Expansion de l’univers : « l’origine de l’accélération reste obscure »

Trois astrophysiciens ont été récompensés, mardi 4 octobre, par le Nobel de physique 2011 pour leur découverte de l’accélération de l’expansion de l’univers. Décryptage avec François Bouchet, directeur de recherches CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) et co-responsable du satellite Planck, créé pour "photographier" les origines de l’univers.

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 supernovæ 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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2 commentaires sur "Expansion de l’univers : « l’origine de l’accélération reste obscure »"

  1. JusteBete  17 septembre 2012 à 18 h 33 min

    N’a t-on pas tendance à confondre accélération de l’expansion de l’univers avec tout simplement expansion de l’univers ? Je m’explique au BIG-BANG la matière de notre galaxie G1 est projetée à vitesse V, la matière de la galaxie G2 éloignée que l’on observe aujourd’hui est projetée à 3*V… à T nous avons distance G2-G1 = 2V, à T + 1 nous avons distance G2-G1 = 2*3-2*1= 4V soit une vitesse d’éloignement de 4V/T … à T + 2 nous avons une distance de 3*3-3.*1=6V… L’univers augmente, car la distance entre G1 et G2 augmente, mais pas son expansion : Éloignement G1-G2 : 6V mais l’expansion reste stable si on la rapporte à T = 2V… En gros la distance entre les galaxie peut augmenter malgré une décélération de l’expansion de l’univers…
    ( Remarque : dans ce schéma, on peut aussi attribuer le décalage dans le rouge a une différence de vitesse entre les galaxie, même si l’expansion de l’univers diminue par exemple Vitesse d’éloignement 1,5V au lieu de 2V, le décalage du spectre lumineux reste dans le rouge, et je doute qu’à l’échelle d’une vie humaine, on puisse observer une variation dans ce décalage ) … Dans cette idée encore le « fond diffus » que l’on observe n’est que la trace des galaxies allant plus vite que la vitesse de lumière qui sont loin devant nous et « invisibles car > Lumière » sauf sur longueur d’onde très très allongée… On ne voit pas le Big-Bang, mais ce qui est passé avant nous à l’endroit actuel où l’on est…Signaler un abus

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  2. nanar  26 octobre 2012 à 1 h 41 min

    La critique ancienne ( je suis vieux ) de l’expansion indéfinie était celle-ci : le décalage progressif vers le rouge des objets de plus en plus lointains DONC OBSERVES TELS QU’ILS ETAIENT DANS UN TEMPS DE PLUS EN PLUS ANCIEN montre que leur vitesse d’éloignement ETAIT plus grande dans l’univers plus jeune ! Donc l’expansion RALENTIT.
    Si j’ai bien compris les nouvelles mesures tiennent compte de ce fait ou me trompai-je ?Signaler un abus

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