Le temps cosmique : quelle horloge date l'Univers, et ce que « en même temps » veut dire à son échelle

Écrite pour répondre à une question : Si la relativité interdit un temps universel, de quelle horloge parle-t-on quand on dit que l'Univers a 13,8 milliards d'années, et comment définit-on « au même moment » d'un bout à l'autre du cosmos ?

1. Pas de temps universel, mais un temps choisi par la matière

La relativité n'offre pas d'horloge absolue : deux observateurs en mouvement relatif ne découpent pas l'espace-temps en « maintenant » de la même manière. La cosmologie ne réintroduit pas de temps absolu dans les lois. Elle tire parti d'une propriété de notre Univers : à grande échelle, il est homogène et isotrope. Les modèles qui le décrivent (Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, FLRW) sont « uniformes, sans lieu ni direction privilégiés » ; l'espace-temps s'y découpe en tranches d'espace homogènes, et le temps cosmique est le temps qui numérote ces tranches smeenk-sep. C'est « la coordonnée de temps standard » des solutions de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker wiki-cosmic-time.

La nuance est essentielle : ce temps privilégié est une propriété de la solution (de la répartition de la matière), pas des équations. Un univers très inhomogène n'en aurait pas. Le temps cosmique est un temps de fait, pas un temps de droit.

2. Qui le mesure : les observateurs comobiles et leur temps propre

Les lignes d'univers des « observateurs fondamentaux », définis comme au repos par rapport à la matière, sont perpendiculaires aux tranches d'homogénéité, « et le temps cosmique correspond au temps propre mesuré par les observateurs fondamentaux » smeenk-sep. Le temps propre est ce que marque une horloge qu'on emporte avec soi. Le temps cosmique n'est donc pas une abstraction : c'est ce qu'indiquerait une horloge qui suit le flot de l'expansion sans vitesse propre, et hors des creux et des bosses de densité wiki-cosmic-time.

L'âge de l'Univers est, par définition, cette durée : dans les modèles FLRW, le temps cosmique peut se mesurer comme « le temps propre total écoulé le long de la ligne d'univers d'un observateur fondamental, depuis l'"origine" de l'univers jusqu'à l'époque présente » smeenk-sep. De même, le temps qui figure dans la loi de Hubble est « le temps propre depuis le Big Bang pour des observateurs comobiles » wright-tuto. Les tables de Planck précisent l'origine de ce compteur : l'âge est le temps écoulé « depuis le début du Big Bang chaud » planck2018tab (voir fond-diffus-cosmologique).

3. Comment on définit « au même moment » : l'homogénéité comme horloge

La métrique FLRW découle de l'hypothèse que la matière a partout la même densité (homogénéité) et la même apparence dans toutes les directions (isotropie) ; on peut alors choisir le temps de sorte que le temps propre des observateurs comobiles, synchronisés, soit la coordonnée de temps elle-même, et la distance entre eux varie comme un facteur d'échelle a(t) wiki-flrw. Cette solution a été trouvée par Friedmann (1922, 1924) et Lemaître (1927) indépendamment, puis précisée par Robertson et Walker dans les années 1930 wiki-flrw.

La simultanéité s'en déduit : deux événements lointains sont « au même moment » s'ils appartiennent à la même tranche où l'Univers a partout la même densité — « l'univers a la même densité partout à chaque instant ; que cela soit possible signifie, par définition, qu'il est homogène » wiki-cosmic-time. Wright le dit dans l'autre sens : l'homogénéité « doit être définie sur une surface de temps propre constant depuis le Big Bang » wright-tuto. Les deux définitions se soutiennent l'une l'autre ; c'est l'observation (un Univers homogène aux grandes échelles) qui rend la construction cohérente.

Le thermomètre du fond diffus

Concrètement, n'importe quel observateur comobile peut lire le temps cosmique sur un thermomètre : la température du fond diffus, aujourd'hui 2,7255 K pdg2019-astro, baisse à mesure que l'Univers s'étend (en proportion inverse du facteur d'échelle ; relation classique, non relue sur une source ici). Deux observateurs éloignés qui mesurent la même température sont sur la même tranche de temps cosmique. La densité moyenne de matière ferait le même office. Aucun signal n'a besoin d'être échangé : la synchronisation est donnée par l'état de l'Univers lui-même.

4. Nous ne sommes pas comobiles : le dipôle du fond diffus

« Un observateur comobile est le seul observateur qui percevra l'univers, y compris le fond diffus cosmologique, comme isotrope » wiki-comoving. Nous ne le percevons pas ainsi : le ciel micro-onde est un peu plus chaud dans une direction et un peu plus froid à l'opposé. Ce dipôle a une amplitude de 3,3621 mK, soit un écart relatif d'environ 1,2 × 10⁻³ sur 2,7255 K ; il traduit une vitesse du barycentre du Système solaire de 369,82 ± 0,11 km/s par rapport au fond diffus, vers (l, b) = (264,021°, 48,253°) en coordonnées galactiques pdg2019-astro. Le Groupe local de galaxies, pris dans son ensemble, se déplace à 620 ± 15 km/s par rapport au même repère pdg2019-astro.

Le fond diffus fournit donc le « repère au repos » de la cosmologie : on retire le dipôle, et l'on obtient ce que verrait un observateur comobile à notre place. Les décalages vers le rouge publiés sont presque toujours rapportés à ce repère (« stationnaire par rapport au fond micro-onde ») Hogg 1999. Le dipôle vient de notre mouvement ; ce n'est pas une trace de l'Univers primordial (voir fond-diffus-cosmologique).

5. De combien notre horloge s'écarte-t-elle du temps cosmique ?

Deux effets relativistes font marcher nos horloges un peu moins vite qu'une horloge comobile idéale. Ordres de grandeur, calculés ici à partir des chiffres du PDG pdg2019-astro :

• Le mouvement. À 370 km/s, soit v/c ≈ 1,23 × 10⁻³, la dilatation du temps est d'environ v²/2c² ≈ 7,6 × 10⁻⁷. Maintenue sur 13,8 milliards d'années, elle ferait environ 10 000 ans de retard ; sur la vie du Système solaire (4,57 milliards d'années), environ 3 500 ans.
• Le puits de gravité de la Galaxie. Avec une vitesse d'évasion locale de 492 à 587 km/s, le potentiel galactique vaut en ordre de grandeur 1,6 × 10⁻⁶ c², soit un ralentissement du même ordre. Le Soleil et la Terre ajoutent beaucoup moins.

Au total, un écart relatif de l'ordre de quelques 10⁻⁶ : quelques dizaines de milliers d'années au plus sur toute l'histoire cosmique. C'est un majorant grossier : notre vitesse et notre environnement ont changé (la Galaxie n'existait pas au début), et les puits plus vastes (Groupe local, superamas) ne sont pas comptés. Mais l'ordre de grandeur suffit : cet écart est plusieurs centaines de fois plus petit que l'incertitude de l'âge calculé (± 20 millions d'années planck2018tab). Pour dater l'Univers, notre horloge et l'horloge cosmique sont indiscernables. La section 8 présente la seule thèse qui conteste cette conclusion.

6. Du décalage vers le rouge à l'âge

Ce que l'on mesure sur un objet lointain n'est pas une date mais un décalage vers le rouge z. En cosmologie, il dit de combien l'Univers s'est étiré depuis l'émission : 1 + z = a(t_o)/a(t_e), rapport de la « taille » de l'Univers à l'observation et à l'émission Hogg 1999. Pour en faire une date, il faut savoir quand l'Univers avait cette taille, donc connaître l'histoire du taux d'expansion H(z), qui dépend de H0 et des densités de matière, de courbure et d'énergie noire ; l'âge et le temps de regard en arrière s'obtiennent en intégrant cette histoire Hogg 1999. La conversion z → âge est donc un calcul dans un modèle ; c'est pourquoi chaque date de frise-cosmique est une date ΛCDM.

Quelques points de repère, pour l'ajustement Planck 2018 pdg2019-astro :

MoM-z14, à z = 14,44, est vue 280 millions d'années après le Big Bang Naidu 2025. Le z est la mesure ; l'âge est son interprétation.

7. Âge, temps de regard en arrière, distance : trois choses différentes

Ces trois grandeurs sont souvent confondues. Il y a « de nombreuses manières » de définir une distance en cosmologie, parce que les distances entre objets comobiles changent sans cesse et qu'en regardant loin on regarde dans le passé Hogg 1999.

• L'âge à l'émission : le temps cosmique au moment où la lumière part (section 6).
• Le temps de regard en arrière (lookback time) : la différence entre l'âge de l'Univers aujourd'hui et son âge à l'émission Hogg 1999. Pour MoM-z14, environ 13,8 − 0,28 ≈ 13,5 milliards d'années (calcul à partir de Naidu 2025) ; pour z = 0,636, environ 6,1 milliards d'années (calcul à partir de pdg2019-astro). Multiplié par c, il donne la « distance parcourue par la lumière », qui n'est une distance à aucun instant.
• La distance comobile : la distance qui reste constante entre deux objets emportés par l'expansion ; égale par convention à la distance propre aujourd'hui Hogg 1999 wiki-comoving. La distance propre, elle, est celle qu'on mesurerait « à un instant donné du temps cosmique », et elle change avec l'expansion wiki-comoving.

L'exemple le plus parlant est le fond diffus. Sa lumière voyage depuis presque tout l'âge de l'Univers (13,8 milliards d'années de regard en arrière), mais la matière qui l'a émise est aujourd'hui à 13,873 Gpc planck2018tab, soit environ 45 milliards d'années-lumière ; au moment de l'émission, elle n'était qu'à environ 41 millions d'années-lumière de la matière qui allait devenir nous (13 873 Mpc divisés par 1 + z ≈ 1 091 ; calcul). Le rayon comobile de l'Univers observable est d'environ 46,5 milliards d'années-lumière wiki-observable. Il dépasse c × âge parce que l'espace s'est dilaté pendant le trajet de la lumière ; les régions lointaines s'éloignent aujourd'hui plus vite que la lumière, sans contredire la relativité wiki-observable wright-tuto.

8. Quand le temps cosmique perd son support : les tout premiers instants

Le temps cosmique est défini par des horloges comobiles ; encore faut-il qu'une horloge puisse exister. Rugh et Zinkernagel défendent l'idée que le concept de temps doit reposer sur des processus physiques possibles entre les constituants de l'Univers Rugh 2009. Un premier problème apparaît au-delà de la transition quarks-gluons (vers 10⁻⁵ s), où il n'y aurait plus de systèmes liés ; un problème plus sérieux au-delà de la transition électrofaible (vers 10⁻¹¹ s), où la masse disparaît presque et où il devient difficile de donner une base physique à l'échelle de longueur, d'énergie et à la température, « toutes intimement liées au concept de temps en cosmologie moderne » Rugh 2009. Leur conclusion : l'échelle de temps de la cosmologie « très primitive » manque de base physique, ou devra reposer sur une physique nouvelle spéculative Rugh 2009.

C'est une thèse de philosophie de la physique, discutée ; elle ne change aucun calcul, mais elle précise ce que veulent dire « 10⁻³⁶ s » ou « 10⁻⁴³ s » : des valeurs de la coordonnée t d'un modèle extrapolé, pas des durées qu'une horloge aurait pu marquer. Elle prolonge, en amont, ce que dit avant-et-rien : quand on approche t = 0, « le concept même de temps cesse d'être défini » smeenk-sep.

9. Un temps moyen ? La contestation du timescape

Le temps cosmique suppose que l'Univers réel se comporte, en moyenne, comme un modèle homogène. Wiltshire conteste ce passage : les différences d'énergie gravitationnelle entre des observateurs situés dans des systèmes liés, comme les galaxies, et des régions moyennes dans les vides en expansion libre seraient assez grandes pour que « la dilatation du temps entre les deux affecte significativement les paramètres de tout modèle homogène et isotrope effectif » ajusté à l'Univers Wiltshire 2007. Dans ce modèle dit timescape, l'accélération serait un effet apparent, l'énergie noire une « identification erronée », et l'âge d'expansion serait plus long Wiltshire 2007.

En 2025, Seifert et al. trouvent, sur les supernovas Pantheon+, une « très forte » préférence statistique (ln B > 5) pour le timescape sur ΛCDM, et en concluent qu'il faut « revisiter les fondations » de la cosmologie Seifert 2025. Ce résultat est récent et minoritaire : les analyses de Planck, d'ACT, de SPT et de DESI (voir fond-diffus-cosmologique, energie-matiere-noires) reposent sur FLRW et s'y ajustent bien. Pour la question de cette fiche, l'enjeu est net : si le timescape avait raison, l'horloge d'une galaxie et le temps cosmique moyen pourraient différer bien plus que les 10⁻⁶ de la section 5, et « l'âge de l'Univers » dépendrait de l'endroit où l'on pose l'horloge.

Ce que le livre peut en tirer

Pour le récit. Une image simple et juste : l'Univers est sa propre horloge. Partout où la matière est au repos dans l'expansion, la même température du ciel dit la même heure ; « maintenant », à l'échelle du cosmos, c'est « là où le fond diffus a la même température que chez nous ». Nous-mêmes ne sommes pas tout à fait à l'heure : nous filons à 370 km/s par rapport à ce repère, et le ciel micro-onde est plus chaud d'un côté. Le décalage de notre montre sur toute l'histoire du cosmos se compte au plus en dizaines de milliers d'années, une paille devant 13,8 milliards. Pour le chapitre 1 : la question « que faisait Dieu avant ? » rencontre ici un obstacle concret, puisqu'aux tout premiers instants il n'y a plus rien qui puisse faire office d'horloge.

Pour l'essai. Trois idées à poser : (1) le temps cosmique n'est pas un temps absolu réintroduit en fraude, mais le temps propre d'une famille d'observateurs que la matière elle-même désigne ; il existe parce que l'Univers est homogène, et seulement dans cette mesure ; (2) l'âge de 13,8 milliards d'années est le temps propre d'un observateur comobile depuis le début du Big Bang chaud ; (3) z est mesuré, l'âge est calculé (dans ΛCDM), et le temps de regard en arrière n'est pas une distance. La table z → âge (section 6) peut servir d'encadré au chapitre 7.

Contresens à éviter. « La relativité est fausse à l'échelle cosmique » ou « le fond diffus est un éther » : non, c'est un repère de fait, pas une loi. « Une galaxie à 13,5 milliards d'années-lumière » : c'est un temps de trajet ; sa distance actuelle est bien plus grande. « L'Univers observable a un rayon de 13,8 milliards d'années-lumière » : environ 46 milliards (comobile). « L'Univers a 13,8 milliards d'années pour tout le monde » : pour un observateur comobile ; l'écart des autres est négligeable, sauf si le timescape avait raison. Ne pas présenter le timescape comme établi, ni comme réfuté. Ne pas écrire « 10⁻⁴³ seconde » comme une durée mesurable sans dire que c'est une extrapolation du modèle.

À vérifier avant publication. La relation T ∝ 1/a (non relue sur une source ici). Le calcul d'ordre de grandeur de la section 5 (fait par l'atelier, à faire relire). Les valeurs du PDG datent de l'édition 2019 (Planck seul : âge 13,797 Ga) ; la frise cite 13,787 Ga (Planck + BAO) ; harmoniser. Planck 2018 I (source primaire du dipôle) : page A&A bloquée (403), valeur lue sur le tableau PDG qui la cite. Une réponse publiée au timescape n'a pas été trouvée dans le budget.

Voisines

• avant-et-rien — Section physique-change-temps : cette fiche dit concrètement de quel temps il s'agit (temps propre des comobiles) et pourquoi il perd son support physique avant ~10⁻¹¹ s (Rugh et Zinkernagel), ce qui prolonge l'idée d'un temps qui cesse d'être défini vers t = 0.
• frise-cosmique — Section comment-date-histoire : précise que chaque date de la frise est un temps cosmique (temps propre comobile) calculé depuis z dans ΛCDM, avec une table z → âge ; distingue âge, temps de regard en arrière et distance.
• fond-diffus-cosmologique — Le fond diffus définit le repère comobile (on retire le dipôle de 369,82 km/s) et sert de thermomètre-horloge ; la distance comobile de la surface de dernière diffusion y est reprise.
• energie-matiere-noires — La contestation timescape remplace l'énergie noire par des effets de dilatation du temps entre vides et galaxies : alternative minoritaire à mentionner.
• seuil-et-inflation — Les durées de l'inflation (10⁻³⁶ s…) sont des coordonnées d'un modèle extrapolé, là où le temps cosmique n'a plus d'horloge physique.

Voir aussi

• de-la-nebuleuse-a-la-terre — Toutes les dates d'année cosmique supposent l'âge de 13,8 Ga et le temps cosmique défini dans cette fiche.
• vie-et-humanite — Point d'appui pour la fiche complémentaire sur le point de vue de l'observateur (notre mouvement par rapport au fond diffus).

Sources

• smeenk-sep — Smeenk, C., Ellis, G. (2017). Philosophy of Cosmology. Stanford Encyclopedia of Philosophy. https://plato.stanford.edu/entries/cosmology/ — « « The worldlines of 'fundamental observers', defined as at rest with respect to matter, are orthogonal to these surfaces, and the cosmic time corresponds to the proper time measured by the fundamental observers. » ; « In the FLRW models, the cosmic time t can be measured by the total proper time elapsed along the worldline of a fundamental observer, from the 'origin' of the universe until the present epoch. » »
• wiki-cosmic-time — Wikipedia (en), « Cosmic time », consulté le 27 septembre 2026. https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_time — « « Cosmic time t is a measure of time by a physical clock with zero peculiar velocity in the absence of matter over-/under-densities » ; « Cosmic time is the standard time coordinate for specifying the Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker solutions » ; « the universe has the same density everywhere at each moment in time (the fact that this is possible means that the universe is, by definition, homogeneous) ». »
• wright-tuto — Wright, E. L. Cosmology Tutorial, Part 2. UCLA. https://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_02.htm — « « the time variable t in the Hubble law is the proper time since the Big Bang for comoving observers. » ; « the homogeneity of the Universe must be defined on a surface of constant proper time since the Big Bang. » »
• wiki-flrw — Wikipedia (en), « Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker metric », consulté le 27 septembre 2026. https://en.wikipedia.org/wiki/Friedmann%E2%80%93Lema%C3%AEtre%E2%80%93Robertson%E2%80%93Walker_metric — « « The metric is a consequence of assuming that the mass in the universe has constant density – homogeneity – and is the same in all directions – isotropy » ; « In 1922 and 1924, the Soviet mathematician Alexander Friedmann and in 1927, Georges Lemaître […] arrived independently at results […] Howard P. Robertson […] and Arthur Geoffrey Walker […] explored the problem further during the 1930s. » »
• wiki-comoving — Wikipedia (en), « Comoving and proper distances », consulté le 27 septembre 2026. https://en.wikipedia.org/wiki/Comoving_and_proper_distances — « « A comoving observer is the only observer who will perceive the universe, including the cosmic microwave background radiation, to be isotropic. » ; « Proper distance roughly corresponds to where a distant object would be at a specific moment of cosmic time » ; « Comoving distance and proper distance are defined to be equal at the present time. » »
• pdg2019-astro — Groom, D. E., Scott, D. (révision août 2019). Astrophysical Constants and Parameters, Table 2.1. In Tanabashi, M., et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D 98, 030001 (2018) et mise à jour 2019. https://pdg.lbl.gov/2019/reviews/rpp2018-rev-astrophysical-constants.pdf — « « present-day CMB temperature T0 2.7255(6) K » ; « present-day CMB dipole amplitude 3.3621(10) mK » ; « Solar velocity with respect to CMB 369.82(11) km s⁻¹ towards (l,b) = (264.021(11)°, 48.253(5)°) » ; « Local Group velocity with respect to CMB 620(15) km s⁻¹ » ; « age when optical depth equals unity 372.9(10) kyr » ; « age when acceleration was zero 7.70(10) Gyr » ; « age of the Universe today 13.797(23) Gyr ». »
• hogg1999 — Hogg, D. W. (1999, rév. 2000). Distance measures in cosmology. arXiv:astro-ph/9905116. DOI 10.48550/arXiv.astro-ph/9905116 https://arxiv.org/abs/astro-ph/9905116 — « « there are many ways to specify the distance between two points, because in the expanding Universe, the distances between comoving objects are constantly changing, and Earth-bound observers look back in time as they look out in distance. » ; « The lookback time tL to an object is the difference between the age to of the Universe now (at observation) and the age te of the Universe at the time the photons were emitted » ; « Redshift is almost always determined with respect to us (or the frame centered on us but stationary with respect to the microwave background) ». »
• planck2018tab — Planck Collaboration (14 mai 2019). Planck 2018 Results: Cosmological Parameter Tables (v2). Planck Legacy Archive, ESA. https://wiki.cosmos.esa.int/planck-legacy-archive/images/4/43/Baseline_params_table_2018_68pc_v2.pdf — « « Age/Gyr — Time since the start of the hot big bang » ; « Age/Gyr 13.7839 13.787 ± 0.020 » (repris de la fiche fond-diffus-cosmologique ; distance comobile de la surface de dernière diffusion 13,873 ± 0,025 Gpc selon la même fiche ; non relu ici) » (non vérifié)
• naidu2025 — Naidu, R. P., Oesch, P. A., Brammer, G., et al. (2025). A Cosmic Miracle: A Remarkably Luminous Galaxy at z_spec = 14.44 Confirmed with JWST. Open Journal of Astrophysics. arXiv:2505.11263 https://arxiv.org/abs/2505.11263 — « « MoM-z14 […] 280 million years after the Big Bang » (repris de la fiche frise-cosmique, non relu ici) » (non vérifié)
• wiki-observable — Wikipedia (en), « Observable universe », consulté le 27 septembre 2026. https://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe — « « about 14.26 gigaparsecs (46.5 billion light-years or 4.40×10²⁶ m) » ; « the light-travel distance to the edge of the observable universe is the age of the universe times the speed of light, 13.8 billion light years » ; « regions distant from observers (such as us) are expanding away faster than the speed of light ». »
• rugh2009 — Rugh, S. E., Zinkernagel, H. (2009). On the physical basis of cosmic time. Studies in History and Philosophy of Modern Physics 40, 1–19. arXiv:0805.1947 DOI 10.1016/j.shpsb.2008.06.001 https://arxiv.org/abs/0805.1947 — « « A more serious problem appears above the electroweak phase transition believed to occur at ∼10⁻¹¹ seconds. At this point the property of mass (almost) disappears and it becomes difficult to identify a physical basis for concepts like length scale, energy scale and temperature -- which are all intimately linked to the concept of time in modern cosmology. » »
• wiltshire2007 — Wiltshire, D. L. (2007). Cosmic clocks, cosmic variance and cosmic averages. New Journal of Physics 9, 377. arXiv:gr-qc/0702082 DOI 10.1088/1367-2630/9/10/377 https://arxiv.org/abs/gr-qc/0702082 — « « Gravitational energy differences between observers in bound systems, such as galaxies, and volume-averaged comoving locations within voids in freely expanding space can be so large that the time dilation between the two significantly affects the parameters of any effective homogeneous isotropic model one fits to the universe. […] The expansion age is increased, allowing more time for structure formation. » »
• seifert2025 — Seifert, A., Lane, Z. G., Galoppo, M., Ridden-Harper, R., Wiltshire, D. L. (2025). Supernovae evidence for foundational change to cosmological models. MNRAS Letters 537, L55. arXiv:2412.15143 DOI 10.48550/arXiv.2412.15143 https://arxiv.org/abs/2412.15143 — « « very strong evidence (ln B > 5) in favour of timescape over ΛCDM » ; ces résultats « provide evidence for a need to revisit the foundations of theoretical and observational cosmology ». »