Si nous pouvions déterminer d’une manière ou d’une autre si une ou plusieurs dimensions sont enroulées sur elles-mêmes, nous saurions alors que l’Univers est fini dans cette dimension. Nous pourrions alors utiliser ces observations pour mesurer le volume total de l’Univers.

Mais comment un Univers aux connexions multiples se révélerait-il ?

Une équipe d’astrophysiciens de l’université d’Ulm en Allemagne et de l’université de Lyon en France s’est penchée sur le fond diffus cosmologique (CMB). Lorsque le CMB a été émis, notre Univers était un million de fois plus petit qu’aujourd’hui. Par conséquent, si notre Univers est effectivement connecté de manière multiple, il était beaucoup plus probable qu’il s’enroule sur lui-même dans les limites observables du cosmos à l’époque.

Aujourd’hui, en raison de l’expansion de l’Univers, il est beaucoup plus probable que l’enroulement se produise à une échelle supérieure aux limites observables, et l’enroulement serait donc beaucoup plus difficile à détecter. Les observations du CMB nous donnent notre meilleure chance de voir les empreintes d’un Univers aux connexions multiples.

L’équipe s’est penchée plus particulièrement sur les perturbations – terme de physique sophistiqué pour désigner les bosses et les ondulations – de la température du CMB. Si une ou plusieurs dimensions de notre Univers devaient se reconnecter entre elles, les perturbations ne pourraient pas être plus grandes que la distance autour de ces boucles. Elles ne seraient tout simplement pas adaptées.

Comme Buchert l’a expliqué à Live Science dans un courriel, « Dans un espace infini, les perturbations de la température du rayonnement CMB existent à toutes les échelles. Si, toutefois, l’espace est fini, alors il manque ces longueurs d’onde qui sont plus grandes que la taille de l’espace. »

En d’autres termes : Il y aurait une taille maximale aux perturbations, ce qui pourrait révéler la topologie de l’Univers.

Établir le lien
Les cartes du CMB réalisées à l’aide de satellites comme WMAP de la NASA et Planck de l’ESA ont déjà révélé une quantité intrigante de perturbations manquantes à grande échelle. Buchert et ses collaborateurs ont examiné si ces perturbations manquantes pouvaient être dues à un Univers à connexions multiples.

Pour ce faire, l’équipe a réalisé de nombreuses simulations informatiques de ce à quoi ressemblerait le CMB si l’Univers était un tri-torus, nom mathématique d’un beignet tridimensionnel géant, où notre cosmos est connecté à lui-même dans les trois dimensions.

« Nous devons donc faire des simulations dans une topologie donnée et comparer avec ce qui est observé », explique Buchert. « Les propriétés des fluctuations observées du CMB montrent alors une « puissance manquante » à des échelles supérieures à la taille de l’Univers. »

Une puissance manquante signifie que les fluctuations du CMB ne sont pas présentes à ces échelles. Cela impliquerait que notre Univers est multi-connecté, et fini, à cette échelle de taille.

« Nous trouvons une bien meilleure correspondance avec les fluctuations observées, par rapport au modèle cosmologique standard qui est censé être infini », a-t-il ajouté.

« Nous pouvons faire varier la taille de l’espace et répéter cette analyse. Le résultat est une taille optimale de l’Univers qui correspond le mieux aux observations du CMB. La réponse de notre article est clairement que l’Univers fini correspond mieux aux observations que le modèle infini. Nous pourrions dire : Nous connaissons maintenant la taille de l’Univers. »

L’équipe a découvert qu’un Univers à connexions multiples, environ trois à quatre fois plus grand que notre bulle observable, correspondait le mieux aux données du CMB. Bien que ce résultat signifie techniquement que vous pourriez voyager dans une direction et revenir à votre point de départ, vous ne seriez pas en mesure de le faire dans la réalité.

Nous vivons dans un Univers en expansion, et à grande échelle, l’Univers s’étend à un rythme plus rapide que la vitesse de la lumière, de sorte que vous ne pourriez jamais rattraper votre retard et terminer la boucle.

Buchert a souligné que les résultats sont encore préliminaires. Les effets des instruments pourraient également expliquer les fluctuations manquantes à grande échelle.

Néanmoins, il est amusant d’imaginer vivre à la surface d’un beignet géant.

Adaptation Terra Projects

Source : https://www.sciencealert.com/

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