Depuis que l'on connaît l'existence du Big Bang, on sait que l'univers est en expan­sion. En quoi les trois scien­ti­fiques qui ont reçu le Nobel sont-ils allés plus loin ?

La décou­verte de l'expansion de l'univers date des années 1920, ce qui a amené à établir le modèle du Big Bang, qui fixe l'âge de l'Univers à 13 mil­liards et demi d'années. L'astronome amé­ri­cain Edwin Hubble a observé au téles­cope dans des galaxies voi­sines des étoiles géantes, plus grandes que le soleil, appe­lées "céphéides". Depuis peu, on sait que leur rapi­dité de pul­sa­tion est liée à leur lumi­no­sité abso­lue, ce qui per­met d'en tirer une indi­ca­tion sur leur dis­tance. A par­tir de là, il a pu mon­trer que les galaxies s'éloignent de nous d'autant plus rapi­de­ment qu'elles sont plus loin­taines. Cette obser­va­tion sur­pre­nante, indi­quant que l'Univers est en expan­sion, a induit un siècle de déve­lop­pe­ments ful­gu­rants qui ont per­mis d'établir le modèle du Big Bang. Dans ce modèle, on peut s'attendre à ce qu'avec le temps, pro­gres­si­ve­ment, la gra­vité ralen­tisse l'expansion. Mais depuis une quin­zaine d'années, cette vision des choses a été mise en cause grâce à un fais­ceau d'indications indi­rectes. Et les tra­vaux des équipes diri­gées par les trois lau­réats du Nobel ont démon­tré au cours de la der­nière décen­nie, en obser­vant des super­no­vae — des étoiles qui, lorsqu'elles explosent, deviennent extrê­me­ment lumi­neuses — qu'il n'y a pas ce ralen­tis­se­ment attendu de l'expansion mais au contraire une accé­lé­ra­tion, tout au moins au cours des der­niers mil­liards d'années.

Comment ont-ils procédé ?

Ils ont appré­hendé l'histoire de l'expansion de l'Univers, avec un spec­tro­mètre, l'outil de base de l'astronome. Quand on observe une étoile, on peut dis­per­ser sa lumière dans un prisme. Plus le spectre de l'objet se décale vers le rouge et plus l'Univers s'est gon­flé depuis le moment où il a émis sa lumière, et donc plus l'expansion a été impor­tante. C'est un peu comme l'effet "Doppler" pour le son : plus la sirène d'un véhi­cule s'éloigne, et plus le son paraît grave. De manière ana­logue, le rou­gis­se­ment témoigne de la rapi­dité de l'éloignement des objets dont on observe le spectre. Ensuite, pour évaluer la dis­tance de l'objet, on peut uti­li­ser le fait que la lumi­no­sité d'un objet est d'autant plus faible qu'il est éloi­gné. Mais com­ment dis­tin­guer des objets proches de lumi­no­sité faible d'objets plus lumi­neux et plus loin­tains ? Il faut connaître la lumi­no­sité de l'objet, ou trou­ver un moyen de sélec­tion­ner des objets de même lumi­no­sité. Pour cela, les astro­nomes prennent comme réfé­rence des "chan­delles stan­dards". Pour Hubble, il s'agissait des céphéides. Pour les tra­vaux du Nobel, il s'agit des super­no­vae de type "1a", qui sont des étoiles qui explosent. La varia­tion de leur lumi­no­sité au cours de l'explosion est tout à fait carac­té­ris­tique, elle peut être uti­li­sée pour choi­sir des objets de même lumi­no­sité et dont l'éclat appa­rent (mesuré) peut donc être uti­lisé comme indi­ca­tion de leur dis­tance. La confron­ta­tion de ces doubles indi­ca­tions, de dis­tance et de rapi­dité d'éloignement, pour un grand nombre d'objets à des dis­tances variées, per­met alors de déter­mi­ner l'histoire de l'expansion. La sur­prise fut de trou­ver que l'expansion de l'Univers a accé­léré au lieu de ralen­tir, tout au moins au cours de la période récente.

A-t-on une idée du "moteur" de cette accélération ?

Justement non ! L'origine de l'accélération reste obs­cure. Trois hypo­thèses sont envi­sa­gées : soit l'énergie du vide en est res­pon­sable — mais elle n'a alors pas du tout la valeur atten­due a priori -, soit il y a une constante cos­mo­lo­gique dans le modèle d'Einstein, soit on est tombé sur une limi­ta­tion dans les équa­tions de la rela­ti­vité géné­rale, qui n'est alors qu'une approxi­ma­tion d'une théo­rie plus géné­rale encore à iden­ti­fier. Cette ori­gine mys­té­rieuse, à laquelle on se réfère sous l'appellation fourre-tout d'"énergie noire", est une des grandes ques­tions du futur. C'est d'ailleurs la mis­sion prin­ci­pale du satel­lite euro­péen Euclid qui sera lancé en 2019.

Connaît-on mieux l'univers grâce aux lau­réats du Nobel ?

Oui bien sûr. Leur tra­vail est un des éléments impor­tants de l'évolution de la cos­mo­lo­gie. Ils ont beau­coup contri­bué à ce que le scé­na­rio stan­dard incor­pore une phase d'expansion accé­lé­rée, ce qui oriente une par­tie du déve­lop­pe­ment de la cosmologie.

Y a-t-il encore beau­coup de choses à décou­vrir sur l'univers ?

Nous dis­po­sons aujourd'hui d'un scé­na­rio stan­dard satis­fai­sant en ce qui concerne l'évolution glo­bale et la struc­tu­ra­tion à grande échelle de l'Univers. Un grand pan de l'histoire de l'univers a été recons­truit et, a priori, il ne sera pas remis en cause. Mais ça ne veut pas dire qu'il ne pour­rait pas y avoir de grandes sur­prises dans l'interprétation des obser­va­tions ou dans les détails de cette évolu­tion. En par­ti­cu­lier nous avons encore besoin de beau­coup pro­gres­ser dans notre connais­sance de la for­ma­tion et l'évolution des étoiles et des galaxies, qui res­tent encore très incertaine.

Comment abor­der ces ques­tions poin­tues à l'école ?

Je conseille aux ensei­gnants de consul­ter le site inter­net www.planck.fr  Dans la rubrique "notre uni­vers", nous avons pris la peine de rédi­ger de manière simple et péda­go­gique pour que cha­cun puisse trou­ver des réponses à ses ques­tions, sur le Big-Bang, l'origine de l'univers, l'énergie noire... Deux niveaux de lec­ture sont acces­sibles : averti et expert. C'est un pre­mier pas dans la cosmologie.

Charles Centofanti

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