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Nous avons vu la dernière fois que la relativité générale a bouleversé notre conception de l’univers, et du temps lui-même.
Seulement, son application mathématique était parfois délicate, et nécessitait l’utilisation de « rustines » pour réajuster les équations.
En est un parfait exemple la rustine utilisée par Einstein dans son équation pour expliquer la stabilité de l’univers, rustine dites de la « constante cosmologique ». Je m’explique :
La croyance en un univers statique était si enraciné dans les esprits qu’elle persista jusqu’au siècle dernier. Pourtant les équations de la relativité générale prédisaient que l’univers était instable, mais Einstein introduisit un paramètre, corroboré par aucune observation, mais qui restait fidèle son l’intuition : la constante cosmologique.
Cette constante, est une application mathématique qui représenterait une force antigravitationnelle liée à la structure même de l’univers, mais qui n’a pas encore été découverte. Cet effet antigravitationnel venant contrebalancer l’instabilité de l’univers révélé dans les calculs de la relativité générale, et qui rendrait au final l’univers stable, statique.
Par la suite, Einstein désavoua cette constante cosmologique en la considérant comme sa « plus grande erreur ».
Il avait peut être raison, car en 1929 l’astronome américain Edwin Hubble publia la conclusion de ses constatations : La plupart des galaxies s’éloignent de nous, et mieux encore, l’ampleur du décalage est directement proportionnel à la distance qui nous sépare d’elle. Autrement dit, au plus elles sont éloignées, au plus vite elles se déplacent… L’univers s’étend, et au plus il grandit, au plus il se refroidit.
Ce constat découle de l’observation du spectre des étoiles. Je vous passe les détails, mais c’est pas très compliqué ( http://www.interstars.net/index.php?article=effet-doppler ). Einstein se serait donc trompé ?
Mais lors de la même période où Einstein cherchait à écarter l’hypothèse d’un univers instable établit par la relativité générale, Alexandre Friedman décida au contraire d’en chercher l’explication.
Friedman émit deux hypothèses simples : 1) L’univers a le même aspect (en moyenne) quelle que soit la direction par laquelle nous regardons.
2) Cet aspect est le même quel que soit le point de l’espace par lequel nous regardons.
En gros le ciel étoilé a globalement le même aspect dans tous les directions, et même si nous l’observons de Mars ou Jupiter, voire même d’une autre galaxie.
Sur cette base, et en résolvant les équations de la relativité générale, en 1922 (soit quelques année avant Hubble), il en vint à la conclusion que l’univers ne pouvait être stationnaire.
Mais cette théorie fut un peu tombée dans l’oubli, jusqu’au constat d’Hubble. Car l’hypothèse de Friedman prévoyait non seulement l’instabilité de l’univers, mais aussi que toutes les galaxies s’éloignent les unes des autres et de façon proportionnelle à la distance qui les sépare, comme Hubble a pu le constater !
On peut s’imaginer cet effet en gonflant un ballon sur lequel on a au préalable dessiné quelques points. En doublant le rayon du ballon en 1 seconde, deux points séparés par 1 cm au début se retrouveront à deux centimètres, pour une vitesse d’un centimètre/seconde. Par contre, deux points séparés par 10 cm se retrouveront à 20 cm, pour une vitesse de 20 cm/s …
Friedman proposa un seul modèle d’univers, pourtant selon ses deux hypothèses de base, on peut résoudre les équations de trois façons. Voici ces 3 variantes :
1)l’expansion de l’univers est suffisamment lente pour que l’attraction gravitationnelle entre les différentes galaxies suffise à la ralentir jusqu’à l’arrêter complètement, et jusqu’à ce que l’univers se contracte. Dans cette variante, l’espace est recourbé sur lui-même, comme une bulle à 3 dimensions.
2)L’expansion de l’univers est si rapide que l’attraction gravitationnelle ne suffit pas à l’arrêter complètement. Dans cette variante, l’espace est également courbe, mais d’une autre manière.
3)La vitesse d’expansion est juste assez grande pour éviter l’effondrement. La vitesse a laquelle les galaxies s’éloignent les unes des autres diminue de plus en plus, sans jamais devenir nulle. C’est la seule variante qui nous offre un espace plat à grande échelle, mais qui se courbe à l’approche de corps massifs.
Les scientifiques ne prévoyaient pas que ça serait si difficile de vérifier à laquelle de ces hypothèses notre univers fait référence. Car plus le taux d’expansion sera rapide, plus grande devra être la force gravitationnelle nécessaire pour l’arrêter, et donc plus importante la densité de matière requise…
Seulement, voilà, l’incertitude concernant la densité moyenne de l’univers est très grande. Une des preuves en est le comportement des étoiles situées à l’extrémité des galaxies : elles suivent leurs orbites à des vitesses telles qu’elles devraient s’échapper de l’attraction gravitationnelle de la galaxie. Pourtant, il n’en est rien. Ce qui laisse supposer l’existence d’une matière « invisible » (jusqu’à ce jour en tout cas) appelée communément « matière noire ». Cette matière noire aurait donc des effets gravitationnels qu’il faut prendre en compte. On peut aisément calculer sa masse au sein d’une galaxie grâce aux observations, sur l’influence qu’elle exerce sur le mouvement des étoiles de cette galaxie.
Mais lorsqu’on fait la somme de toute la matière noire comprise dans l’univers, nous parvenons à seulement 30% de la masse requise pour arrêter l’expansion de l’univers.
La plupart des physiciens ont donc plutôt souscrit à la deuxième variante de Friedman.
Pourtant, c’est là que l’univers est bien mystérieux (lol), puisqu’en 1998, les observations ont démontrées que l’expansion de l’univers n’était pas en train de ralentir, mais au contraire de s’accélérer ! Ce qui ne correspond à aucune des hypothèses de Friedman !!!
Phénomène vraiment étrange, puisque le seul effet possible de la matière, qu’elle soit de faible ou de forte densité, est de ralentir l’expansion, la gravitation étant toujours une force attractive !
Einstein avait donc peut-être raison, finalement, de croire en la nécessité d’une constante cosmologique… Nous ne sommes pour l’instant pas en mesure de comprendre ce phénomène, mais son observation nous a apprit que l’univers continuera à s’étendre dans des proportions toujours plus grande, et qu’il n’aura jamais de fin…
Puisque l’univers est en expansion, on peut supposer qu’à son origine il était concentré en un même point, infime et infiniment dense. C’est la célèbre théorie du big bang, nous l’aborderons très rapidement la prochaine fois (car il ne me semble pas nécessaire d’en faire tout un chapitre), tout en définissant ses limites…
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Ca veut dire qu'on va tous mourir?
Cela veut précisément dire qu'on est déjà tous morts.