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03/08/2010
L’Expansion de l’Univers : 2. Se représenter un Univers en expansion
Parce que nos cerveaux ne sont pas armés pour se représenter un Univers qui se déforme, nous avons besoin d'artifices pour appréhender ce que ça signifie. Il faut donc procéder par analogies.
Un espace plissé
La relativité d'Einstein considère le temps comme une dimension à part entière. Ainsi cette théorie prend en compte les 3 dimensions de l'espace euclidien, (généralement X, Y et Z) auxquelles est ajoutée une quatrième, le temps. (généralement T)
Selon la seconde théorie de la relativité, la relativité générale, ces 4 dimensions peuvent être déformées par l'une des quatre grandes forces : la gravitation. Cela signifie que tout objet possédant une masse non nulle va produire une déformation de ces quatre dimensions. Comme il est très difficile de se représenter un espace tridimensionnel déformé, on se représente généralement la chose en utilisant des analogies bidimensionnelles. En effet, le cerveau parvient très bien à saisir ce que donnent 2 dimensions repliées dans une troisième, mais pas les 3 dimensions repliées dans une (hypothétique) quatrième. Par exemple, si on considère que la surface d'un étang est un espace bidimensionnel, (X et Y) et qu'on y jette un caillou, cela va perturber la surface de l'étang et produire des replis dans la troisième dimension. (Z)
Selon la gravitation générale donc, le tissu même de l'espace-temps est influencé par la gravitation. C'est un peu comme si l'espace-temps était une surface élastique, comme le filet d'un trampoline, et qu'on y plaçait des objets de masse diverse.
Ce qui change radicalement avec la théorie précédente de Newton, c'est qu'un objet dépourvu de masse, comme l'est le photon, la particule des ondes électromagnétiques, est également influencé par la gravitation, vu qu'il se déplace en ligne droite dans un espace recourbé. Il n'a donc plus besoin de masse pour être influencé par la gravitation. Cet effet étonnant a été confirmé par l'effet de lentille gravitationnelle, qui a été prévu théoriquement puis observé par la suite ! Si une galaxie se trouve sur le chemin emprunté par la lumière nous parvenant d'une autre galaxie beaucoup plus lointaine, cette dernière apparaîtra 2 fois, des 2 côtés de la galaxie plus proche !
On comprend facilement que plus on place un objet lourd et concentré dans le tissu de l'espace-temps, plus la déformation va être importante. A l'extrême, un objet très massif va produire une déformation si importante qu'il va s'effondrer sur lui-même et sa densité va devenir infinie, théoriquement en tout cas. On parle alors d'une singularité ou trou noir. Cet objet est si dense, qu'il va provoquer une plissure infinie de l'espace-temps. Dans notre analogie bidimensionnelle, cela revient à dire que la courbure de l'espace-temps est infinie. En son centre donc, l'espace et le temps cessent d'exister. C'est cela qui rend le trou noir singulier. C'est un objet réel, son influence sur son environnement est importante, pourtant il ne se trouve nulle part ! On se trouve en fait là aux limites des capacités de la théorie de la relativité générale. Pour décrire ce qui se passe au sein du trou noir, nous aurions besoin d'une nouvelle théorie, compatible avec la mécanique quantique, l'autre grande théorie physique.
Autre effet, qui justifie le nom de trou noir : on sait que la lumière suit la courbure de l'espace-temps. Si cette courbure devient infinie, la lumière ne peut ainsi pas s'échapper ! Et le trou noir apparaît bien noir, au-delà d'une limite qu'on appelle l'horizon des évènements. Celui-ci correspond à la distance de la singularité à laquelle la vitesse nécessaire pour échapper au trou noir excède la vitesse de la lumière.
Tout comme pour les lentilles gravitationnelles, ce qui est remarquable au sujet des trous noirs, c'est que leur existence a été prévue théoriquement avant d'être réellement observés. En fait pas tout à fait, jamais un trou noir n'a été directement observé, mais ce sont des sources importantes de rayons X, produites par les effets de la gravitation sur la matière aux abords de l'horizon des évènements qui ont pu être observées. Compte tenu qu'elles suivent parfaitement le modèle théorique du trou noir, cela laisse peu de place au doute.
Représentation bidimensionnelle de l'Univers
Si l'on regarde l'ensemble de l'Univers, il faut comprendre que la présence de la matière en son sein en fait un espace entièrement plissé. Il ne faut pas se l'imaginer comme un espace fini, mais comme un espace sans bord. Sinon bien sûr, il faudrait se demander ce qu'il y a au-delà, ce qui n'a aucun sens. Du moins si on ne prend en compte que 3 dimensions spatiales. Mais il est également possible (ce qui n'est pas sûr) qu'il ne s'agisse pas non plus d'un espace infini. On parle alors d'univers fini et sans bord. On peut faire plusieurs représentations bidimensionnelles, mais la plus simple serait celle d'un ballon.
Imaginons que nous soyons des êtres bidimensionnels se déplaçant à la surface d'un ballon. Nous pourrions nous déplacer sur la surface du ballon en avant, en arrière, à gauche ou à droite, mais jamais vers le haut ou le bas. Nous suivrions la surface de ce ballon, qui nous apparaîtrait comme une surface plane, sans nous apercevoir que cette surface est en réalité plissée. Si nous marchions droit devant nous suffisamment longtemps, nous aurions au bout d'un moment la désagréable surprise de nous retrouver au même point. Impossible donc d'atteindre le bord de notre Univers. Un peu comme le numéro six de la série, nous serions prisonniers de notre petit Univers sans pouvoir en trouver la sortie. La raison, c'est que notre Univers est une surface bidimensionnelle recourbée sur elle-même dans une troisième. Un Univers fini et sans bord.
Un Univers en expansion
Imaginons maintenant que sur la surface de ce ballon, on trouve des galaxies. Des galaxies ultraplates bien sûr, car elles sont bidimensionnelles. Si on gonflait le ballon, nous n'aurions pas la sensation que notre Univers est en train de s'étendre. Ce que nous verrions, c'est des galaxies qui s'éloignent de nous. Et plus nous regarderions loin, plus les galaxies s'éloigneraient vite. Donc nous tirerions la conclusions que toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres. Mais en réalité, les galaxies ne bougent pas. C'est l'espace entre elles qui s'étire...