Vous pouvez souvent entendre des déclarations d'astrophysiciens et de cosmologistes selon lesquelles des régions extrêmement éloignées de l'Univers s'éloignent de nous plus rapidement que la vitesse de la lumière. Mais qu'est-ce que cela signifie exactement ? Signifient-ils qu'il existe des objets dans l'Univers qui peuvent dépasser l'une des quantités les plus fondamentales.
La loi la plus fondamentale de la relativité restreinte a conduit Einstein à la réalisation de l'idée la plus révolutionnaire en physique - que rien ne peut aller plus vite que la lumière. Les particules sans masse dans le vide se déplacent à la vitesse de la lumière, tandis que tout le reste - une particule avec une masse quelque part ou une particule sans masse dans un milieu - se déplacera toujours plus lentement que la vitesse de la lumière. Mais quand il s'agit de l'expansion de l'univers, on pense souvent que cela se produit plus vite que la vitesse de la lumière. Essayons de savoir s'il en est ainsi.
L'univers tel que nous le voyons aujourd'hui existe depuis environ 13,8 milliards d'années - depuis le Big Bang chaud. Mais si vous demandez jusqu'où nous pouvons regarder dans n'importe quelle direction, la réponse ne sera pas 13,8 milliards d'années-lumière, mais bien plus. Si vous y réfléchissez, vous pouvez imaginer une distance deux fois plus grande: si un objet émettant de la lumière était à 13,8 milliards d'années-lumière de "nous" il y a 13,8 milliards d'années, alors il a très probablement émis de la lumière, s'éloignant de nous - peut-être même à un vitesse proche de la lumière. Si un objet brillant existait depuis si longtemps et s'éloignait constamment de nous à une vitesse de 299 792 kilomètres par seconde, sa lumière ne nous atteindrait que maintenant, bien que l'objet lui-même serait déjà à 27,6 milliards d'années de nous. Tout cela semble raisonnable, mais cela pourrait nous conduire à supposer que l'espace lui-même est statique.
L'espace dans lequel nous vivons n'est pas statique - il s'étend. De plus, nous pouvons mesurer le taux d'expansion actuel, tel qu'il était dans un passé lointain et tel qu'il était à toutes les époques « intermédiaires ». Il s'avère que la lumière d'un objet qui n'était qu'à 168 mètres de nous au moment du Big Bang (d'accord, 10-33 secondes après le Big Bang), ne nous serait parvenu qu'aujourd'hui, après 13,8 milliards d'années, après un voyage incroyable et un degré d'étirement irréel, et l'objet lui-même serait désormais à 46,1 milliards d'années-lumière.
« Ah ! vous exclamez-vous. "Alors l'espace s'est étendu plus vite que la vitesse de la lumière !"
N'est-ce pas? Juste pour que quelque chose se déplace plus vite que la lumière, il doit avoir une vitesse: quelque chose qui peut être mesuré, par exemple, en kilomètres par seconde. Mais ce n'est pas ainsi que l'univers s'étend.
Au contraire, il se dilate à une vitesse par unité de distance. Ceci est généralement mesuré en kilomètres par seconde par mégaparsec, où un mégaparsec correspond à environ 3,26 millions d'années-lumière. Si la vitesse d'expansion est de 70 km/s/Mpc, cela signifie qu'en moyenne, un objet situé à 10 Mpc de nous s'éloigne à une vitesse de 700 km/s de notre point de vue, à 200 Mpc - 14 000 km/s, et à Dans le cas d'un objet de 5000 Mpc, il nous semblera qu'il s'éloigne à une vitesse de 350 mille km/s.
Cependant, s'ensuit-il de là que certains objets se déplacent plus vite que la lumière ? Revenons à la relativité restreinte d'Einstein et réfléchissons à ce que nous entendons lorsque nous disons que rien ne peut voyager plus vite que la lumière. Cela signifie que si vous avez deux objets dans le même événement spatio-temporel - occupant le même espace en même temps - alors ils ne peuvent pas se déplacer l'un par rapport à l'autre plus rapidement que la vitesse de la lumière. Même si l'un d'eux se déplace vers le nord à 99% de la vitesse de la lumière, et l'autre se déplace à la même vitesse vers le sud, leur vitesse ne sera pas de 198 % de la vitesse de la lumière l'une par rapport à l'autre, mais sera égale à 99,995% de la vitesse de la lumière. Quelle que soit la vitesse à laquelle chacun d'eux se déplace, ils ne dépasseront jamais la vitesse de la lumière les uns par rapport aux autres.
C'est pourquoi on l'appelle relativité: elle mesure le mouvement relatif entre deux objets au même point dans l'espace et le temps. Mais ce type de relativité - la relativité restreinte - définit les règles dans votre région d'espace non-extensible. La relativité générale ajoute une autre couche à cela: le fait que l'espace lui-même est en expansion. En mesurant la quantité de matière ordinaire, de matière noire, d'énergie noire, de neutrinos, de rayonnement et d'autres choses dans l'univers d'aujourd'hui, ainsi que la façon dont la lumière nous atteignant de différentes distances dans l'univers est déplacée vers le spectre rouge en raison de l'expansion, nous peut recréer à quel point il y avait un univers à tout moment dans le passé.
Lorsque l'univers avait environ 10 000 ans, sa partie observable avait déjà 10 millions d'années-lumière de diamètre. Quand elle n'avait qu'un an, l'univers observable mesurait 100 000 années-lumière de diamètre. Quand elle n'avait qu'une seconde, elle avait déjà 10 années-lumière de diamètre. Oui, tout ressemble à une expansion plus rapide que la lumière. Mais à aucun moment une particule ne s'est déplacée plus vite que la lumière par rapport à une autre particule avec laquelle elle interagissait.
Au contraire, l'espace même entre les particules s'est dilaté, au cours duquel la distance entre elles a augmenté, et la longueur d'onde du rayonnement dans cet espace a été étirée. Cela a duré des milliards d'années au cours de l'histoire cosmique et se poursuit aujourd'hui. Malgré le fait que nous ne pourrons jamais atteindre des objets de plus de 15,6 milliards d'années pour le moment, même si nous nous déplaçons à la vitesse de la lumière (ce qui par définition est impossible), ce n'est pas parce qu'ils s'éloignent plus rapide que la lumière, mais parce que l'espace entre les différents points continue de s'étendre.
Le principal point à retenir est que l'espace ne s'étend pas à une vitesse particulière, mais plutôt à une certaine vitesse: à une vitesse par unité de distance. Par conséquent, plus l'objet que vous regardez est éloigné, plus l'expansion affecte la distance entre vous. Plus un objet est éloigné de vous, plus il apparaîtra rouge et plus il s'éloignera rapidement de votre point de vue. Mais est-ce plus rapide que la lumière ? Pour mesurer cela, vous devez être dans la même zone. Rien ne bouge plus vite que la lumière par rapport à votre position, et cela peut être dit de n'importe quel endroit de l'univers à tout moment. L'espace s'étend, mais pas plus vite que la lumière; de plus, cette expansion n'a pas de vitesse.