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Depuis la première mesure de la vitesse d'éloignement des galaxies par l'astronomeastronome HubbleHubble, nous savons que l'Univers est en expansion. La théorie de la relativité générale d'EinsteinEinstein a permis de mieux comprendre ce phénomène.
L'éloignement des galaxies et la loi de Hubble
Le « modèle cosmologique standard », plus connu sous l'appellation Big BangBig 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 lactéeVoie 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 Hubbleloi de Hubble :
où H0 est la constante de Hubbleconstante 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 isotropeisotrope, 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 nébuleusenébuleuse 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 mouvementmouvement, 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-tempsespace-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 ÉnergieÉnergie-MatièreMatière (avec Einstein, énergie et massemasse sont équivalentes via la célèbre relation E = mc2), comme l'illustre le schéma suivant :
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 SoleilSoleil 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 « gravitationgravitation » afin de faciliter la compréhension des idées exposées.
