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Dans quoi l’Univers est-il en expansion ?

Dossier - 10 questions essentielles sur l'Univers
DossierClassé sous :Espace , Univers , histoire de l'univers

Pourquoi la nuit est-elle noire ? Que se passera-t-il quand le Soleil va mourir ? Pourquoi dit-on que nous sommes des poussières d’étoiles ? Pourquoi les planètes sont-elles rondes ? Un trou noir risque-t-il un jour de nous aspirer ? Découvrez les réponses de l'astrophysicien Jean-Pierre Luminet à 10 questions essentielles sur l'Univers.

  
Dossiers10 questions essentielles sur l'Univers
 

La question vient naturellement à l'esprit, mais elle est liée à une image mentale incorrecte de ce qu'est réellement l'expansion de l'espace. On imagine souvent l'Univers en expansion comme l'intérieur d'un ballon qui gonfle au sein d'un espace extérieur préétabli.

L’Univers visible compterait quelque 100 milliards de galaxies. Ici, la galaxie M101, également appelée NGC 5457 ou galaxie du Moulinet. © Carsten Frenzl, Flickr, CC by 2.0

Cette image est en partie correcte si on considère seulement l'Univers « observable », au centre duquel nous nous trouvons forcément, qui est limité par une surface sphérique au-delà de laquelle on ne peut pas voir (l'horizon cosmologique), et qui gonfle bel et bien dans le « vrai » Univers. Mais par définition, ce dernier contient l'ensemble de toutes les positions possibles de l'espace. S'il se dilatait « dans » quelque chose, ce quelque chose serait aussi de l'espace et appartiendrait encore à l'Univers : cela n'a donc aucun sens.

Quelle est donc la forme et la taille globale de l'Univers ? Au cours de l'histoire des sciences, de nombreux modèles ont été proposés, infinis ou non, ouverts, fermés ou encore plats. Et la question fait toujours débat. Futura-Sciences a posé la question à Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous parle de sa théorie de l'univers chiffonné (voir la vidéo ci-dessous).

Interview de Jean-Pierre Luminet. © Futura-Sciences

L'Univers fini ou infini ?

On ignore par ailleurs si l'Univers est fini ou infini. Les deux hypothèses sont compatibles avec les équations de la relativité générale et les observations astronomiques (même si ces dernières ne pourront jamais prouver que l'espace est infini). Ce qui est certain, c'est que si l'Univers est fini, il n'a pas de bord. Sinon, qu'y aurait-il au-delà du bord, sinon l'Univers lui-même ? 

Dans un univers qui serait fini mais sans bord comme une hypersphère, l'univers observable ne représente qu'un sous-ensemble délimité par un horizon cosmologique au-delà duquel on ne peut pas voir. © Domaine public

Il n'est pas facile d'imaginer que l'Univers puisse être fini sans avoir de bord ni d'extérieur. Les objets de la nature que nous connaissons sont plongés dans l'espace tridimensionnel, et dès lors qu'ils sont de volume fini - un cube, une bouteille, etc. -, ils ont une surface qui les délimite, un bord. Il en va tout autrement pour l'Univers, qui n'est pas contenu dans un espace de dimension supérieure. La géométrie non euclidienne et la topologie - branche des mathématiques qui traite de toutes les formes possibles de l'espace - permettent de concevoir assez simplement des modèles d’Univers fini sans bords.

Dans de tels espaces, un vaisseau spatial filant droit devant lui peut revenir à son point de départ sans jamais avoir fait demi-tour ni s'être éloigné à l'infini ; c'est le monde de certains jeux vidéo dans lesquels les personnages ne quittent jamais l'écran. Les observations astronomiques sont parfaitement compatibles avec ce type de modèles ; ils obéissent bien entendu aux lois du Big Bang et sont donc en expansion « intrinsèque », en ce sens que les séparations entre leurs points augmentent au cours du temps.