Masse de l'Univers & Définition

Masse de l'Univers

Observable universe logarithmic illustration

Représentation à l'échelle logarithmique de l'univers observable avec, au centre, le Système solaire, et au fur et à mesure qu'on s'éloigne du centre, les étoiles proches, le bras de Persée, la Voie lactée, les galaxies proches, le réseau des structures à grande échelle, le fond diffus cosmologique et, à la périphérie, le plasma invisible du Big Bang.

Le concept de masse de l'Univers, parfois employé dans la littérature de vulgarisation, est un concept ambigu visant à donner un ordre de grandeur d'une région de l'Univers, en général de l'ordre de l'univers observable. Il peut le cas échéant désigner la masse totale de l'Univers dans l'hypothèse où le modèle cosmologique utilisé décrit un univers d'extension spatiale finie. C'est en particulier le cas si l'Univers est homogène, isotrope, et de courbure spatiale positive, ou s'il possède une topologie compacte telle celle d'un tore.

Un concept ambigu
Le terme de « masse de l'Univers » n'est pas employé en cosmologie. Parmi les raisons, figure le fait que les quantités importantes en cosmologie sont les densités d'énergie, la valeur absolue de la masse dépendant de fait du volume considéré. Une autre raison est que le terme même de masse est ambigu dans le contexte de la cosmologie. L'Univers à grande échelle est décrit par les lois de la relativité générale, qui stipulent que ce qui intervient dans la gravitation est l'énergie et non la masse tant que l'on considère de la matière ordinaire, composée d'atomes (qu'on appelle dans ce contexte matière baryonique), masse et énergie sont liées par la célèbre formule E=mc2, mais dès que l'on considère d'autres formes d'énergie, comme le rayonnement électromagnétique, on est en présence d'objets d'énergie non nulle mais de masse nulle ou, dans d'autres cas, difficile à définir (comme, par exemple avec une constante cosmologique). L'ambiguïté de ce concept est exacerbée par le fait que si l'on raisonne correctement, c'est-à-dire en termes de densité d'énergie, la contribution à celle-ci issue de la matière ordinaire, pour laquelle le concept de masse est bien défini, est relativement faible, de l'ordre de 4 % à 5 %.

La masse de l'univers observable
L'univers observable correspond à la région de l'Univers accessible à nos observations. Son extension réelle est déterminée par son contenu matériel. Le modèle standard de la cosmologie, le modèle qui s'est peu à peu imposé depuis l'an 2000 comme décrivant de façon satisfaisante l'ensemble des observations en cosmologie, offre une description apparemment satisfaisante du contenu matériel de l'Univers. Il stipule notamment la valeur de la constante de Hubble, c'est-à-dire le taux d'expansion actuel de l'Univers. La valeur communément admise est d'environ 70 kilomètres par seconde et par mégaparsec(voir http://universum.e-monsite.com/pages/dictionnaire-1/dictionnaire-mesures-asronomiques.html) À partir de cette quantité, il est possible de déterminer la densité critique de l'Univers. Cette densité critique vaut environ 8,32×10-11 J·m-3. On peut, utilisant la formule E =m c2 transformer cette densité critique, qui est une densité d'énergie, en masse volumique, ce qui donne 9,24×10-27 kg·m-3. On peut, sans perte de généralité, diviser ce résultat par la masse du proton pour en déduire la concentration équivalente de nucléons, ce qui donne 5,4 nucléons par mètre cube.

 

 

Masse

Observable Universe with Measurements 01

Visualisation de l'univers observable en trois dimensions sur 93 milliards d'années-lumière (28 milliards de parsecs). L'échelle est telle que les légers grains de lumière représentent des regroupements de grands nombres de superamas. Le superamas de la Vierge où se trouve notre galaxie

Voici trois façons d'estimer en ordre de grandeur l'équivalent, en quantité de matière, de l'énergie présente dans la partie observable de notre Univers. Elles conduisent à un nombre total d'atomes de l'ordre de 1080 en chiffres ronds.

L'horizon de notre Univers est situé actuellement à environ 40 milliards d'années-lumière. Si l'on néglige les effets de courbure de l'espace, le volume de l'espace visible représente : 4/3.π.R3 = 2×1080 m3. La densité critique de l'Univers, pour une constante de Hubble égale à 75 (km/s)/Mpc, est de : 3.H2/(8.π.G) = 10−26 kg/m3 ; soit environ 5 atomes d'hydrogène par mètre cube. En multipliant ceci par le volume de la partie visible de l'Univers, on obtient 1081 atomes d'hydrogène.


Une étoile typique « pèse » environ 2×1030 kg (c'est la masse du Soleil), ce qui fait environ 1057 atomes d'hydrogène par étoile. Une galaxie typique contient environ 400 milliards d'étoiles ce qui fait que chaque galaxie aurait en moyenne environ 1×1057 × 4×1011 = 4×1068 atomes d'hydrogène. Il y aurait peut-être 80 milliards de galaxies dans la partie observable de notre Univers, ce qui fait finalement 4×1068 × 8×1010 = 3×1079 atomes d'hydrogène dans l'Univers.


Enfin une façon simple, plus rigoureuse et moins arbitraire d'estimer l'ordre de grandeur des quantités cherchées est de faire les calculs à partir des équations de Friedmann. Une application numérique pouvant être considérée comme une bonne première approximation de la réalité donne une densité actuelle de 5×10-27 kg/m3 pour un volume total de l'Univers de 1081 m3 dont nous ne verrions que 20 %. Ces nombres conduisent à 1054 kg de matière, c'est-à-dire à 5×1080 atomes, dans la partie observable de notre Univers.

Définition

L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe, régi par un certain nombre de lois.
La cosmologie cherche à appréhender l'Univers d'un point de vue scientifique, comme l'ensemble de la matière distribuée dans le temps et dans l'espace. Pour sa part, la cosmogonie vise à établir une théorie de la création de l'Univers sur des bases philosophiques ou religieuses. La différence entre ces deux définitions n'empêche pas nombre de physiciens d'avoir une conception finaliste de l'univers : voir à ce sujet le Principe anthropique.
Si l'on veut faire correspondre le mouvement des galaxies avec les lois physiques telles qu'on les conçoit actuellement, on peut considérer que l'on n'accède par l'expérience qu'à une faible partie de la matière de l'Univers1, le reste se composant de matière noire. Par ailleurs, pour expliquer l'accélération de l'expansion de l'univers, il faut également introduire le concept d'énergie sombre. Plusieurs modèles alternatifs ont été proposés pour faire correspondre les équations et nos observations en prenant d'autres approches
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Cellarius ptolemaic system

L'Univers selon le système de Ptolémée, vu par Andreas Cellarius en 1660-1661.

Date de dernière mise à jour : 28/02/2016

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