Univers en expansion

Théorie de l'expansion de l'univers

De nombreuses preuves viennent étayer la théorie de l'expansion de l'univers. Une preuve importante a été obtenue en observant des galaxies lointaines. Edwin Hubble a observé en 1929 que les corps célestes éloignés dans toutes les directions, sans exception, s'éloignaient de la Terre. Il a constaté qu'à mesure que la distance par rapport à la Terre augmentait, la vitesse de récession augmentait également ! Cette observation permet de valider le modèle de l'univers en expansion.

Les calculs effectués à l'aide de modèles cosmologiques montrent que les points qui sont aujourd'hui très éloignés les uns des autres étaient très proches il y a 13,8 milliards d'années. Deux points dans l'espace qui n'étaient séparés que de 10 m peu après le big bang seraient aujourd'hui séparés par des milliards d'années-lumière !

Fig. 2. Edwin Hubble a montré que les corps célestes lointains s'éloignent de la Terre. Cette observation a confirmé la théorie de l'univers en expansion, Creative Commons

Causes de l'expansion de l'univers

En 1998, des chercheurs ont annoncé qu'ils avaient détecté l'expansion cosmique avec un niveau de précision jamais atteint auparavant et ont découvert que l'expansion s'accélérait ! Cette accélération suggère que l'univers se développe plus rapidement en raison d'un facteur non identifié qui va à l'encontre de la gravité. Ce facteur a été baptisé "énergie noire". Contrairement à son nom, l'énergie noire n'est pas nécessairement liée à la matière noire, même si l'une et l'autre interagissent avec le spectre électromagnétique et ne peuvent donc pas être vues.

Alors que l'énergie noire éloigne les galaxies, la matière noire les rapproche. Nous savons aujourd'hui que l'univers est composé à 68 % d'énergie noire et à 27 % de matière noire. En outre, les cinq pour cent restants de l'univers ne sont constitués que de matière normale telle que nous la connaissons.

L'énergie noire

Le Big Bang a créé toute la matière et l'énergie de l'univers. Les galaxies ont été formées à partir de ces matériaux. Depuis le Big Bang, toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres en accélérant. Dans des conditions normales, le taux d'expansion ne devrait pas augmenter mais plutôt ralentir en raison de la gravité qui force les galaxies à revenir l'une vers l'autre et l'univers devrait rétrécir. C'est comme si une balle lancée en l'air était ralentie par la gravité, inversait sa direction et retombait sur la terre.

Les mesures montrent que le taux d'expansion de l'univers a en fait ralenti jusqu'à il y a environ 5 milliards d'années, puis a bizarrement commencé à augmenter ! La diminution initiale du taux d'expansion de l'univers peut être attribuée à l'effet de la gravité. Cependant, à mesure que l'univers s'étend, l'effet de la force de gravité diminue car les objets de l'univers s'éloignent les uns des autres.

L'existence de l'énergie noire a été suggérée pour expliquer cette étrange augmentation du taux d'expansion de l'univers. Contrairement à la gravité, l'effet de l'énergie noire ne diminue pas à mesure que l'univers s'étend. L'univers a donc un taux d'expansion croissant, car l'énergie sombre fait que l'univers accélère son expansion plus vite que la force de gravité ne peut le compacter.

L'énergie noire est un type d'énergie que l'on suppose être à l'origine de l'éloignement des galaxies et de l'expansion de l'Univers. Actuellement, même avec une technologie avancée, nous ne pouvons pas voir l'énergie noire. Nous ne comprenons toujours pas ce qu'elle est. Cependant, la majorité des astronomes acceptent l'existence de l'énergie noire car, bien qu'elle ne soit pas visible à l'œil nu, son effet sur les galaxies et le cosmos peut tout de même être observé !

Modèle d'univers en expansion

Fig. 3. Sur l'image, nous voyons quatre scénarios d'expansion de l'univers. Le temps s'écoule dans le sens ascendant et le carré jaune représente le présent. NASA/ESA

Les astronomes ont élaboré des simulations spéculatives de l'évolution future de l'univers avant même de comprendre l'énergie noire ou d'avoir une estimation fiable de la quantité de matière présente dans le cosmos. Il y avait quatre scénarios, comme le montre l'image ci-dessus. Dans les quatre cas, le carré jaune représente le présent, et dans chaque cas, la constante de Hubble est identique à sa valeur actuelle. La direction verticale est utilisée pour mesurer le temps. Le taux de croissance ralentit avec le temps dans les deux premiers univers de gauche, appelés univers de décélération.

Lorsque nous examinons le premier modèle décélérant, nous constatons que l'expansion finira par ralentir, s'arrêter et s'inverser pour finalement imploser. Selon le physicien John Wheeler, un big crunch signifie que la matière, l'énergie, l'espace et le temps seraient écrasés, ils auraient tous disparu. C'est le contraire du Big Bang, c'est une implosion. C'est le Big Crunch.

De plus, le modèle de l'univers en roue libre stipule que l'univers s'étend à un rythme constant qui est la constante de Hubble. Enfin, selon le modèle d'univers accéléré à l'extrême droite (pour lequel nous avons actuellement le plus de preuves), l'univers se développe rapidement aujourd'hui et le fera pour toujours.

L'analogie du ballon qui se gonfle

Pour mieux comprendre la théorie de l'univers en expansion, examinons l'analogie du ballon qui se gonfle !

Fig. 4. L'analogie du ballon gonflable est utile pour expliquer la théorie de l'univers en expansion. Cependant, elle n'est pas encore suffisante car il existe de nombreuses divergences dues à la nature de l'expansion du ballon. Pixabay

Grâce aux modèles cosmologiques actuels et aux observations minutieuses, nous savons que l'expansion de l'Univers s'accélère. Cela peut amener les gens à se demander dans quoi l'Univers se dilate. Car c'est ce qui est intuitif : si tu gonfles un ballon et que tu le dilates, il se dilate dans la pièce où il se trouve. Si l'univers se dilate lui aussi, il doit se dilater dans une pièce ou un espace qui le contient, n'est-ce pas ?

Imagine que des fourmis vivent sur un ballon. L'univers de ces fourmis est composé de 2 dimensions : Elles peuvent aller de l'avant vers l'arrière et de droite à gauche ; cependant, elles ne peuvent ni sortir ni entrer à la surface du ballon. Si tu gonfles le ballon en y insufflant de l'air, la distance entre les deux fourmis à la surface augmentera régulièrement. Si ces fourmis s'observaient mutuellement, elles remarqueraient qu'elles s'éloignent de plus en plus l'une de l'autre, et nous, en tant qu'observateurs extérieurs, pourrions observer et vérifier cette expansion.

Le point critique ici est que si les fourmis de la surface, à la suite d'une observation attentive, peuvent comprendre que leur univers (la surface du ballon) est en expansion et peuvent calculer correctement le taux de cette expansion, elles ne seraient pas facilement en mesure de comprendre pourquoi.(Bien sûr, cette analogie n'est pas parfaite, car un ballon reste techniquement un objet tridimensionnel qui s'étend dans un espace tridimensionnel, contrairement à l'univers en expansion). Ne t'inquiète pas si tout cela te semble un peu confus, car même les scientifiques les plus brillants ne comprennent pas vraiment la science de la cosmologie.

Effets de l'univers en expansion

• À mesure que l'Univers s'étend, les galaxies s'éloignent les unes des autres. Plus une étoile ou une galaxie se déplace rapidement par rapport à l'observateur, plus sa vitesse de recul est grande. Toutes les autres galaxies (à l'exception de quelques-unes qui sont suffisamment proches de la Voie lactée, où la force gravitationnelle est forte) s'éloignent de nous.
• Lorsque la chaleur et l'énergie sont réparties uniformément dans l'univers en raison de l'expansion, le "grand froid" ou le "grand gel" se produit. La température ultime et finale de l'univers sera à peine supérieure au zéro absolu, mais cela ne se produira pas avant des billions d'années.
• Si l'énergie noire accélère l'expansion de l'univers, la distance entre les amas de galaxies augmentera plus rapidement. Les anciens photons entrants (y compris les rayons gamma) seront étirés à des longueurs d'onde extrêmement longues et à de faibles énergies par décalage vers le rouge, ce qui serait impossible à détecter même par l'équipement le plus sensible.
• À mesure que l'univers s'étend, le nombre de galaxies capables de produire de nouvelles étoiles diminue. L'approvisionnement en gaz et en poussières nécessaires à la création d'étoiles deviendra trop étalé, ce qui entraînera une diminution de la formation d'étoiles au fil du temps. L'univers s'assombrira progressivement et inévitablement à mesure que les étoiles les plus anciennes finiront par mourir.