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02/08/2010
L’Expansion de l’Univers : 1. La théorie
Je débute une petite série de billets qui, je l'espère expliquera bien pourquoi l'Univers ne peut qu'être en expansion. J'ai constaté que certains comparent cette théorie avec le créationnisme, car qui dit expansion dit création. Or il existe une différence fondamentale entre la théorie de l'Expansion de l'Univers et le créationnisme : l'Expansion de l'Univers ne cherche pas à exploiter les inconnues de la science classique. Elle ne cherche pas non plus à expliquer la création par l'œuvre d'une force consciente. Elle ne traite d'ailleurs pas de la création elle-même, mais de tout ce qui se passe ensuite. C'est une théorie scientifique basées sur des arguments physiques irréfutables. Et il n'y a plus aujourd'hui de doute au sein de la communauté de l'astrophysique. Ca fait donc un moment que je projette de me lancer dans cette série, je me décide aujourd'hui.
En 1929, Edwin Hubble a édicté sa théorie de l'Expansion de l'Univers, en se basant sur le décalage vers le rouge de la lumière émise par les objets les plus lointains. Il a ainsi expliqué par l'effet Doppler ce décalage de couleur. Ce qui en découle, c'est que si toute la matière s'éloigne inexorablement, à un moment donné dans le passé, toute la matière de l'Univers se trouvait en un seul endroit. Cette conclusion a rebuté pas mal de scientifiques, à commencer par Albert Einstein, qui voyaient jusque-là en l'Univers un espace infini et éternel. Mais ce qui est éternel ne peut avoir de commencement, ni de fin. Il n'y a pas de début ni de fin à l'éternité. Leur conception de l'Univers se voyait donc toute chamboulée. C'est d'ailleurs Einstein qui a émis une hypothèse concurrente, dite de la « lumière fatiguée ». Il a toutefois convenu plus tard que cette théorie était pour le moins tirée par les cheveux et s'est alors rangé à l'avis de la majorité.
Le spectre électromagnétique
Il faut savoir que la lumière et les autres ondes électromagnétiques sont composées de particules dénommées photons, vibrant à différentes fréquences, correspondant à l'énergie qu'elles ont emmagasiné. Plus un photon a un niveau d'énergie élevé, plus il vibre vite. Et donc sa fréquence augmente. Ainsi, les ondes connues les plus énergétiques, telles que les rayons X ou les rayons gamma, sont émises par les réactions nucléaires ou d'autres phénomènes très énergétiques. C'est ce niveau d'énergie qui les rend bien sûr très dangereuses. A l'autre extrémité, on trouve les ondes radio, dont le niveau d'énergie est très faible. Au milieu il y a les micro-ondes, (celles de nos fours) les infrarouges (que nous percevons comme de la chaleur), la lumière visible et les ultra-violets. (plus énergétiques que la lumière visible, ce qui les rend dangereux en cas de forte exposition au Soleil par exemple)
Dans le spectre visible, les fréquences les plus élevées correspondent aux couleurs violettes et bleues, alors que les moins élevées correspondent au rouge et à l'orange. Un décalage de la lumière reçue vers le rouge (et donc une diminution de la fréquence de vibration des photons) peut donc s'expliquer de deux manières : une perte d'énergie des photons par un processus inconnu ou par l'effet Doppler.
L'effet DopplerCet effet ne concerne pas seulement la lumière mais toute forme d'onde émise autour d'une source en mouvement. C'est donc aussi le cas du son. Quand une source d'onde s'éloigne, la vitesse de la source s'additionne à celle de l'onde émise et l'observateur fixe a l'impression que sa fréquence est plus basse. De même, lorsqu'elle s'approche, l'observateur fixe a l'impression que sa fréquence est plus élevée. Il est très simple d'expérimenter l'effet Doppler. Il suffit pour cela de se tenir au bord d'une route et d'écouter le son des voitures qui s'approchent puis s'éloignent. Avant de nous dépasser, le son qu'elles émettent est plus aigu, (fréquence plus élevée) ensuite il est plus grave. (fréquence plus basse)
A l'extrême, lorsque la source sonore atteint la même vitesse que l'onde, la compression de l'onde devient si élevée que cela produit un bang. Il s'agit du fameux « mur du son ».
Pour ce qui est de la lumière, c'est donc pareil. La lumière émise par un objet qui approche a une fréquence plus élevée. Lorsqu'il s'éloigne, la fréquence de la lumière émise est plus basse. En terme de perception de notre œil, cela se traduit par un décalage de couleur vers le bleu (fréquence plus haute) ou vers le rouge. (fréquence plus basse) Si on reprend l'exemple de la voiture, pour autant qu'elle soit de couleur blanche, si sa vitesse était suffisante, elle apparaîtrait bleue lorsqu'elle approcherait et rouge lorsqu'elle s'éloignerait ! Mais pour ça, il faudrait que sa vitesse corresponde à une fraction importante de la vitesse de la lumière, soit plusieurs dizaines de milliers de kilomètres à la seconde...
Cet effet appliqué aux ondes électromagnétiques n'a rien d'une théorie. Il est même quotidiennement exploité par les radars routiers qui mesurent la vitesse des véhicules en comparant la fréquence d'une onde réfléchie contre ceux-ci à la fréquence de l'onde source.
Dans le cas des galaxies, il semble que plus elles sont lointaines, plus la lumière qui nous en parvient est décalée vers le rouge. Hubble a donc émis la théorie que ces galaxies s'éloignaient de nous. Mieux, plus elles sont loin, plus elles s'éloignent vite. Cela signifie finalement que tous les objets de l'Univers s'éloignent les uns des autres. (c'est en réalité un peu plus compliqué que ça puisque c'est l'espace entre les objets qui s'agrandit...) Donc en revenant en arrière dans le temps, on comprend vite que ces objets se rapprochent les uns des autres. Et que si on remonte suffisamment loin, on trouve un moment dans le passé où toute cette matière se trouvait en un seul point.
Or en astrophysique, une énorme quantité de matière réunie en un seul point, ça s'appelle une singularité. Un trou noir en somme. Et donc, si on fait reprendre le cours normal du temps, on comprend que c'est bien l'explosion d'un trou noir gigantesque qui serait à l'origine de tout l'Univers connu. Le big bang correspond à la création de l'Univers. En tout cas, si on se base sur l'effet Doppler, on ne peut pas expliquer autrement le décalage vers le rouge.
La « lumière fatiguée »
Mais Albert Einstein n'aimait pas l'idée d'un Univers en expansion. Pour lui l'Univers a toujours existé et existera toujours. Il a donc émis une hypothèse concurrente, celle de la lumière fatiguée. Il pensait que, par un processus inconnu, les photons pouvaient perdre une partie de leur énergie lorsqu'ils parcouraient de très grandes distances. Ainsi leur fréquence diminuait. Et leur couleur se décalait vers le rouge. Cette hypothèse est assez sensée, même s'il manque une partie de l'explication. Car finalement, la science n'a pas toujours réussi à tout expliquer. Un tel phénomène pourrait très bien exister. Et ainsi, il n'y aurait plus de mouvement global. La lumière se décale vers le rouge parce qu'elle perd de l'énergie.
Mais la théorie d'un Univers statique et immuable se heurtait à un autre écueil. Selon sa théorie de la relativité générale, extension de la gravité de Newton, tout objet possédant une masse provoque une plissure du « tissu » de l'espace-temps. Et tout objet sous l'influence d'une plissure sera attiré vers la source de cette plissure. Ainsi de part sa propre masse, sans aucune autre force pour compenser, l'Univers doit obligatoirement se contracter, la matière attirant la matière ! Et si l'Univers était éternel, cela signifierait qu'il aurait terminé de se contracter depuis un temps infini. Et qu'il se serait transformé en une singularité. On n'en ressort pas...
Pour éviter cet écueil, Einstein a tenté d'apporter une modification dans sa théorie, introduisant une « constante cosmologique » ayant très peu d'effets à peu de distance, mais contrebalançant totalement l'effet de la gravitation beaucoup plus faible à longue distance. Mais comme il ne parvenait pas à expliquer d'où sortait cette constante, il a fini par se ranger à l'opinion majoritaire et accepter l'idée que l'Univers puisse être en expansion. C'était en tout cas le seul moyen d'expliquer que l'Univers n'était pas en contraction.