Comment nous savons que l’Univers est en expansion

Les astrophysiciens croyaient autrefois à un Univers statique, contenant uniquement la Voie lactée. La science a définitivement prouvé le contraire.

• Il y a moins de 100 ans, les astronomes pensaient que la Voie lactée était la seule galaxie de l’Univers.
• En 1924, Edwin Hubble a montré que les nébuleuses étaient en fait d’autres galaxies, séparées par de grandes distances.
• En 1929, Hubble montre que ces autres galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. L’Univers en expansion était né, et il n’a rien à voir avec une bombe qui explose.

Il y a moins de cent ans, les astronomes pensaient que la Voie lactée était la seule galaxie de l’Univers. Les nébuleuses floues capturées par les télescopes étaient comprises comme des nuages de gaz dans les limites de notre galaxie. Les résultats indiquaient que l’Univers était statique et ne changeait pas dans le temps.

Une exception : les découvertes de Vesto Slipher, un astronome américain qui, dès 1912, a constaté que la nébuleuse d’Andromède se déplaçait vers le Soleil à une vitesse d’environ 186 miles par seconde. Pour ce faire, il a utilisé l’effet Doppler, la distorsion du mouvement des ondes due au déplacement d’une source (ou de l’observateur). Nous faisons l’expérience de l’effet Doppler chaque fois que nous entendons une ambulance ou un klaxon se rapprocher ou s’éloigner de nous. Si l’on se rapproche de nous, les ondes sonores se compriment et leur hauteur est plus élevée ; si l’on s’éloigne de nous, elles s’allongent et leur hauteur est plus faible. Il en va de même pour les ondes lumineuses. Slipher a supposé qu’Andromède se rapprochait de nous, car sa lumière était décalée vers l’extrémité bleue du spectre lumineux.

Il avait raison. Nous savons maintenant que non seulement Andromède se déplace vers nous, mais qu’elle entrera en collision avec la Voie lactée dans quatre ou cinq milliards d’années, formant ainsi la galaxie “Milkdromeda”.

En 1917, Slipher a mesuré les vitesses radiales (la composante de la vitesse vers nous) de plusieurs autres nébuleuses, concluant qu’elles étaient décalées vers le rouge, c’est-à-dire qu’elles s’éloignaient de nous. Peu de scientifiques en Europe avaient entendu parler des résultats de Slipher. Même aux États-Unis, ils étaient controversés. En 1917, Einstein a proposé le premier modèle cosmologique de l’ère moderne, en utilisant sa toute nouvelle théorie générale de la relativité. Il suppose un Univers statique.

Le grand débat de 1920

Le 20 avril 1920, Harlow Shapley, de l’Observatoire du Mont Wilson, et Heber Curtis, de l’Observatoire Allegheny de Pittsburgh, se retrouvent sur scène pour débattre de la nature des galaxies, un événement parrainé par l’Académie nationale des sciences. Les nébuleuses étaient-elles des “univers insulaires” en dehors de la Voie lactée, ou bien la Voie lactée était-elle la seule galaxie, entourée par l’immensité de l’espace vide ? La réunion, connue sous le nom de “Grand Débat”, est un exemple puissant de la façon dont des données préliminaires peuvent être interprétées de différentes manières, toutes apparemment raisonnables. Elle montre également pourquoi de meilleures données sont essentielles à une recherche scientifique solide.

Shapley pensait que la Voie lactée était beaucoup plus grande que ce que l’on pensait, et qu’elle avait donc suffisamment de place pour contenir toutes les nébuleuses. Curtis proposait le contraire, à savoir que les nébuleuses étaient d’autres galaxies, en dehors de la Voie lactée. Bien que Shapley semble avoir le dessus dans le débat, celui-ci ne se termine pas de manière concluante.

Hubble gagne en utilisant des bougies standard

C’est là qu’Edwin Hubble entre en scène, pour mettre fin à la dispute une fois pour toutes.

Hubble a utilisé le télescope de 100 pouces du Mont Wilson pour identifier ce que les astronomes appellent des “bougies standard” dans d’autres nébuleuses, c’est-à-dire des sources de lumière qui fonctionnent partout de la même manière. Imaginez que, par une nuit noire, vous placez des lampes de poche électriques identiques à différentes distances dans un champ ouvert. En mesurant leur luminosité relative, il est possible d’utiliser la loi de l’inverse du carré pour déterminer la distance qui les sépare de vous. (La loi dit que l’intensité de la lumière diminue avec le carré de la distance à la source).

Hubble a trouvé des bougies standard dans de nombreuses galaxies : des étoiles appelées variables céphéides qui pulsent avec une périodicité très typique. (Pour cela, il devait remercier le travail spectaculaire d’Henrietta Levitt sur les céphéides à l’Observatoire de Harvard). Partant de sources proches, Hubble construisit une “échelle de distance cosmique”, passant à des distances plus grandes avec ses bougies standard.

Au début de l’année 1924, Hubble écrivit à Shapley pour lui annoncer qu’il avait trouvé des variables céphéides dans Andromède. Shapley comprend immédiatement que sa vision de l’Univers est morte. A la fin de l’année 1924, Hubble avait découvert des dizaines de céphéides dans Andromède et dans 22 autres nébuleuses spirales. Leurs distances se chiffrent en millions d’années-lumière. Le Grand Débat est clos : l’Univers est peuplé d’“univers insulaires”, des galaxies séparées par de grandes distances. Mais il était encore statique.

D’un Univers statique à la loi de Hubble

Pendant ce temps, les modèles théoriques de l’Univers proposaient une vision contraire à celle d’Einstein. L’Univers pourrait changer dans le temps. Et si tel était le cas, les galaxies devraient s’éloigner les unes des autres, portées par l’étirement de l’espace comme des bouchons de liège par une rivière (avec quelques réserves).

En 1917, le cosmologiste néerlandais Willem De Sitter a suggéré qu’un Univers vide doté d’une “constante cosmologique” connaîtrait une expansion exponentielle (Einstein avait proposé une constante cosmologique en 1917 comme une sorte d’agent répulsif qui s’opposait à l’attraction de la gravité pour maintenir son univers statique). Enlevez la matière, et l’univers se développe très rapidement).

En 1922, le Russe Alexander Friedmann a proposé que même un univers sans constante cosmologique pouvait également se dilater et se contracter, en fonction de la quantité de matière qu’il contenait. Quelques années plus tard, le prêtre et cosmologiste belge Georges Lemaître a proposé un modèle d’atome primitif, dans lequel l’Univers émergerait de la désintégration d’une énorme boule radioactive de neutrons et procéderait à son expansion, donnant naissance à des galaxies et des étoiles. (Pour le lecteur intéressé, il existe de nombreux ouvrages non techniques sur l’histoire de la cosmologie).

Mais seules les données peuvent donner vie aux théories, aussi passionnantes soient-elles. Après un travail méticuleux, en 1929, Hubble et son assistant Milton Humason annoncent que les observations confirment l’expansion de l’Univers. Hubble identifia les bougies standard dont il avait besoin – des étoiles très brillantes, plus brillantes encore que les céphéides, dans 46 galaxies – et conclut que les galaxies s’éloignaient les unes des autres à des vitesses proportionnelles à leurs distances. Cette relation est désormais connue sous le nom de loi de Hubble, la relation simple décrivant l’expansion de l’espace.

L’Univers en expansion n’est pas comme une bombe

On confond souvent l’expansion de l’Univers avec l’explosion d’une bombe. Ce n’est pas du tout le cas. Avec une bombe, il y a un centre où la bombe explose, et les éclats s’envolent à partir de ce point central. L’espace reste fixe en arrière-plan.

D’autre part, l’expansion de l’Univers est une expansion de l’espace lui-même. C’est comme si le sol sous vos pieds commençait à s’étirer dans deux directions (car le sol est bidimensionnel), emportant tout avec lui. J’utilise souvent une salle de classe avec des pupitres comme illustration. Les pupitres s’éloignent les uns des autres, et vous voyez vos camarades de classe s’éloigner également. Si chacun est une galaxie, toutes les galaxies s’éloignent les unes des autres à mesure que le sol s’étend. Aucune n’est plus centrale que l’autre.

L’Univers en expansion est l’ultime démocratie spatiale, aucun point n’étant plus important qu’un autre. Jouez le film à l’envers, et ils se rejoignent tous après un certain temps. C’est le Big Bang, l’événement qui a marqué le début de l’expansion, il y a environ 13,8 milliards d’années.

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Source : Big Think – Traduit par Anguille sous roche