COSMOLOGIE
Univers relativiste
Reconnaître l'expansion de l'Univers constituait un pas conceptuel de taille. Il fallait en effet admettre de concevoir une géométrie munie d'une évolution propre, une notion tout à fait contradictoire avec l'idée d'espace absolu et rigide que la physique newtonienne considérait, et que seule permettait d'appréhender la théorie de la relativité générale. Mais l'impact de cette théorie, ainsi que celui de la relativité restreinte, dépassait la simple introduction de la notion d'expansion, dont certains aspects peuvent à la rigueur être interprétés dans un cadre newtonien. Ces théories modifient les notions de temps et d'espace, les dépouillant de leur caractère d'absolu et d'indépendance, imposent d'abandonner les notions d'espace et de temps séparés et de les remplacer par celle d' espace-temps. Un espace-temps qui, de plus, doit être muni d'une structure géométrique complexe. Il n'y avait aucun doute que c'est dans un tel cadre que devait être décrite la cosmologie.
La relativité restreinte
C'est à Einstein que nous devons les deux théories de la relativité. L'énoncé essentiel de la relativité restreinte concerne la vitesse de la lumière, postulée constante dans le vide, quel que soit l'état de mouvement de la source ou de l'observateur. Ainsi, nul objet que nous observons ne nous est contemporain : la lumière met 8 minutes environ pour nous parvenir du Soleil, plusieurs années d'une étoile plus éloignée, plusieurs milliards d'années d'une galaxie lointaine. Par conséquent, l'astronome qui regarde loin dans l'Univers regarde aussi loin dans le passé et observe des « tranches d'Univers » d'autant plus anciennes qu'elles sont éloignées : une galaxie lointaine est observée très jeune, surprise peu après sa naissance, telle qu'elle était il y a quelques milliards d'années ; une autre, au contraire, plus proche, nous apparaît après avoir évolué pendant plusieurs milliards d'années. Nul doute que ces deux objets sont différents, autant que peuvent être différents un vieillard et un nourrisson. Deux effets se mélangent donc dans l'observation des galaxies lointaines : l'évolution propre de ces objets – qui nous fait observer les galaxies lointaines encore au berceau – et l'évolution cosmologique – les galaxies proches se situent dans l'espace « ancien », les galaxies lointaines dans l'espace « récent ». Une distinction qui s'impose dès que l'on admet que l'espace puisse évoluer. Il nous faudra donc parler non plus de points de l'espace mais d'événements de l'espace-temps : une galaxie là-bas et autrefois ; une autre ici et maintenant. C'est encore une raison pour laquelle, en cosmologie, plutôt que de caractériser un objet observé par sa distance spatiale ou par sa distance temporelle (le temps mis par la lumière pour nous parvenir), il est beaucoup plus satisfaisant d'utiliser le décalage spectral z, grandeur « mixte » idéale pour les cosmologues.
L'Univers de la relativité générale
La relativité générale joue un rôle encore plus fondamental que la relativité restreinte, car elle permet de concevoir une géométrie propre de l'Univers. Dans la physique non relativiste, la géométrie est très simple (elle est dite euclidienne : c'est celle que nous apprenons à l'école, où les parallèles existent et ne se rencontrent jamais, où l'on ne revient jamais à son point de départ en allant toujours tout droit, etc.) et l'Univers ne peut qu'être muni de cette géométrie ordinaire qui, unique, ne saurait évoluer au cours du temps. Le discours sur l'Univers est alors rapidement limité, faute d'objet. Au contraire, la relativité générale offre une riche diversité de géométries possibles, dont[...]
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Écrit par
- Marc LACHIÈZE-REY : ancien élève de l'École nationale supérieure de la rue d'Ulm, docteur en physique, directeur de recherche émérite au CNRS
Classification
Médias
Structure de l'Univers
Encyclopædia Universalis France
Edwin Powell Hubble
The Observatories of the Carnegie Institution of Washington
Évolution de l'Univers pour les trois courbures de l'espace-temps possibles
Encyclopædia Universalis France
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