Le ciel que nous regardons n’existe déjà plus

Il y a quelque chose de profondément trompeur dans le ciel.

Quand je regarde une personne à quelques mètres de moi, mon cerveau peut raisonnablement faire comme si je la voyais « maintenant ». La lumière met si peu de temps à parcourir cette distance que le retard est imperceptible. Mais cette approximation s’effondre dès que les distances deviennent astronomiques.

Le ciel n’est pas une image en direct de l’Univers. C’est une collection d’images du passé.

Et plus on regarde loin, plus ce passé est ancien.

Voir, c’est toujours regarder en arrière

La lumière voyage dans le vide à environ 300 000 kilomètres par seconde. C’est extraordinairement rapide, mais ce n’est pas instantané. À l’échelle de l’Univers, même cette vitesse devient terriblement lente.

La lumière de la Lune met environ 1,3 seconde à nous atteindre. Celle du Soleil met environ 8 minutes et 20 secondes pour parcourir les quelque 150 millions de kilomètres qui nous en séparent. Lorsque nous regardons le Soleil évidemment jamais directement sans protection adaptée nous ne voyons donc pas le Soleil tel qu’il est à cet instant précis : nous voyons les photons qu’il a envoyés environ huit minutes plus tôt.

Cette règle ne concerne pas seulement la lumière visible. Les ondes radio, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X ou gamma sont eux aussi des formes de rayonnement électromagnétique et se propagent à cette même vitesse dans le vide. Un télescope n’observe donc jamais véritablement un objet lointain « en direct ».

On peut résumer ce décalage avec quelques exemples :

| Ce que nous observons | Ce que nous voyons approximativement |

| La Lune | il y a 1,3 seconde |

| Le Soleil | il y a 8 min 20 s |

| Proxima du Centaure | il y a environ 4,2 ans |

| Centre de la Voie lactée | il y a environ 26 000 ans |

| Galaxie d’Andromède | il y a environ 2,5 millions d’années |

| Fond diffus cosmologique | Univers âgé d’environ 380 000 ans |

Autrement dit, la distance est aussi une machine à remonter le temps.

Si le Soleil disparaissait, nous ne le saurions pas immédiatement

Prenons une expérience de pensée impossible : imaginons que le Soleil disparaisse instantanément.

Pendant environ huit minutes, rien ne semblerait avoir changé depuis la Terre. Les derniers photons déjà en route continueraient d’arriver jusqu’à nous. Plus étrange encore, dans le cadre de la relativité générale, le changement de son influence gravitationnelle ne pourrait pas non plus nous parvenir instantanément : les perturbations gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière. Pendant ce délai, la Terre continuerait donc son mouvement comme si le Soleil était encore là.

Puis l’information nous atteindrait.

L’obscurité et le changement gravitationnel ne seraient pas « en retard » à cause d’une machine défectueuse. Ce délai fait partie de la structure même de l’Univers : aucune information physique ne peut simplement apparaître partout instantanément.

Mais attention à l’exemple de l’éclipse

Il y a ici un piège assez subtil. On pourrait être tenté de dire : « Puisque je vois le Soleil avec huit minutes de retard, lorsqu’une éclipse solaire apparaît dans mon ciel, elle était déjà terminée huit minutes plus tôt. »

Ce n’est pas exact.

Une éclipse solaire n’est pas un événement qui se déroule sur le Soleil. Elle résulte de la Lune qui se place entre nous et les photons solaires et les bloque près de la Terre. Les photons concernés ont bien quitté le Soleil environ huit minutes auparavant, mais l’occultation elle-même dépend de la position de la Lune sur leur trajet. Il faut donc distinguer l’âge de la lumière solaire que nous recevons de l’événement géométrique appelé éclipse.

L’intuition de départ reste bonne : le Soleil que nous voyons appartient au passé. Mais le ciel devient vite plus intéressant dès qu’on cesse de transformer « huit minutes de retard » en une règle trop simpliste.

Andromède : une photographie vieille de 2,5 millions d’années

Puis vient Andromède.

La grande galaxie d’Andromède est située à environ 2,5 millions d’années-lumière de nous. Une année-lumière n’est pas une durée : c’est la distance parcourue par la lumière en une année. Cela signifie que les photons d’Andromède qui arrivent aujourd’hui sur Terre sont partis de là-bas il y a environ 2,5 millions d’années.

Lorsque nous observons Andromède ce soir, nous la voyons donc telle qu’elle était à une époque où, sur Terre, les premiers représentants du genre Homo existaient déjà, mais où notre espèce était encore très loin d’apparaître.

Et voilà le vertige : nous ne savons pas à quoi ressemble Andromède « maintenant » en l’observant depuis la Terre. Des événements s’y produisent probablement en ce moment selon notre manière habituelle de parler, mais leur lumière mettra encore des millions d’années à nous parvenir.

Si une étoile d’Andromède explosait aujourd’hui, aucun humain vivant actuellement ne pourrait voir cette explosion depuis la Terre. Pas nos enfants non plus. Ni leurs descendants pendant un temps difficile à concevoir.

L’information existe peut-être déjà là-bas. Elle n’existe simplement pas encore pour nous.

Les télescopes sont réellement des machines à remonter le temps

C’est ce qui rend les télescopes comme Hubble ou James Webb beaucoup plus intéressants qu’un simple « zoom géant ».

Leur objectif n’est pas uniquement d’observer des choses extrêmement éloignées. En captant de la lumière partie il y a des milliards d’années, ils permettent d’étudier des périodes différentes de l’histoire cosmique.

La NASA décrit ainsi Hubble comme une sorte de machine à voyager dans le temps : plus l’objet observé est éloigné, plus son image provient d’une époque ancienne.

James Webb pousse aujourd’hui ce principe extrêmement loin. Des observations confirmées par Webb montrent par exemple la galaxie MoM-z14 telle qu’elle existait seulement environ 280 millions d’années après le Big Bang. Sa lumière a voyagé pendant environ 13,5 milliards d’années avant d’arriver jusqu’à nous.

Nous ne reconstruisons donc pas seulement l’histoire de l’Univers à partir de fossiles ou de simulations. Une partie de cette histoire arrive littéralement jusqu’à nous sous forme de photons.

Le ciel est une archive.

Alors peut-on regarder assez loin pour voir le Big Bang ?

C’est là que l’idée devient encore plus fascinante.

Intuitivement, on pourrait penser qu’il suffirait de fabriquer un télescope infiniment puissant. Plus loin signifie plus ancien ; il suffirait donc de continuer jusqu’à atteindre l’instant zéro.

Mais non.

Nous ne pouvons pas voir le Big Bang lui-même avec de la lumière.

Le problème n’est pas la puissance de nos télescopes. C’est l’Univers primordial lui-même.

Durant ses premières centaines de milliers d’années, l’Univers était extrêmement chaud et rempli d’un plasma dense d’électrons et de noyaux atomiques. Les photons y étaient constamment diffusés par les particules chargées. L’Univers ressemblait, pour la lumière, à un gigantesque brouillard opaque.

Puis, environ 380 000 ans après le Big Bang, l’Univers s’est suffisamment refroidi pour que les électrons puissent se lier aux noyaux et former des atomes neutres. La lumière a alors enfin pu voyager librement sur de grandes distances.

Ces photons voyagent toujours.

Nous les détectons aujourd’hui sous la forme du fond diffus cosmologique, ou CMB (Cosmic Microwave Background).

C’est la plus ancienne lumière que nous puissions observer. Une véritable photographie de l’Univers lorsqu’il n’avait qu’environ 380 000 ans. Les missions COBE, WMAP puis Planck ont cartographié ce rayonnement avec une précision extraordinaire.

Ce n’est donc pas tout à fait :

« Nous pouvons voir le Big Bang. »

C’est quelque chose de plus précis et à mon avis encore plus impressionnant :

nous pouvons réellement recevoir aujourd’hui de la lumière libérée lorsque l’Univers n’avait que 0,003 % environ de son âge actuel.

Avant cela, l’Univers est essentiellement opaque aux photons que nous utilisons pour observer le cosmos.

Et le Big Bang n’est pas quelque part au fond du ciel

Il faut se débarrasser d’une autre image mentale trompeuse.

Le Big Bang n’était pas une bombe ayant explosé à un endroit précis dans un immense espace vide. Il n’existe pas une direction du ciel vers laquelle pointer un télescope pour regarder « l’endroit où tout a commencé ».

Selon la cosmologie moderne, l’expansion s’est produite partout. Il n’existe pas de centre spatial du Big Bang que nous pourrions localiser. John Mather, prix Nobel et scientifique du télescope James Webb, insiste justement sur le caractère trompeur du nom « Big Bang » lorsqu’il évoque l’image d’une explosion avec un centre.

C’est aussi pour cette raison que le fond diffus cosmologique nous entoure dans toutes les directions.

Regardez très loin à gauche : Univers jeune.

Très loin à droite : Univers jeune.

Au-dessus : Univers jeune.

Sous nos pieds, si la Terre ne bloquait pas notre vue : encore l’Univers jeune.

Nous sommes au centre de notre Univers observable, mais cela ne signifie absolument pas que nous sommes au centre de l’Univers.

Comment l’Univers observable peut-il mesurer 92 milliards d’années-lumière ?

Voilà une autre étrangeté qui semble d’abord impossible.

L’Univers a environ 13,8 milliards d’années. On pourrait donc penser que nous ne pouvons rien observer au-delà d’environ 13,8 milliards d’années-lumière et que l’Univers observable devrait mesurer au maximum 27,6 milliards d’années-lumière de diamètre.

Pourtant, son diamètre actuel est estimé à environ 92 milliards d’années-lumière.

Il n’y a aucune contradiction.

Pendant que les photons voyageaient vers nous pendant des milliards d’années, l’espace lui-même continuait à s’étendre. La région d’où certains de ces photons sont partis est donc aujourd’hui beaucoup plus éloignée de nous qu’elle ne l’était au moment de leur émission.

C’est une distinction fondamentale entre deux questions qui semblent identiques mais ne le sont pas :

« Depuis combien de temps cette lumière voyage-t-elle ? »

et

« À quelle distance se trouve aujourd’hui la région qui l’a émise ? »

Aux distances cosmologiques, ces deux nombres peuvent être radicalement différents.

Quelqu’un pourrait-il regarder les dinosaures sur Terre ?

Cette idée conduit à une expérience de pensée magnifique.

La lumière réfléchie par la Terre il y a 66 millions d’années est toujours quelque part dans l’Univers, voyageant vers l’extérieur.

En théorie, un observateur situé à environ 66 millions d’années-lumière de la Terre recevrait aujourd’hui les photons partis d’ici à l’époque de la disparition des dinosaures non aviens. Avec un instrument fictif capable d’obtenir une résolution totalement hors de portée de nos technologies, il regarderait donc une Terre vieille de 66 millions d’années.

Cela ne signifie malheureusement pas que nous pourrions construire un vaisseau, aller jusque-là et braquer un télescope vers la Terre pour regarder notre propre passé.

Les photons sont déjà partis à la vitesse de la lumière.

Pour les rattraper après leur départ, il faudrait les dépasser. Or la relativité interdit à un objet matériel de simplement accélérer au-delà de la vitesse de la lumière dans le vide. La magnifique archive lumineuse de notre passé existe donc quelque part dans l’espace, mais elle s’éloigne de nous à une vitesse que nous ne pouvons pas dépasser.

Et le futur ?

C’est ici que l’asymétrie devient importante.

Nous pouvons voir le passé parce que les signaux du passé ont eu le temps de nous atteindre. Nous ne pouvons pas observer de la même manière le futur, parce que les photons transportant l’information concernant ces événements n’ont pas encore été émis.

En relativité, on formalise cette idée avec ce que les physiciens appellent le cône de lumière. Notre cône de lumière passé contient les événements qui ont pu envoyer un signal jusqu’à nous. Notre cône de lumière futur contient les événements que les signaux que nous envoyons aujourd’hui pourront éventuellement influencer.

Et même notre intuition du « maintenant partout dans l’Univers » doit être maniée avec prudence. La relativité restreinte montre que la simultanéité d’événements éloignés dépend du référentiel de l’observateur : deux observateurs en mouvement l’un par rapport à l’autre peuvent ne pas être d’accord sur les événements éloignés qui doivent être considérés comme simultanés.

Le temps cosmique est donc beaucoup moins intuitif que notre impression quotidienne d’un grand présent universel avançant partout au même rythme.

Nous ne voyons jamais un seul Univers

Quand nous levons les yeux, nous avons l’impression de contempler un espace rempli d’objets existant tous au même instant.

Ce n’est pas vraiment ce que nous voyons.

La Lune appartient à notre passé d’il y a une seconde. Le Soleil, à celui d’il y a huit minutes. Certaines étoiles nous apparaissent telles qu’elles étaient avant la naissance de nos arrière-grands-parents. Le centre de notre galaxie nous parvient depuis une époque précédant l’agriculture. Andromède nous montre un monde vieux de 2,5 millions d’années. Et derrière les galaxies les plus anciennes se trouve encore cette lumière fossile provenant d’un Univers âgé de seulement 380 000 ans.

Une seule nuit contient donc plusieurs milliards d’années d’histoire superposées dans le même ciel.

Nous pensions regarder dans l’espace.

En réalité, chaque fois que nous regardons assez loin, nous regardons aussi dans le temps.