Y a-t-il un modèle à l'univers?

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Amas de galaxies dans le « web cosmique ». (Crédit image : K. Dolag, Observatoire universitaire de Munich, Université Ludwig Maximilians de Munich, Allemagne)





Paul M. Sutter est astrophysicien à SOLEIL Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatiale , et auteur de Comment mourir dans l'espace .

Pendant des décennies, les cosmologistes se sont demandé si la structure à grande échelle de l'univers est une fractale, c'est-à-dire si elle a la même apparence, quelle que soit sa taille. Après avoir effectué des relevés massifs des galaxies, les scientifiques ont enfin une réponse : non, mais en quelque sorte, d'une certaine manière.

Au début du 20e siècle, les astronomes — à commencer par Edwin Hubble et sa découverte de l'énorme distance d'Andromède, la galaxie la plus proche de la nôtre voie Lactée - a commencé à réaliser que l'univers est presque inimaginablement vaste. Ils ont également appris que nous pouvons voir des galaxies dispersées, à la fois proches et lointaines. Et donc, naturellement, une question s'est posée : y a-t-il une sorte de schéma dans l'arrangement de ces galaxies, ou est-ce totalement aléatoire ?



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Au début, cela semblait aléatoire. Les astronomes ont vu des amas de galaxies géants, chacun contenant un millier de galaxies ou plus. Et il y avait aussi des groupes de galaxies beaucoup plus petits, et des galaxies qui traînaient d'elles-mêmes. Prises ensemble, les observations donnaient l'impression qu'il n'y avait pas de modèle global dans le cosmos.

Et les astronomes étaient d'accord avec ça. Ils avaient longtemps supposé une idée appelée principe cosmologique, c'est-à-dire que l'univers est principalement homogène (à peu près le même d'un endroit à l'autre) et isotrope (à peu près le même quelle que soit la direction dans laquelle vous regardez). Un tas de galaxies et d'amas aléatoires s'intègrent parfaitement dans ce principe.



Mais à la fin des années 1970, les relevés des galaxies sont devenus suffisamment sophistiqués pour révéler les débuts d'un modèle dans l'arrangement des galaxies. Outre les amas, il y avait aussi de longs et minces filaments de galaxies. Il y avait de larges murs. Et puis il y avait les vides – de vastes étendues de rien. Les astronomes l'ont appelé la toile cosmique. Ce modèle violerait le principe cosmologique, car cela signifierait que les grandes régions de l'univers ne ressemblent pas aux autres grandes régions de l'univers.

Alors peut-être qu'il y avait plus à l'histoire.

Un univers dans un univers

Une proposition est venue du mathématicien Benoit Mandelbrot , le père des fractales. Les fractales sont extrêmement difficiles à définir, mais elles peuvent être assez simples pour être intuitives : ce sont des motifs qui se répètent, quelle que soit la distance à laquelle vous effectuez un zoom avant ou arrière. Mandelbrot n'a pas inventé le concept de fractales – les mathématiciens étudiaient des modèles auto-similaires depuis des lustres – mais il a inventé le mot « fractale » et a inauguré notre étude moderne du concept.



Fractales sont partout. Si vous zoomez sur la pointe d'un flocon de neige, vous voyez des flocons de neige miniatures. Si vous zoomez sur les branches d'un arbre, vous voyez des branches miniatures. Si vous zoomez sur une côte, vous voyez des côtes miniatures. Les fractales nous entourent dans la nature, et les mathématiques des fractales nous ont permis de comprendre une grande variété de structures auto-similaires dans l'univers.

Si les fractales sont partout, a deviné Mandelbrot, alors peut-être que l'univers entier est une fractale. Peut-être que ce que nous avons vu comme le modèle dans l'arrangement des galaxies était les premières étapes de la plus grande fractale possible. Peut-être que si nous construisions des enquêtes suffisamment sophistiquées, nous trouverions des structures d'imbrication - des toiles cosmiques à l'intérieur des toiles cosmiques, remplissant l'univers entier à l'infini.

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Homogénéisé et pasteurisé

Au fur et à mesure que les astronomes en découvraient davantage sur la toile cosmique, ils en apprenaient davantage sur l'histoire du Big Bang et ils ont trouvé des moyens d'expliquer l'existence des modèles à grande échelle dans l'univers. Ces théories prédisaient que l'univers était encore homogène, juste à des échelles beaucoup, beaucoup plus grandes que celles que les astronomes avaient observées auparavant.

Le test ultime d'un univers fractal n'aurait pas lieu avant ce siècle, lorsque des enquêtes vraiment gigantesques, comme le Sloan Digital Sky Survey, ont pu cartographier l'emplacement de millions de galaxies, dressant un portrait de la toile cosmique à des échelles jamais observées. avant.

Si l'idée de l'univers fractal est vraie, alors nous devrions voir notre réseau cosmique local intégré à l'intérieur d'un réseau cosmique beaucoup plus vaste. Si c'est faux, alors à un moment donné, la toile cosmique devrait cesser d'être une toile cosmique, et un morceau aléatoire assez grand de l'univers devrait ressembler (statistiquement) à n'importe quel autre morceau aléatoire.

Le résultat est une homogénéité, mais à une échelle hallucinante. Il faut aller jusqu'à environ 300 millions d'années-lumière pour que l'univers paraisse homogène.

L'univers n'est certainement pas une fractale, mais certaines parties de la toile cosmique ont toujours des propriétés fractales intéressantes. Par exemple, des amas de matière noire appelés « halos », qui hébergent des galaxies et leurs amas, forment des structures et des sous-structures imbriquées, avec des halos contenant des sous-halos et des sous-sous-halos à l'intérieur de ceux-ci.

A l'inverse, les vides de notre univers ne sont pas entièrement vides. Ils contiennent quelques galaxies naines faibles, et ces quelques galaxies sont disposées dans une version subtile et faible de la toile cosmique. Dans les simulations informatiques, les sous-vides de cette structure contiennent également leurs propres toiles cosmiques effervescentes.

Ainsi, alors que l'univers dans son ensemble n'est pas une fractale – et l'idée de Mandelbrot n'a pas tenu le coup – nous pouvons toujours trouver des fractales presque partout où nous regardons.

En savoir plus en écoutant l'épisode « L'univers est-il une fractale ? » sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et askaspaceman.com . Merci à Mitchell L. pour les questions qui ont mené à cette pièce ! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter .