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Cosmos : un univers en expansion

Dossier - Cosmologie : quelle est notre place dans l'univers ?
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Non, la Terre n’est pas au centre de l’univers. Le Soleil non plus. Notre planète, notre galaxie sont des anonymes perdus dans l’immensité du cosmos. Découvrez ici quelques notions de cosmologie qui vous permettront de mieux comprendre quelle est notre place dans l’univers.

  
DossiersCosmologie : quelle est notre place dans l'univers ?
 

Depuis la première mesure de la vitesse d'éloignement des galaxies par l'astronome Hubble, nous savons que l'univers est en expansion. La théorie de la relativité générale d'Einstein a permis de mieux comprendre ce phénomène.

Notre univers est en expansion. Ici, photo de l'amas de galaxies MACS J0717 prise par le télescope Hubble. © Nasa, ESA, Harald Ebeling (University of Hawaii, à Manoa) et Jean-Paul Kneib (LAM), CC by 3.0

L'éloignement des galaxies et la loi de Hubble

Le « modèle cosmologique standard », plus connu sous l'appellation Big Bang, prend racine sur le plan observationnel dans les années 1920-1930 avec les travaux des astronomes Slipher, Humason, Hubble. Le premier mesura la vitesse de quelques galaxies proches, tandis que les seconds obtenaient une mesure de la distance de ces galaxies.

Hormis pour des galaxies très proches, comme notre voisine Andromède, les vitesses mesurées étaient toutes positives, ce qui signifiait que ces galaxies s'éloignaient de la Voie lactée. Confrontant ces vitesses d'éloignement (ou de récession) aux distances des galaxies, Hubble passa à la postérité en établissant que cette vitesse de récession v est d'autant plus grande que la galaxie en question est plus lointaine. C'est la fameuse loi de Hubble :

ν = H0d

où H0 est la constante de Hubble et d la distance, exprimant la fuite des galaxies. (La constante de Hubble varie en fait au cours du temps cosmique. C'est pour cela que, comme c'est le cas d'autres paramètres cosmologiques dépendant du temps, on l'affecte de l'indice « 0 », indiquant l'instant présent.)

Un univers en expansion

Une interprétation simple et immédiate pourrait être de considérer que la Voie lactée est au centre d'un phénomène affectant toutes les autres galaxies. Mais ce serait une vision « anthropocentrique », donnant à l'Homme une position particulière dans l'univers.

Abandonnant cette idée, le principe cosmologique (et copernicien), édictant que l'univers est homogène et isotrope, donc qu'il n'y existe aucun « lieu privilégié », conduit naturellement à considérer que ce phénomène affecte toutes les galaxies. Autrement dit, vue d'une autre galaxie, la Voie lactée s'éloigne de toutes les autres et ce point de vue reste valable en se positionnant d'une nébuleuse à l'autre. Aucune d'entre elles n'est donc le « centre » de cette fuite généralisée.

Pour interpréter ce phénomène, il faut imaginer que ce ne sont pas les galaxies qui sont en mouvement, mais l'univers qui est en expansion.

Avec la découverte de l'expansion de l’univers sont nées d’autres questions : à quelle vitesse cette expansion se produit-elle ? y a-t-il accélération ? ou bien ralentissement ? Futura a interrogé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. © Futura

La relativité générale, une théorie révolutionnaire

Il existe un cadre théorique qui permet de comprendre ce phénomène, c'est celui de la théorie de la relativité générale élaborée par Einstein. La théorie de la relativité générale fut révolutionnaire sous deux aspects :

  • La première révolution fut de considérer que le temps et l'espace ne sont plus des entités séparées. On ne parle plus de distance entre deux objets, mais de distance entre deux évènements, le temps entrant alors comme quatrième coordonnée - trois pour l'espace (par exemple : x, y, z) et t pour le temps - : c'est le concept d'espace-temps. Mais, parler de distance, c'est entrer dans le domaine de la géométrie, l'espace-temps sera donc désormais défini par sa géométrie.
  • La seconde révolution fut d'affirmer que la géométrie de l'espace-temps est totalement caractérisée par son contenu en Énergie-Matière (avec Einstein, énergie et masse sont équivalentes via la célèbre relation E = mc2), comme l'illustre le schéma suivant :
La géométrie de l'espace-temps est totalement caractérisée par son contenu en Énergie-Matière. © DR

Il n'y a plus, en relativité générale, de force de gravitation qui régit les trajectoires des particules ou des planètes. Les trajectoires sont dictées par la courbure de l'espace, courbure imposée par la Matière-Énergie présente ici ou là.

La Terre ne tourne pas autour du Soleil à cause de l'attraction gravitationnelle qu'elle subit, mais parce que la masse du Soleil a modifié la géométrie de l'espace, empêchant notre planète de poursuivre sa trajectoire, en principe rectiligne si rien ne vient la perturber. Nous conserverons cependant dans la suite le terme « gravitation » afin de faciliter la compréhension des idées exposées.