Au début du XXe siècle, l’idée que l’univers puisse avoir une histoire et une origine avait un relent de légende biblique qui rebutait les scientifiques. Pour la plupart d’entre eux, l’univers était éternel, infini et globalement statique. Constatant que ses équations de la Relativité générale aboutissaient à une instabilité de l’univers, Einstein y ajouta une constante cosmologique Ʌ ayant pour effet de le stabiliser. Il reconnut par la suite que ce fut la plus grande erreur de sa vie.

Le Big-Bang

La gravitation ayant pour effet de rapprocher les corps matériels, il serait logique que l’univers s’effondre sur lui-même. Comme il n’en est rien, Newton imagina l’intervention de Dieu, l’invention du Big-Bang apporta une réponse plus scientifique en montrant que l’univers est en expansion depuis cet évènement initial.

Plusieurs scientifiques ont contribué à mettre en évidence l’expansion de l’univers. Dès 1922, le mathématicien russe Alexandre Friedmann émis l’hypothèse d’un univers en expansion.  En 1927, l’astrophysicien et prêtre Georges Lemaître proposa une expansion à partir d’une sorte d’atome primitif extrêmement condensé, c’est cet évènement primordial qui est aujourd’hui désigné sous le nom de Big-Bang. Cependant, le Big-Bang n’est pas une explosion. C’est Fred Hoyle, qui n’y croyait pas, qui lui a donné ce nom par dérision. On dirait plutôt quelque chose qui mousse, l’expansion ayant lieu simultanément en tous points de l’univers. La réalité de l’expansion a été confirmée en 1929 par les observations d’Edwin Hubble, lequel constatant que les galaxies lointaines ont une lumière d’autant plus rouge qu’elles sont éloignées dans l’espace (effet Doppler), en a conclu qu’elles s’éloignent les unes des autres par dilatation de l’espace

.L’expansion de l’espace éloigne des galaxies immobiles

Les galaxies lointaines semblent nous fuir, mais en réalité il n’en est rien, c’est l’espace intergalactique qui s’étend. On peut figurer cela par un ballon que l’on gonfle et sur lequel sont collées des pastilles de papier figurant les galaxies. A mesure que le ballon enfle, les pastilles s’écartent. Mieux encore, l’expansion de l’univers peut être comparée à des raisins de Corinthe dans un gâteau qui enfle à la cuisson, faisant ainsi croître la distance séparant les raisins.

Il est généralement affirmé que les galaxies nous fuient à une vitesse d’autant plus élevée qu’elles sont lointaines, mais il n’en est rien. Sauf mouvement local, les galaxies sont immobiles, c’est l’espace les séparant qui s’étend, ce qui a pour effet de les éloigner de nous à une vitesse qui s’accroît avec la distance.

L’éloignement des galaxies entre elles étant dû à la dilatation de l’espace et non à leur mouvement propre, chacune peut donc se considérer comme immobile, les autres s’éloignant d’elle d’autant plus vite qu’elles sont lointaines. La vitesse d’éloignement est dite vitesse de récession. Figure 1.

Chaque observateur, depuis sa galaxie, peut se considérer comme immobile et les autres en mouvement, mais en réalité tous sont immobiles. C’est la dilatation de l’espace entre les galaxies qui les écartent, si bien que leur éloignement peut être considéré comme la conséquence de deux mouvements de même ampleur, mais dans des directions opposées, à partir d’un point équidistant. Figure 2.

Lorsqu’un photon est émis par une étoile lointaine, le « mouvement » de celle-ci importe peu. Le photon est émis d’un point fixe et à mesure qu’il avance vers un observateur c’est ce dernier qui « s’éloigne ». Le point de vue du photon est respectable, car c’est lui qui fait le voyage. C’est la distance parcourue pour atteindre l’observateur (d2) qui est à l’origine de l’affaiblissement de l’éclat de l’étoile émettrice. Figure 3.

La distance mesurée (d2), ne correspond ni à celle séparant l’observateur de la source observée au moment de l’émission du signal (d1), ni à celle les séparant au moment de la réception (d3). Il n’est donc pas pertinent de dire qu’un corps est situé à la distance mis par sa lumière à nous parvenir, ce qui est cependant la pratique courante.

Lorsque l’on parle de dilatation de l’espace, cela ne signifie pas que celui-ci soit un cadre externe à la matière, comme le concevait Newton, mais c’est ce que contient le vide interstellaire qui augmente et éloigne les galaxies les unes des autres, sauf mouvement local dû à la gravitation pour les plus proches.

La constante de Hubble

La lumière émise par un corps qui s’éloigne vire au rouge (effet Doppler), d’autant plus que sa vitesse est rapide.  Si les corps se rapprochaient leur lumière virerait au bleu. Constatant que la lumière des galaxies vire d’autant plus au rouge qu’elles sont lointaines, Edwin Hubble en a conclu que l’éloignement des galaxies n’est pas dû à leur mouvement propre, mais à l’augmentation du volume de l’univers du fait de l’expansion En faisant le rapport vitesse/distance, Hubble établit une constante H₀ qui porte son nom, laquelle exprime le taux d’expansion de l’univers.

                                H₀ = vitesse en km par seconde / distance en mégaparsecs

L’accroissement de l’espace entre les galaxies est le même entre chacune d’entre elles, qu’elles soient proches ou éloignées, mais par effet cumulatif, les galaxies les plus lointaines s’éloignent de nous d’autant plus rapidement qu’elles sont distantes. Imaginons une bande de caoutchouc graduée à espaces réguliers depuis A à une extrémité jusqu’ à E à l’autre extrémité. A est la position de l’observateur et E la galaxie la plus lointaine. Si nous tirons sur la bande pendant un temps t pour en doubler la longueur, le point B s’éloigne d’une unité de longueur alors que le point E s’éloigne de quatre pour l’observateur A et seulement de 1 pour l’observateur D.

Il importe de ne pas confondre la vitesse de l’expansion de l’univers avec la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de nous, laquelle résulte d’un effet cumulatif dû à la distance.

Si, relativement à un observateur situé à 1 mégaparsec (1 mpc = 3 261 000 années-lumière) d’une galaxie, celle-ci s’éloigne de 74 km par seconde, une autre située à 1 mégaparsec de la première s’en éloigne également de 74 km/sec, si bien que relativement à l’observateur situé à 2 mpc, elle s’éloigne de 74 + 74 km/ sec, etc.

Il est parfois affirmé que, lorsque la fuite des galaxies les plus lointaines atteindra la vitesse de la lumière, elles disparaîtront à notre vue. En réalité, si la vitesse de récession des galaxies était due à leur fuite, celui-ci n’aurait aucune incidence sur la réception par un observateur distant de la lumière qui en émane, car un signal lumineux émis depuis un corps en mouvement se propage toujours à la vitesse c à partir d’un point fixe, celui du moment de l’émission. Cependant, la vitesse de récession des galaxies n’est pas le fait de l’émetteur, mais de l’allongement de la distance à parcourir au cours du trajet, ce qui revient à un mouvement de fuite de l’observateur devant le signal lumineux. Lorsque ce mouvement atteindra la vitesse de la lumière, celle-ci ne pourra plus rattraper l’observateur et l’étoile émettrice deviendra invisible. Il faudra cependant quelque temps (en dizaines de milliards d’années), et donc de distance, pour que ce phénomène se manifeste.

Le fait que la vitesse de récession puisse dépasser la vitesse de la lumière n’est pas en contradiction avec l’impossibilité pour les corps matériels de la dépasser. Selon la théorie de la Relativité, pour qu’un corps atteigne cette vitesse limite, il faudrait lui impulser une énergie infinie. Dans le cas de la vitesse de récession due à l’expansion de l’univers, aucune énergie n’est impulsée aux corps matériels, car c’est l’espace les séparant qui s’accroît, un espace vide qui n’est pas le néant, loin de là.