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COSMOLOGIE

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L'expansion de l'Univers

L'Univers constitue un cadre dans lequel évoluent les objets astronomiques tels que galaxies et quasars. En première approximation, ces objets sont à peu près immobiles par rapport à ce cadre, mais le cadre lui-même n'est ni rigide, ni statique : il est en expansion, et cette expansion entraîne tous les objets. Puisque ce cadre n'est pas matériel – il s'agitd'un support géométrique –, il nous est impossible d'enregistrer directement son évolution : les galaxies en sont les meilleurs révélateurs et l'expansion de l'Univers, première propriété cosmologique, est donc un fait observationnel. Reconnaître que cette expansion n'était pas une des propriétés individuelles des galaxies mais une propriété du support géométrique cosmique, ce fut la base de la cosmologie du xxe siècle.

Le décalage vers le rouge

Edwin Powell Hubble - crédits : The Observatories of the Carnegie Institution of Washington

Edwin Powell Hubble

The Observatories of the Carnegie Institution of Washington

Comment se manifeste cette expansion ? Les techniques d'observation nous permettent de mesurer la vitesse d'une galaxie par rapport à nous, ou du moins la composante radiale de cette vitesse, c'est-à-dire l'éloignement (éventuellement le rapprochement) dans la direction nous joignant à cette galaxie. En effet, les lois de propagation des ondes énoncent qu'un rayonnement (en astronomie, il s'agit le plus souvent de lumière visible ou d'ondes radio) est reçu avec une fréquence différente de sa fréquence d'émission si la source est en mouvement (effet Doppler-Fizeau). Or ce que nous connaissons des processus d'émission du rayonnement dans les galaxies nous permet d'affirmer que telle ou telle composante du rayonnement (une raie spectrale, en général) est émise à une fréquence bien définie, fémission, alors que les analyses spectroscopiques nous permettent de mesurer la fréquence reçue, fréception, différente, de ce même rayonnement. Le décalage spectral z = (fémission/fréception) — 1 est une mesure de la vitesse radiale v selon la formule :

qui se réduit à z = v/c pour des vitesses faibles devant c (vitesse de la lumière). En particulier, le signe de z indique si la galaxie s'éloigne ou se rapproche de nous. Le mérite revient aux astronomes américains Vesto Melvin Slipher et Edwin Powell Hubble d'avoir compris les premiers, dans les premières décennies du xxe siècle, que la quasi-totalité des galaxies s'éloignaient de nous : en dehors de nos extrêmes voisines, aucune ne se rapproche. Bien plus, il apparut rapidement que leur vitesse d'éloignement était d'autant plus grande qu'elles étaient éloignées. Ce qui s'énonce, en première approximation, par la loi de Hubble : v = H . D, où v et D sont respectivement la vitesse d'éloignement et la distance de la galaxie ; H, appelé paramètre de Hubble, mesure donc le taux d'expansion de l'Univers. Comme nous le verrons plus loin, la détermination de H est délicate et fait depuis longtemps l'objet d'une vive controverse entre les astronomes. Ils s'accordent cependant à placer sa valeur entre deux limites : 50 et 100 kilomètres par seconde et par mégaparsec. Malheureusement, cette incertitude pèse sur toute la cosmologie, et notamment sur les estimations des distances des objets célestes. Parler de distance en cosmologie implique généralement d'avoir fait le choix d'une valeur de H. Pour des raisons de commodité, les distances mentionnées dans cet article seront fondées sur la valeur H = 100 kilomètres par seconde et par mégaparsec (des mesures effectuées dans les années 1990 semblent converger vers une valeur voisine de 70 kilomètres par seconde et par mégaparsec, mais cela reste néanmoins à confirmer).

Le décalage vers le rouge en cosmologie

La loi de Hubble relie donc la vitesse d'éloignement d'une galaxie à sa distance par l'intermédiaire du paramètre[...]

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Écrit par

  • : ancien élève de l'École nationale supérieure de la rue d'Ulm, docteur en physique, directeur de recherche émérite au CNRS

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Structure de l'Univers - crédits : Encyclopædia Universalis France

Structure de l'Univers

Encyclopædia Universalis France

Edwin Powell Hubble - crédits : The Observatories of the Carnegie Institution of Washington

Edwin Powell Hubble

The Observatories of the Carnegie Institution of Washington

Évolution de l'Univers pour les trois courbures de l'espace-temps possibles - crédits : Encyclopædia Universalis France

Évolution de l'Univers pour les trois courbures de l'espace-temps possibles

Encyclopædia Universalis France

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Autres références

  • UNIVERS

    • Écrit par et
    • 6 652 mots
    • 18 médias

    Il peut paraître illusoire, inutile ou présomptueux d'oser consacrer quelques lignes à l'Univers dans son ensemble. Nous sommes écrasés par son immensité et sa diversité. Néanmoins, l'intelligence de l'homme l'a conduit à inventer un très grand nombre de techniques qui lui permettent d'appréhender...

  • ÂGE DE LA TERRE

    • Écrit par
    • 5 145 mots
    • 5 médias
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    Que la Terre et même l’Univers aient un âge est de nos jours une évidence. Le fait que ces âges se comptent par milliards d’années est lui-même couramment connu : 4,55 pour la Terre et sans doute environ trois fois plus pour l’Univers, comme l’ont respectivement établi les géochimistes au milieu du...

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    L' anthropocentrisme a connu un tournant décisif à l'époque de la Renaissance. Jusqu'à Copernic (1473-1543), les « systèmes du monde » étaient explicitement centrés sur la Terre. Qu'elle fût considérée comme « centrale » ou comme « inférieure », la position occupée par l'homme possédait un caractère...

  • ANTIMATIÈRE

    • Écrit par et
    • 6 934 mots
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    Emilio Segrè - crédits : Keystone/ Getty Images
    ...exister. Le problème est de savoir s'il y a réellement de l'antimatière en abondance dans l'Univers. Les interrogations à ce sujet viennent en fait de la cosmologie, qui est la science qui spécule sur la naissance et l'évolution du monde. Les modèles de cosmologie ont en commun une explosion initiale, le...

  • ASTRONOMIE

    • Écrit par
    • 11 343 mots
    • 20 médias
    Télescope spatial Hubble - crédits : VMGROUP
    ...établit aussi, en même temps que l e Belge Georges Lemaître (1894-1966), la relation entre le décalage vers le rouge de la lumière des galaxies et leur distance, qu'ils attribuèrent à une expansion générale de l'Univers. Ainsi naissait véritablement la cosmologie observationnelle.
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Voir aussi

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