Expansion de l’univers: son déroulement, sa vitesse et les phénomènes connexes
Au tout début, il n'y avait qu'une énergie incroyablement concentrée, à très haute température et dans un très petit volume. Puis il y a eu cette gigantesque expansion et, à mesure que l’univers ( celui dans lequel nous vivons encore aujourd’hui) s'étendait dans l'espace et le temps, les températures se sont refroidies. C’est justement à ce stade de l’évolution de l’univers, que l'énergie a commencé à se condenser pour former la matière, laquelle s'est agrégée pour donner les galaxies, les étoiles et tous les autres corps célestes, y compris notre belle et fragile, planète Terre!
Mais, ce qui est à la fois fascinant et incroyable, c’est que depuis l’explosion du Big Bang, l’univers est entré dans un mouvement d’expansion continu.
Autrement dit, l’univers grandit avec le temps et sa vitesse d’expansion semblerait même s’accélérer ou pour être plus précis s’auto-accélérer depuis sa création!
Que signifie l’expansion continue de l’univers?
L’Univers est en expansion et, par conséquent, les sources de lumière, telles que les étoiles ou plutôt les galaxies, s’éloignent de notre point d’observation. Si ce n’était pas le cas, le rayon de l’Univers observable serait d’environ 13,8 milliards d’années-lumière, ce qui correspond à la distance parcourue par la lumière depuis le début de l’Univers (depuis le Big Bang comme nous le verrons par la suite).
Pour dire les choses simplement, l’univers se comporte comme un ballon en train de se gonfler. Et qui plus est, c’est comme si la quantité d’air injectée dans le ballon augmentait d’instant en instant. Mais pour être correct, on parle en fait d’un univers en expansion accélérée ou expansion continue et c’est précisement une particularité de son comportement.
La découverte de ce comportement remonte à 1930. C’est le célèbre astronome Edwin Hubble qui a découvert que la lumière provenant de galaxies très éloignées de la nôtre était caractérisée par un « décalage vers le rouge ». Et il remarqua une deuxième particularité : plus la distance séparant notre galaxie de celle observée est grande, plus le « Redshift« associé à la lumière provenant de cette galaxie est important.
Mais comme il est en expansion, la distance à l’horizon est beaucoup plus grande. Selon les dernières estimations, l’espace pourrait s’être agrandi d’environ 4,7×1023 km ou 46,5 milliards d’années-lumière.
Le diamètre de la sphère serait donc précisément de 93 milliards d’années-lumière
Expansion de l’univers: est-il vrai que l’univers est en expansion continu?
L’expansion de l’univers augmente d’instant en instant, d’où l’adjectif « continue » qui lui a été attribué. Mais d’où vient cette expansion? Oui, c’est une réalité scientifique: l’Univers est en expansion et, par conséquent, les sources de lumière, telles que les étoiles ou plutôt les galaxies, s’éloignent de notre point d’observation.
Si ce n’était pas le cas, le rayon de l’Univers observable serait d’environ 13,8 milliards d’années-lumière, ce qui correspond à la distance parcourue par la lumière depuis le début de l’Univers (depuis le Big Bang).
Quelles sont les origines de la théorie de l’expansion de l’univers?
Les recherches sur l’expansion de l’univers et son destin conduisent à la formulation de théories très fascinantes et parfois à la limite du pensable. Premièrement, il n’y a pas de centre d’expansion, mais les distances mutuelles entre les galaxies augmentent. Autrement dit,il n’y a pas de limite à l’univers, l’expansion de l’univers à l’intérieur d’un « plus grand contenant » est inconcevable.
À l’époque d’Einstein (et même avant), l’univers était considéré comme un univers statique, c’est-à-dire comme une immense sphère avec des galaxies toujours dans la même position et, surtout, ayant un centre.
Dans cette situation, on se demandait évidemment pourquoi, sous l’effet de la gravité, il ne s’effondrait pas vers le centre. Einstein lui-même, dans ses formules, a dû introduire un terme (dérivé d’une hypothétique force de répulsion) qu’il a appelé « constante cosmologique ».
Mais c’est en 1929 que le physicien Edwin Hubble a fait une découverte qui allait tout bouleverser: les galaxies s’éloignent toutes les unes des autres avec une vitesse qui est toujours proportionnelle à leur distance.
Autrement dit, partout dans l’univers, deux galaxies très éloignées l’une de l’autre, s’éloignent plus vite que deux galaxies voisines. C’est précisément ce qu’affirme et nous démontre la loi de Hubble.
Expansion de l’univers: comment cela se passe-t-il et à quelle vitesse?
Pour justifier l’expansion de l’univers, Hubble compare les distances des galaxies les plus proches de nous avec leur vitesse par rapport à la Voie lactée. Il a ensuite trouvé une relation entre la vitesse et la distance, obtenant une valeur de 500 km/s par Mpc (mégaparsec).
Tout d’abord, commençons par dire que l’expansion de l’univers est plus rapide que ce que l’on pensait: c’est en tout cas ce qu’affirment la NASA et l’Esa, qui ont estimé que l’expansion se produit à un rythme de 5 à 9% plus rapide qu’estimé précédemment (sur la base d’études récentes).
Ce nouveau résultat est le fruit de mesures extrêmement précises de la distance entre 19 étoiles (dans d’autres galaxies), obtenues à l’aide du télescope spatial Hubble. Le physicien Adam Riess, lauréat du prix Nobel de physique en 2011 et coordinateur des travaux, affirme que la vitesse d’expansion de l’Univers est précisement de 73,2 kilomètres par seconde et par mégaparsec.
Cette nouvelle estimation ( dont nous ne détaillerons par les calculs astronomiques extrêmement complexes)place en fait la barre à la limite supérieure de la fourchette supposée jusqu’à présent : en simplifiant, elle indique que tout objet hypothétique situé à 1 Mpc (mégaparsec, c’est-à-dire 3,26 millions d’années-lumière) de nous s’éloigne à une vitesse de 73,2 km/sec (alors que les estimations précédentes se situaient entre 50 et 75 km/sec).
Mais qu’est-ce que cela signifie au juste? Selon ces calculs, la distance entre les objets de l’Univers (comprenons ici l’ensemble de l’espace et de la matière) doublera en 9,8 milliards d’années, un chiffre qui par ailleurs est différent d’autres évaluations…
Phénomènes liés à l’expansion de l’univers
Le concept d’univers en expansion peut sembler, à première vue, éloigné des mécanismes célestes et des recherches cosmologiques plus connues menées ces dernières années.
Ce phénomène physique extraordinaire est aussi fascinant que mystérieux, et de nombreux aspects restent encore obscurs ou à étudier car, oui, l’univers est encore très mystérieux…
Décalage vers le rouge
Entre 1910 et 1925, on a découvert que les raies spectrales des étoiles et des galaxies se déplaçaient vers le rouge : ce phénomène, connu sous le nom de décalage vers le rouge, s’explique par l’effet Doppler: lorsqu’un observateur et une source de rayonnement s’éloignent, la longueur d’onde apparente augmente et, par conséquent, le spectre électromagnétique se déplace de la droite vers la gauche, c’est-à-dire vers le rouge.
Cela signifie que, dans le passé, les galaxies devaient se trouver à une distance beaucoup plus courte les unes des autres et que, par conséquent, il y a 14 milliards d’années, toute la masse de l’univers a dû s’effondrer en un seul point. Le décalage vers le rouge est d’ailleurs la preuve de référence de l’existence du big-bang.
Big Bang
Le Big Bang et l’expansion de l’univers sont des concepts intimement imbriqués. Mais rappelons que c’est le cosmologiste belge Georges Lemaître (1894-1966) qui a été l’un des premiers à utiliser la position et la vitesse des galaxies pour comprendre que l’univers s’agrandissait.
Il a établi un lien entre cette expansion et l’idée que l’univers avait dû commencer en un point précis. Ce point spécifique a ensuite été baptisé « Big Bang » par l’astronome Fred Hoyle. Fred Hoyle (1915-2001) était pourtant un fervent opposant à la théorie selon laquelle tout l’espace mesurable n’était autrefois qu’un point unique.
Au contraire, il a d’ailleurs co-inventé la théorie de l' »état stable ». Dans cette théorie, il a tenté d’expliquer l’éloignement des galaxies avec la formation de nouvelles galaxies dans l’intervalle. Pourtant, Hoyle est à l’origine du terme « Big bang ».
Au cours d’une discussion à la radio, il aurait docilement crié le terme. Après quoi, le terme s’est imposé, tout comme la théorie. Mais évidemment, la théorie du Big Bang soulève immédiatement toute une série de questions : y a-t-il vraiment eu un moment où toutes les galaxies, toute la matière de l’univers se trouvaient en un seul point?
L’univers, l’espace et le temps ont-ils émergé de ce point par un seul et même big bang? L’univers est-il en expansion permanente depuis le Big Bang ? Oui, c’est en tout cas ce que la science et l’astronomie affirment.
