Demandez à Ethan : L’Univers peut-il jamais s’étendre plus vite que la vitesse de la lumière ?

« En élargissant le champ de la connaissance, nous ne faisons qu’accroître l’horizon de l’ignorance. » -Henry Miller

C’est la loi la plus fondamentale de la relativité restreinte, et la réalisation qui a conduit Einstein à certaines des plus grandes percées de la physique de tous les temps : l’idée que rien ne peut voyager plus vite que la lumière. C’est encore vrai aujourd’hui, car toutes les particules sans masse dans le vide se déplacent exactement à la vitesse de la lumière, tandis que toute autre chose – une particule massive n’importe où ou une particule sans masse dans un milieu – est condamnée à se déplacer plus lentement que la vitesse de la lumière. Mais lorsqu’il s’agit de l’expansion de l’Univers, il semble que cette théorie ne soit plus valable. Kevin Forward veut le savoir, puisqu’il pose la question suivante :

Dans les premiers millionièmes de seconde du Big Bang, l’Univers ne s’est-il pas étendu plus vite que la vitesse de la lumière ?

En guise de spoiler : non, il ne s’est pas étendu plus vite que la lumière à ce moment-là, ni à aucun autre moment, et il ne le fera jamais. Mais il y a une bonne raison pour laquelle on pourrait penser que c’était le cas autrefois.

Notre Univers, tel que nous le voyons aujourd’hui, a existé pendant 13,8 milliards d’années depuis le chaud Big Bang. Mais si vous demandez à quelle distance nous pouvons voir dans n’importe quelle direction, la réponse n’est pas 13,8 milliards d’années-lumière ; c’est beaucoup plus loin que cela. En réfléchissant bien, on peut imaginer que le double de cette distance est possible : si un objet émetteur de lumière se trouvait à 13,8 milliards d’années-lumière il y a 13,8 milliards d’années, il a peut-être émis de la lumière alors qu’il s’éloignait de nous, peut-être même à une vitesse proche de celle de la lumière. Si un objet lumineux existait à l’époque et qu’il s’éloignait constamment de nous à 299 792 km/s, sa lumière ne ferait qu’arriver maintenant, alors que l’objet lui-même serait distant de 27,6 milliards d’années-lumière. Tout cela est un raisonnement solide, mais il repose sur une hypothèse qui n’est pas nécessairement bonne : l’espace lui-même est statique.

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L’espace que nous habitons n’est pas statique, il est en expansion. En fait, nous pouvons mesurer ce qu’est le taux d’expansion aujourd’hui, ce qu’il était dans un passé lointain, et à chaque époque intermédiaire. Il s’avère qu’un objet qui se trouvait à seulement 168 mètres de distance au moment du Big Bang (d’accord, à 10-33 secondes après le Big Bang) ne verrait sa lumière nous parvenir qu’aujourd’hui, 13,8 milliards d’années plus tard, après un incroyable voyage, et une quantité incroyable d’étirement, et serait actuellement à 46,1 milliards d’années-lumière.

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« A-ha, » proclamez-vous, « cela signifie que l’espace s’est étendu plus vite que la lumière ! »

C’était pourtant le cas ? Parce que pour que quelque chose aille plus vite que la lumière, il faut qu’il ait une vitesse qui lui soit inhérente : quelque chose que vous pouvez mesurer en kilomètres par seconde, par exemple. Or, ce n’est pas du tout comme ça que l’Univers s’étend.

Au contraire, l’Univers s’étend en tant que vitesse par unité de distance : nous la mesurons normalement en kilomètres par seconde par mégaparsec, où un mégaparsec correspond à environ 3,26 millions d’années-lumière. Si le taux d’expansion est de 70 km/s/Mpc, cela signifie qu’en moyenne, un objet qui se trouve à 10 Mpc devrait s’éloigner à 700 km/s ; un objet qui se trouve à 200 Mpc devrait s’éloigner à 14 000 km/s ; et un objet qui se trouve à 5 000 Mpc devrait sembler s’éloigner à 350 000 km/s.

Est-ce que cela signifie que quelque chose se déplace plus vite que la lumière, pour autant ? Remontons jusqu’à la théorie spéciale de la relativité d’Einstein, et demandons-nous ce que cela signifie quand on dit que rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière. Cela signifie que, si deux objets se trouvent au même endroit dans l’espace-temps, c’est-à-dire qu’ils occupent le même espace au même moment, ils ne peuvent pas se déplacer l’un par rapport à l’autre à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Même si l’un se déplace vers le nord à 99 % de la vitesse de la lumière et l’autre vers le sud à 99 % de la vitesse de la lumière, ils ne se déplaceront pas à 198 % de la vitesse de la lumière l’un par rapport à l’autre, mais à 99,995 % de la vitesse de la lumière. Quelle que soit la vitesse à laquelle chacun se déplace, ils ne dépasseront jamais la vitesse de la lumière l’un par rapport à l’autre.

C’est pourquoi on l’appelle relativité en premier lieu, car elle mesure le mouvement relatif entre deux objets au même endroit dans l’espace et le temps. Mais ce type de relativité – la relativité restreinte – ne fixe les règles que dans votre espace local, non extensible. La relativité générale ajoute une autre couche à cela : le fait que l’espace lui-même s’étend. En mesurant la quantité de matière normale, de matière noire, d’énergie noire, de neutrinos, de rayonnement et d’autres éléments présents dans l’Univers aujourd’hui, et la façon dont la lumière qui nous parvient de toutes les différentes distances dans l’Univers se décale vers le rouge avec cette expansion, nous pouvons reconstituer exactement la taille de l’Univers à n’importe quel moment du passé.

Quand il avait environ 10 000 ans, l’Univers observable avait déjà une taille de 10 millions d’années-lumière. Lorsqu’il avait tout juste un an, l’Univers observable mesurait près de 100 000 années-lumière. Lorsqu’il avait une seconde, sa taille était déjà supérieure à 10 années-lumière. Cela ressemble à une expansion plus rapide que la lumière, n’est-ce pas ? Mais à aucun moment une particule ne s’est déplacée plus vite que la lumière par rapport à une autre particule avec laquelle elle a interagi.

Au contraire, tout ce qui s’est passé, c’est que l’espace entre les particules s’est étendu, et ce faisant, il a augmenté la distance entre elles et étiré la longueur d’onde du rayonnement présent dans cet espace. Ce phénomène s’est poursuivi pendant les milliards d’années de l’histoire cosmique qui s’est déroulée depuis, et continue de se produire aujourd’hui. S’il est possible que nous n’atteignions jamais des objets plus éloignés que 15,6 milliards d’années-lumière aujourd’hui, même si nous allions à la vitesse de la lumière, ce n’est pas parce qu’ils s’éloignent plus vite que la lumière, mais parce que l’espace entre les différents lieux continue de s’étendre.

Le point essentiel à retenir est que l’espace ne s’étend pas à une vitesse particulière, mais plutôt à un rythme particulier : une vitesse par unité de distance. Par conséquent, plus vous regardez loin, plus l’expansion de l’espace affecte la distance entre vous et l’objet que vous regardez. Tant que l’espace est en expansion, vous pouvez calculer une distance qui, si vous la dépassez, donne l’impression que tout s’éloigne de vous à une vitesse supérieure à 299 792 m/s. Plus un objet est éloigné, plus vous pouvez être sûr que sa lumière sera rouge, que sa distance sera plus grande et qu’il semblera s’éloigner de vous de plus en plus rapidement. Mais plus vite que la vitesse de la lumière ? Vous devez vous trouver au même endroit pour pouvoir la mesurer. Par rapport à l’endroit où nous nous trouvons, rien ne se déplace plus vite que la lumière, et cela est vrai en tout lieu de l’Univers et à tout moment. L’espace se dilate, mais non seulement il ne se dilate pas plus vite que la lumière, mais il ne se dilate pas à une vitesse du tout !

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