Il y a peu de choses que nous pouvons concevoir qui soient aussi époustouflantes que l’espace. Notre Univers observable, jusqu’aux recoins les plus profonds de l’espace que nous pouvons voir, s’étend sur quelque 46 milliards d’années-lumière dans toutes les directions. Depuis le Big Bang jusqu’à aujourd’hui, notre Univers s’est étendu tout en gravitant, donnant naissance à des étoiles et des galaxies réparties dans toute l’étendue de l’espace. Au total, quelque 2 trillions de galaxies sont actuellement présentes en son sein.

Et pourtant, si nous remontons dans le temps, nous apprenons que non seulement notre Univers était beaucoup plus petit, mais qu’aux premiers stades, il n’était pas du tout impressionnant. L’espace n’a peut-être pas toujours été grand, et c’est seulement le fait que notre Univers se soit étendu de façon si complète et implacable qui nous le fait voir si grand et si vide aujourd’hui.

Si nous regardons l’Univers aujourd’hui, il est impossible de nier l’énormité de son échelle. Contenant quelque chose aux alentours de 400 milliards d’étoiles, notre galaxie Voie lactée s’étend sur plus de 100 000 années-lumière de diamètre. Les distances entre les étoiles sont énormes, l’étoile la plus proche de notre Soleil (Proxima Centauri) étant située à quelque 4,24 années-lumière : soit plus de 40 000 milliards de kilomètres de distance.

Si certaines étoiles sont agglutinées en groupes, que ce soit dans des systèmes multi-étoiles ou des amas d’étoiles de différents types, la majorité sont comme notre Soleil : des étoiles uniques relativement isolées de toutes les autres au sein d’une galaxie. Et dès que l’on dépasse notre propre galaxie, l’Univers devient beaucoup plus clairsemé, puisque seule une petite fraction du volume de l’Univers contient des galaxies. La plus grande partie de l’Univers, pour autant que l’on puisse en juger, est entièrement dépourvue d’étoiles et de galaxies.

Notre Groupe local, par exemple, contient une autre grande galaxie : Andromède, située à 2,5 millions d’années-lumière de nous. Un certain nombre de galaxies significativement plus petites sont également présentes, notamment la galaxie du Triangle (la 3e plus grande du Groupe local), le Grand Nuage de Magellan (#4), et environ 60 autres galaxies beaucoup plus petites, toutes contenues dans un rayon d’environ 3 millions d’années-lumière de nous-mêmes.

Au delà, on trouve des galaxies agglutinées et regroupées dans tout l’Univers, avec une toile cosmique constituée de grands amas de galaxies reliés par des filaments tachetés de galaxies. L’Univers est devenu ainsi parce qu’il s’est non seulement étendu et refroidi, mais aussi parce qu’il a gravité. Les régions initialement surdenses ont attiré préférentiellement la matière et ont donné naissance aux structures que nous voyons ; les régions sous-denses ont cédé leur matière aux régions plus denses, devenant les grands vides cosmiques qui dominent la majorité du volume de l’Univers.

En somme, notre Univers observable est vraiment énorme aujourd’hui. Centré sur n’importe quel observateur – y compris nous-mêmes – nous pouvons voir des objets aussi éloignés que 46,1 milliards d’années-lumière dans n’importe quelle direction. Si l’on additionne le tout, cela équivaut à un volume de 4,1 × 1032 années-lumière cubes. Avec même deux trillions de galaxies dans l’Univers, cela signifie que chaque galaxie, en moyenne, a environ 2 × 1020 années-lumière cubes de volume pour elle-même.

Si les galaxies étaient toutes uniformément réparties dans l’Univers, et elles ne le sont très certainement pas, vous pourriez poser votre doigt sur une galaxie et dessiner autour d’elle une sphère d’environ 6 millions d’années-lumière de rayon et ne jamais toucher une autre galaxie. À l’endroit où nous nous trouvons dans l’Univers, la densité de galaxies est des centaines de fois supérieure à la moyenne à laquelle nous nous attendons. Entre les groupes et les amas de galaxies dans l’Univers se trouve la majorité de son volume, et c’est principalement de l’espace vide.

Mais la raison pour laquelle l’Univers est aussi grand aujourd’hui est qu’il s’est étendu et refroidi pour atteindre ce point. Même aujourd’hui, l’Univers continue de s’étendre à un rythme énorme : environ 70 km/s/Mpc. Aux confins de l’Univers, à 46,1 milliards d’années-lumière, la quantité d’Univers que nous pouvons observer augmente de 6,5 années-lumière supplémentaires à chaque année qui passe.

Cela signifie que si nous extrapolons dans la direction opposée dans le temps – en remontant aussi loin que nous le souhaitons dans le passé – nous retrouverons l’Univers tel qu’il était lorsqu’il était plus jeune, plus chaud et plus petit. Aujourd’hui, l’Univers s’étend sur 46 milliards d’années-lumière dans toutes les directions, mais c’est parce que 13,8 milliards d’années se sont écoulées depuis le Big Bang, et que notre Univers contient un mélange spécifique d’énergie noire, de matière et de rayonnement sous diverses formes.

Si nous revenions à l’époque où l’Univers n’avait que 3 milliards d’années (environ 20% de son âge actuel), nous constaterions qu’il n’avait qu’environ 9 milliards d’années-lumière de rayon (seulement 0,7% de son volume actuel).

Et nous n’avons aucun problème à regarder en arrière pour voir les galaxies et les amas de galaxies lorsque l’Univers était aussi jeune ; le télescope spatial Hubble, entre autres, nous a fait remonter bien plus loin que cela. À cette époque, les galaxies étaient plus petites, plus bleues, moins massives et moins évoluées, en moyenne, car l’Univers n’avait pas eu le temps de former les structures les plus grandes et les plus massives de toutes.

L’Univers, à ce stade précoce, est globalement beaucoup plus dense qu’aujourd’hui. Le nombre de particules de matière reste le même au fil du temps, même si l’Univers s’étend, ce qui signifie que l’Univers à l’âge de ~3 milliards d’années est environ 150 fois plus dense que l’Univers est aujourd’hui, à l’âge de ~13,8 milliards d’années. Au lieu d’une masse d’environ 1 proton par mètre cube, il y en a plus de 100. Cependant, nous pouvons remonter à des époques beaucoup plus anciennes et trouver un Univers non seulement plus petit et plus dense, mais aussi radicalement différent.

Si l’on remonte à l’époque où l’Univers n’avait que 100 millions d’années – moins de 1% de son âge actuel – les choses commencent à paraître dramatiquement différentes. Les toutes premières étoiles n’avaient commencé à se former que récemment, mais il n’y avait pas encore de galaxies, pas même une seule. À cette époque, l’Univers est à environ 3 % de son échelle actuelle, ce qui signifie qu’il n’a que 0,003 % de son volume actuel et 40 000 fois sa densité actuelle. Le fond diffus cosmologique est suffisamment chaud, à l’heure actuelle, pour faire bouillir de l’azote liquide.

Mais nous pouvons remonter beaucoup plus loin dans le temps, et découvrir un Univers encore plus petit. La lumière du fond diffus cosmologique que nous voyons a été émise lorsque l’Univers n’avait que 380 000 ans : quand il était plus d’un milliard de fois plus dense qu’aujourd’hui. Si vous traciez un cercle autour de notre superamas local aujourd’hui, Laniakea, il encapsulerait un volume bien plus grand que l’Univers observable tout entier à l’époque de ces premiers stades chauds et denses.

Cela signifie que si nous revenions à une époque où l’Univers avait environ une décennie, dix ans après que le Big Bang se soit produit pour la première fois, l’ensemble de l’Univers observable – contenant toute la matière que nous avons constituant 2 trillions de galaxies (et plus) aujourd’hui – ne serait pas plus grand que la galaxie Voie lactée.

Cela signifie que si nous revenions à un moment où une seule seconde s’était écoulée depuis le Big Bang, à l’époque où la dernière antimatière de l’Univers primitif (sous forme de positrons) s’annihilait, l’Univers observable tout entier n’aurait qu’un diamètre d’environ 100 années-lumière.

Et cela signifie qu’aux tout premiers stades de l’Univers, à l’époque où seulement peut-être une picoseconde (10-12 secondes) s’était écoulée depuis le Big Bang, tout l’Univers observable pouvait tenir dans une sphère pas plus grande que la taille de l’orbite de la Terre autour du Soleil. L’ensemble de l’Univers observable, aux premiers stades du Big Bang, était plus petit que la taille de notre système solaire.

On pourrait penser que l’on peut faire remonter l’Univers jusqu’à une singularité : jusqu’à un point de température et de densité infinies, où toute sa masse et son énergie se sont concentrées en une singularité. Mais nous savons que ce n’est pas une description exacte de notre Univers. Au lieu de cela, une période d’inflation cosmique a dû précéder le Big Bang et le mettre en place.

D’après les éléments du fond diffus cosmologique actuel, nous pouvons conclure que l’Univers a dû atteindre une température maximale pendant le Big Bang : pas plus d’environ 5 × 1029 K. Bien que ce nombre soit énorme, il n’est pas seulement fini, il est bien inférieur à l’échelle de Planck. Si l’on fait des calculs mathématiques, on trouve un diamètre minimal pour l’Univers au début du Big Bang chaud : environ 20 centimètres (8″), soit à peu près la taille d’un ballon de football.

Il est vrai que nous ne savons pas quelle est la taille réelle de la partie inobservable de l’Univers ; elle peut être infinie. Il est également vrai que nous ne savons pas combien de temps a duré l’inflation ou ce qui, le cas échéant, l’a précédée. Mais nous savons que lorsque le chaud Big Bang a commencé, toute la matière et l’énergie que nous voyons aujourd’hui dans notre Univers visible – tout ce qui s’étend sur 46,1 milliards d’années-lumière dans toutes les directions – ont dû être concentrées dans un volume de la taille d’un ballon de football.

Pendant au moins une courte période, la vaste étendue d’espace que nous regardons et observons aujourd’hui était tout sauf grande. Toute la matière composant des galaxies massives entières aurait tenu dans une région de l’espace plus petite qu’une gomme à crayon. Et pourtant, après 13,8 milliards d’années d’expansion, de refroidissement et de gravitation, nous arrivons au vaste Univers dont nous occupons un petit coin aujourd’hui. L’espace est peut-être la plus grande chose que nous connaissions, mais la taille de notre Univers observable est une réalisation récente. L’espace n’a pas toujours été aussi grand, et les preuves sont écrites sur l’Univers pour que nous puissions tous les voir.