UNIVERS
La structure, l'origine et l'évolution de l'Univers
Une caractéristique essentielle de l'Univers est qu'à cette échelle immense espace et temps ne sont pas séparés. Nous observons les objets éloignés tels qu'ils étaient au moment où la lumière que nous en recevons les a quittés : il y a donc une relation biunivoque entre la distance d'un objet et son âge (d'où l'intérêt d'exprimer les distances en années-lumière). Cette relation dépend évidemment de la position de l'observateur : un observateur situé dans une galaxie très éloignée ne verrait pas en général un même objet avec le même âge que nous l'observons. La forme de la relation entre la distance et l'âge exprime la métrique de l'Univers. La relativité générale prévoit que cette métrique n'est pas euclidienne, et que sa forme dépend de la masse spécifique de l'Univers (masse qui doit inclure, en plus de celle de la matière ordinaire et de la matière noire, toute forme d'énergie, en vertu de la relation E = mc2). Cette théorie prévoit également que l'Univers n'a aucune raison d'être statique, mais peut être en expansion ou en contraction. On sait que notre Univers est actuellement en expansion. Comme la métrique, et de façon d'ailleurs directement liée, la variation avec le temps de la vitesse d'expansion dépend de la masse et de l'énergie spécifique de l'Univers. Il semble que l'expansion s'accélère actuellement, ce qui nécessite l'existence d'une énergie répulsive de nature inconnue, que l'on nomme énergie noire ou aussi quintessence : il s'agit de l'équivalent physique d'une constante d'intégration arbitraire, la constante cosmologique, qui s'introduit lorsqu'on résout les équations différentielles qui régissent la structure et l'évolution de l'Univers.
Pour tenter de déterminer la métrique et l'évolution de l'Univers, on peut essayer d'observer la relation entre la luminosité d'une certaine classe d'objets, par exemple des quasars ou des galaxies, et leur décalage spectral. Il faut bien entendu supposer alors que ces quasars et galaxies ont des propriétés indépendantes de leur distance (ou, ce qui revient au même, de leur âge). En fait, il n'en est rien, et tous les essais de ce genre n'ont abouti qu'à montrer l'existence d'une évolution cosmique des quasars et des galaxies, un résultat très intéressant en soi, mais qui n'est pas celui qu'on recherchait.
Les seuls objets dont on peut à bon droit supposer que leurs propriétés sont partout les mêmes sont les supernovae de type Ia : c'est en observant l'éclat de ces objets (au maximum de leur luminosité) en fonction de leur décalage spectral, ou, plus précisément, du décalage spectral des galaxies auxquelles ils appartiennent, que l'on a pu constater que l'expansion de l'Univers s'accélère depuis environ 7 milliards d'années.
Fluctuations du fond diffus cosmologique
COBE/ NASA
Il existe d'autres méthodes plus physiques pour déterminer les paramètres qui conditionnent l'évolution de l'Univers, ou qui sont sensibles à cette évolution. De nombreux travaux ont, par exemple, essayé de déterminer la masse spécifique actuelle des différents types de matière dans l'Univers. On peut, par exemple, mesurer l'abondance de certains isotopes (deutérium 2H, hélium 3He et 4He, lithium 7Li) que l'on sait avoir été produits lors des premières étapes de l'Univers : cette abondance dépend des conditions physiques qui régnaient alors, donc notamment de la masse spécifique de la matière « ordinaire », dite baryonique. En combinant ces mesures avec l'intensité du rayonnement fossile de l'Univers, découvert en 1965 par Arno A. Penzias et Robert W. Wilson en ondes radio et très[...]
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Écrit par
- Jean AUDOUZE : directeur de recherche émérite CNRS, Institut d'astrophysique de Paris
- James LEQUEUX : astronome émérite à l'Observatoire de Paris
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Encyclopædia Universalis France
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VMGROUP
Friedrich Wilhelm Bessel
Bettman/ Getty Images
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