Y a-t-il un modèle dans l’univers?

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman 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 la taille de l’échelle. Après avoir terminé des études massives de galaxies, les scientifiques ont enfin une réponse: non, mais en quelque sorte, d’une certaine manière.

Au début du XXe siècle, les astronomes – à commencer par Edwin Hubble et sa découverte de l’énorme distance à Andromède, la galaxie la plus proche de la nôtre voie Lactée – a commencé à réaliser que l’univers est presque incroyablement vaste. Ils ont également appris que nous pouvons voir des galaxies éparpillées, à la fois de près et de loin. Et donc, naturellement, une question s’est posée: y a-t-il une sorte de modèle dans l’arrangement de ces galaxies, ou est-ce totalement aléatoire?

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Au début, cela avait l’air aléatoire. Les astronomes ont vu un géant amas de galaxies, 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 toutes seules. 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 le 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’inscrivent parfaitement dans ce principe.

Mais à la fin des années 1970, les études de galaxies sont devenues suffisamment sophistiquées 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’appelaient le web 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 d’un 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, peu importe à quel point vous zoomez ou dézoomez. Mandelbrot n’a pas inventé le concept de fractales – les mathématiciens avaient étudié des modèles auto-similaires pendant des siècles – 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 effectuez un zoom avant sur un littoral, 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 le début de la plus grande fractale possible. Peut-être que si nous construisions des enquêtes suffisamment sophistiquées, nous trouverions des structures de nidification – des toiles cosmiques à l’intérieur de toiles cosmiques, remplissant l’univers entier à l’infini.

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Homogénéisé et pasteurisé

À mesure que les astronomes en découvraient davantage sur la toile cosmique, ils en apprenaient davantage sur l’histoire de la 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 plus grandes que ce que les astronomes avaient observé auparavant.

Le test ultime d’un univers fractal ne se produirait pas avant ce siècle, lorsque des enquêtes vraiment gargantuesques, comme le Sloan Digital Sky Survey, ont été en mesure de cartographier les emplacements de millions de galaxies, peignant un portrait de la toile cosmique à des échelles jamais observées. avant que.

Si l’idée d’univers fractal est vraie, alors nous devrions voir notre réseau cosmique local intégré dans un réseau cosmique beaucoup plus grand. Si c’est faux, alors à un moment donné, la toile cosmique devrait cesser d’être une toile cosmique, et une partie aléatoire et suffisamment grande de l’univers devrait ressembler (statistiquement) à n’importe quelle autre partie aléatoire.

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

L’univers n’est certainement pas une fractale, mais certaines parties du réseau cosmique ont encore des propriétés intéressantes de type fractale. Par exemple, des touffes 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.

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

Ainsi, même si 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 conduit à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.