L'UNIVERS EST-IL EN EXPANSION ?
Éléments permettant une approche de la question
La science moderne admet quasi communément que l'univers est en expansion. Le père de la théorie expansionniste fut Hubble: par les observations, il constata que les galaxies fuyaient de la nôtre dans une même direction (à l'exception de quelques unes, qui se rapprochent). Cela voulait dire, en d'autres termes, qu'à un moment donné dans le passé, celle-ci avaient été au même endroit de l'espace! Ainsi naquit l'idée d'un Big Bag, singularité de température infinie et de densité infinie (donc de courbure spatio-temporelle infinie).
Mais comment cette fuite des galaxies fut-elle mise en évidence?
C'est en constatant que la lumière émise des galaxies présentait un décalage vers le rouge que Hubble en eu l'intuition.
De là Hubble établit une constante reliant le décalage
vers le rouge à la vitesse des galaxies, et obtint 25 km/s. Cette vitesse
variait en fonction de l'éloignement des galaxies: plus celles-ci étaient
lointaines, et plus elles allaient vite. Cela expliquait finalement pourquoi
longtemps la Voie Lactée s'éait crue au centre de l'Univers: toutes
les galaxies ont cette impression! Le jeu des vitesses fait qu'il n'existe aucun
référentiel.
On donne souvent l'analogie d'un ballon gonflable, sur lequel des point seraient éparpillés. Quand on gonfle le ballon, les points s'éloignent les uns des autres. Pour un point A, tous les autres points s'éloignent. Pour d'autres points, B,C,D, c'est la même chose, et que l'on se mette au point de vue de chacun des points, l'illusion est totale: on se croit immobile. L'Univers semble donc n'admettre aucune centre, aucun référentiel absolu, et les observations de Hubble semblaient bien étayer la thèse d'un Univers en expansion, ce que Einstein corrobora par la suite.
Hubble formula même cette équivalence:
v = H.r
Où: v est la vitesse de fuite d'un point quelconque de l'Univers par rapport à un autre (km/s), H le paramètre de Hubble (= 15 - 30 km/s Ma.l –1). L'inverse de ce paramètre donnerait en principe l'âge de l'univers, sans tenir compte de la soit-disante décélération de l'expansion. On donne couramment l'âge de l'univers de la sorte:
Âge a 1 / H { 10 milliards d'années pour H = 30 km.s-1/ 106 a.l, et 20 milliards d'années pour H = 15 km.s / 106 a.l
L'incertitude quant à cette approximation était d'un facteur 2. De plus récentes découvertes (télescope spatial Hubble!) évalue l'âge de l'univers à 8 milliards d'années.
Par définition, une décélération est le ralentissement de la vitesse par le temps. On donne:
q a D v / D t
Il est tout aussi intéressant de relier la vitesse et le changement de distance: (par unité de temps):
v = D r / D v = r°
On utilise les dérivées pour mesurer les effets de la formule, ce qui donne:
q a D r° / D t = ¨r
La formule exacte de Friedman est q = - ¨r.r / r° ² .
Si: q < ½, l'univers est ouvert (expansion éternelle), si q= ½, l'univers est plat (l'expansion va s'arrêter d'ici un temps infini, autrement dit jamais), et si q>1/2, l'univers est fermé (il s'effondrera dans ce qu'on appelle le Big Crunch). De ces formules on peut tirer la densité moyenne de l'univers (matière visible et invisible). Le paramètre cosmologique reliant la densité à la décélération q mondre qu'en fait la gravité, au-delà d'une densité critique de l'univers, pourrait freiner l'expansion de l'univers, et même la stopper:
d (critique) = 3 H² / 8p G
Où: G est le nombre qui dicte l'intensité de la force de gravité, H = 15 km.s.-1Ma.l-1.
D (critique) = 3 atomes d'hydrogènes par m3, ou 4.5.10-30g.cm-3 ( ou d critique = 1.8.10-29m-3 si H = 30 km.s.-1Ma.l-1.)
Si d> d critique: univers fermé, d= dc, expansion de l'univers infinie dans le temps, et si d <dc, univers fermé.
Jusqu'à preuve du contraire, on admet un univers ouvert et en expansion éternelle, mais des détails sont gênants, voire contradictoires:
1/ Pourquoi l'univers primitif fut-il si chaud? En effet, le Big Bang suggère un univers primitif né d'une singularité extrêmement chaude où une seule et unique force aurait contrôlé toutes les lois et aurait permis l'émergence de particules virtuelles à taux plus grand que le taux d'anihilation (période inflationnaire:10 –35s - 10. -32s). Mais pour quoi des températures aussi grandes? (seule la GUT, non encore formulée, permettrait de sonder les lois de la physiques dans de telles conditions).
2/ Pourquoi l'univers est-il si uniforme à grande échelle? Pourquoi la température du rayonnement centimétrique du fond du ciel est-elle si constante dans toutes les directions? En effet, la matière aurait émergé des variations de densités dans la singularité « primitive », alors pourquoi, de nos jours, est-elle aussi stable?
3/ Pourquoi l'univers a-t-il démarré avec un taux d'expansion aussi proche de la valeur critique qui sépare les modèles annonçant sa recontration de ceux qui le dilantent à jamais, de telle façon que même maintenant, dix milliards d'années plus tard, il se dilate encore avec un taux voisin de la valeur critique? En effet, si le taux d'expansion avait été plus petit, ne serait-ce que d'un pour cent million de milliards, l'univers se serait recontracté avant d'avoir la taille présente! Même en prenant pour base l'assertion que l'expansion de l'univers est réelle, se pose alors la question d'une densité dangereusement pproche de la valeur critique.
4/ en dépit du fait que l'univers est si uniforme et homogène à grande échelle, il contient quelques irrégularités locales, comme les étoiles et les galaxies. On pense qu'elles se sont constituées à partir de petites différences de densité de l'univers primitif d'une région à l'autre. Quelle est donc l'origine de ces fluctuations?
Toutes ces questions n'ont actuellement aucune réponse (Si vous avez une réponse, cliquez ici et expliquez-moi), et force est de reconnaître qu'une seule théorie serait capable de répondre à ce genre d'interrogation: la Gravitation Quantique, ou l'unification de la physique.
Or, ont sait déjà ce que cette théorie, que l'on tente d'établir, devrait prédire:
a) Une explication de l'univers primitif, de l'état d'un de ses instants: dans son origine et dans son destin.
b) Une désintégration du proton. Il y a une chance sur 1031. L'univers n'est pas assez âgé pour avancer de preuves observationnelles. (cf Antimatière: la désintégration d'un proton serait une transgression de la loi de conservation du nombre baryonique, nécessaire à la brisure de symétrie)
c) L'unification de l'énergie électromagnétique aux interactions fortes, faibles et électronucléaire. Un résultat encourageant a déjà été obtenu: l'énergie d'unification électrofaible, au-delà de 100GeV, supprime la distinction entre la force électomagnétique et l'ionteraction faible; mais un grand pas reste à faire: l'énergie de la GUT est de l'ordre du milliard de millions de GeV! La gnération actuelle d'accélérateurs de particules est de quelques centaines de GeV. La prochaine jouera avec les milliers, mais les efforts sont à poursuivre.
d) La transformation par prise d'énergie d'un quark en anti e- ( une chance sur 10 e30!).
Toutes ces conditions constituent désormais des preuves que l'observation ne permettra pas d'ici longtemps. On peut distinguer trois possibilités concernant la Gravitation Quantique:
1 - Il y a effectivement une théorie complètement unifiée, que nous découvrirons un jour si nous nous montrons assez malins.
2 - Il n'y a pas de théorie ultime de l'univers, juste une suite infinie de théorie qui décrivent l'univers plus ou moins précisément.
3 - Il n'y a pas de théorie de l'univers; les événements ne peuvent être prédits au-delà d'un certain point et arrivent au hasard et de manière arbitraire (viennent, en fait, les limites du principes d'incertitude où la science moderne s'est satisfaite d'un voeu formuler un ensemble de lois capables de pr&dire les événements jusqu'à ce stade).
Bibliographie:
La mélodie secrète, de Trinh Xuan Thuan
Les trous noirs, Jean-Pierre Luminet
Une brève histoire du temps, de Stephen Hawking.
