- Le Big Bang
- Le principe cosmologique
- Le nombre d’atomes dans l’univers observable
Nous pouvons avoir de nombreuses différences entre nous ; différentes classes, croyances, pays, professions et même goûts, mais une chose que nous avons tous en commun est notre empreinte microscopique… nous sommes tous faits d’atomes. Ce n’est pas seulement partagé entre nos semblables ; c’est plutôt le cas pour toutes les formes de matière qui existent, des bactéries et des papillons aux lions, aux continents et même aux étoiles colossales.
Tout ce qui a une masse est un arrangement d’atomes, car ils sont les blocs de construction de la matière. Le nombre d’atomes dans l’univers observable est fini, donc les atomes changent sans cesse leur arrangement pour former de nouvelles choses. S’ils sont finis, nous pouvons alors calculer le nombre total d’atomes dans l’univers, ou du moins obtenir un chiffre approximatif. Pour ce faire, cependant, nous devons comprendre les origines de la matière et de l’univers lui-même.
Le Big Bang
L’univers est un endroit extrêmement vaste, mais selon la théorie du Big Bang, il s’est étendu à partir d’un point infinitésimal. Cette conclusion est le fruit d’une extrapolation à rebours de l’expansion observable de l’univers à travers le temps, en utilisant la relativité générale. Cette extrapolation ramène à un point infinitésimal où la densité et la température sont infinies, où aucune forme de matière ne peut exister.
La ligne du temps cosmique (Crédit photo : VectorMine/ )
Ce Big Bang est retracé à un temps fini – 13.8 milliards d’années, l’âge connu de notre univers. Les premiers atomes à se former étaient l’hydrogène et l’hélium, qui ont commencé à se former environ 380 000 ans après le Big Bang.
Il existe certaines barrières physiques qui limitent notre vision de l’univers. A savoir, nous ne pouvons observer les parties de l’univers qu’à partir de zones où le rayonnement électromagnétique a eu le temps d’atteindre notre système solaire. Ainsi, nous ne savons pas ce qui se trouve au-delà de l’horizon de l’univers observable, donc lorsque nous calculons le nombre d’atomes, notre hypothèse est basée sur l’univers observable, plutôt que sur l’univers entier.
L’univers observable (Crédit photo : VectorMine/ )
Le principe cosmologique
Une autre chose à considérer est la densité et la distribution de la matière dans l’univers. Selon le principe cosmologique, l’univers est homogène et isotrope lorsqu’il est considéré à grande échelle. Cela signifie que les lois physiques agissent uniformément dans l’ensemble de l’univers et ne devraient pas présenter d’irrégularités observables dans les structures à grande échelle. Cela vaut également pour la matière, qui est distribuée uniformément dans l’univers. Cela permet d’estimer le nombre de galaxies et d’étoiles dans l’univers, en moyenne. Ce principe stipule également que les éléments plus lourds n’ont pas été produits par le Big Bang, mais se sont formés plus tard dans les étoiles géantes.
Pour simplifier, l’univers a la même apparence pour chaque observateur, quel que soit l’endroit où on le regarde ; la densité de matière est la même à grande échelle.
Le nombre d’atomes dans l’univers observable
Pour les besoins de ce calcul, nous supposerons que l’univers est composé uniquement d’atomes d’hydrogène. Cela nous donnera une uniformité pour faciliter le calcul. Nous allons commencer par calculer le nombre d’atomes d’hydrogène dans notre soleil. La masse du soleil est de 2,011×1033 g. La masse atomique moyenne de l’atome d’hydrogène est de 1,008 amu. Pour obtenir le nombre d’atomes dans le Soleil, il faudrait diviser la masse du Soleil par la masse molaire de l’atome d’hydrogène et multiplier ce résultat par le nombre d’Avogadro. Le nombre d’Avogadro est le nombre de particules élémentaires, comme les molécules, les atomes, les composés, etc. par mole d’une substance ; cela nous donnera le nombre d’atomes.
Supposer que l’univers n’est composé que d’atomes d’hydrogène simplifie le calcul, ainsi chaque atome ne possède qu’un seul proton. (Crédit photo : general-fmv/ )
Le nombre d’atomes dans le soleil s’élève à 1,201×1057. Nous savons qu’il y a environ 1011 étoiles dans notre galaxie, la Voie lactée. Le nombre d’atomes de notre galaxie s’élève donc à 1,201×1068 lorsque le nombre d’étoiles est multiplié par le nombre d’atomes du soleil.
Pour l’univers observable, nous savons qu’il y a environ 1011 galaxies. Nous trouverons le nombre d’atomes dans l’univers en multipliant le nombre d’atomes dans notre galaxie par le nombre de galaxies dans l’univers. Le nombre total d’atomes dans l’univers s’élève alors à… 1078 !
Une autre façon de faire ce calcul est de calculer la masse de l’univers. Nous savons en moyenne qu’il y a environ 400 milliards de galaxies dans l’univers observable, ce qui revient à environ 1,2 x 1023 étoiles ou plus de 100 sextillions. En moyenne, une étoile pèse environ 1035 grammes, ce qui fait que la masse totale de l’univers est de 1058 ou 1,2 x 1052 tonnes métriques. Chaque gramme de matière contient environ 1024 protons, ce qui revient au même si l’on suppose que tous les atomes sont de l’hydrogène, car un atome d’hydrogène ne contient qu’un seul proton. Le nombre total d’atomes d’hydrogène s’élèvera alors à 1086 ou cent mille quadrillons de vigintillions.
Ces calculs approximatifs vont de 1078 à 1086. En termes profanes, cela représente environ dix quadrillions de vigintillions et cent mille quadrillions de vigintillions d’atomes. Mieux encore, cela ressemblerait à 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomes… beaucoup de zéros en effet !
La matière ne représente que 4,9% de l’univers observable. (Crédit photo : Marcel Drechsler/ )
Même si ce nombre d’atomes semble beaucoup, la matière ne constitue que 4,9% de l’univers observable. Le reste est constitué de 68,3 % d’énergie noire et de 26,8 % de matière noire. L’énergie et la matière sombres sont également supposées être uniformément distribuées ou organisées en amas, tout comme la matière normale, dans tout l’univers. Leurs propriétés sont largement inconnues, mais on s’accorde à dire qu’elles contribuent à l’expansion de l’univers.
Nous devons noter qu’il s’agit d’estimations grossières basées sur de nombreuses hypothèses générales. Au fur et à mesure que la science progressera, nous concevrons des moyens encore plus efficaces pour faire des estimations plus précises, notamment en simulant l’univers dans des ordinateurs.
Dans tous les cas, les atomes continueront à se transformer en différents arrangements d’autres choses, tout comme les atomes qui étaient autrefois dans une étoile constituent maintenant vous et moi. Avec tout cela à l’esprit, il sera difficile d’oublier un jour que vous êtes fait d’étoiles!