La naissance de la cosmologie

À la suite de la publication de la théorie d’Einstein, de nombreux scientifiques essaient de l’appliquer à différentes situations physiques.

Parmi celles-ci, une situation extrême : puisque la relativité générale est la théorie à utiliser pour les corps les plus massifs, pourquoi ne pas l’appliquer au plus massif de tous : l’Univers tout entier ? Les premières tentatives de ce genre sont l’oeuvre du chanoine belge georges lemaître. en utilisant quelques hypothèses simplificatrices, ce dernier applique la théorie d'Einstein et aboutit à une conclusion a priori choquante : d’après les équations, l’Univers pourrait être en expansion du fait de la dilatation de l’espace-temps !

Image ContenuVue du téléscope Hubble © NASA

Quand Albert Einstein comprend ce résultat, il le juge impossible : pour lui, l’Univers ne peut être que statique. Il en est si convaincu qu’il modifie artificiellement ses équations pour obtenir une théorie qui soit compatible avec un Univers statique. Et pourtant la suite donnera raison à Georges Lemaître… En effet, en 1929, l’astronome américain Edwin Hubble montre que l’Univers est bel et bien en expansion. Pour cela, il observe les galaxies les plus proches de la nôtre avec un télescope. Mais comme il est impossible de visualiser directement leur mouvement, Hubble a recours à une mesure bien particulière : l’effet Doppler de la lumière qu’elles émettent. L’effet Doppler, c’est ce phénomène que tous les enfants remarquent au passage d’une voiture de pompiers : quand la voiture s’approche, le son de la sirène nous paraît plus aigu et, quand elle s’éloigne de nous, il semble plus grave. La lumière étant une onde, tout comme le son, elle est sujette à un phénomène analogue : une galaxie qui s’éloigne émet une lumière qui nous paraît plus rouge, une galaxie qui s’approche émet une lumière qui semble plus bleue.

En observant la lumière émise par quarante-six galaxies, Hubble constate alors de manière surprenante qu’elles sont quasiment toutes « plus rouges ». C'est-à-dire que, d’après l’effet Doppler, elles s’éloignent toutes de nous ! Si les galaxies (y compris la nôtre) étaient juste en mouvement quelconque les unes par rapport aux autres, comme des enfants dans une cour d’école, il devrait y en avoir une partie qui s’éloigne de nous et une partie qui s’approche. Mais si elles s’éloignent toutes, c’est qu’il se passe une chose différente : c’est l’ensemble de l’Univers qui est en expansion. Pour bien se représenter ce phénomène, il est utile de retourner à l’image du drap. Les galaxies sont comme des objets que l’on aurait dispersés sur le drap. Si l’on imagine que le drap est élastique et qu’on tire dessus depuis tous ses coins, vous constaterez que tous les points s’éloignent les uns des autres : un espace-temps qui se dilate produit bien un effet d’éloignement de toutes les galaxies les unes par rapport aux autres.

Image Contenuen observant les galaxies les plus proches de la nôtre, hubble constate que qu'elles émettent toutes une lumière plus rouge qu'attendue, signe qu'elles s'éloignent toutes les unes des autres © D.R

À ce stade de l’analogie, on peut être troublé par un fait : le drap a des bords sur lesquels on peut tirer, mais qu’en est-il de l’Univers ? On touche en effet ici les limites de l’image du drap, et un traitement plus rigoureux suppose de se plonger dans le formalisme détaillé de la théorie d'Einstein. Cependant, une autre image peut vous aider à visualiser les choses. Prenez un ballon de baudruche et gonflez-le à moitié. Maintenant, à l’aide d’un feutre, dessinez des petites galaxies sur sa surface. Une fois que c’est fait, soufflez dans le ballon pour le faire gonfler complètement : au cours de ce processus, la surface du ballon se dilate, les galaxies s’éloignent les unes des autres !

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l'éléphant est une nouvelle revue de culture générale qui paraît tous les trimestres. Elle traite à la fois de sujets de culture générale « classique » (sans lien avec une actualité) et de thèmes qui font écho à un événement contemporain.

Publié le - Mis à jour le 15-02-2016

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