Expansion de l'Univers - Définition

Expansion de l'Univers, mais pas des objets astrophysiques

Contrairement à une idée parfois exprimée, l'expansion de l'Univers ne signifie pas que les objets astrophysiques voient leur taille varier : ce n'est que leur distance mutuelle qui varie au cours du temps, et ce uniquement pour des objets suffisamment éloignés.
Les forces nécessaires pour contrer le mouvement d'expansion à l'échelle d'un atome, d'une planète, d'une étoile, d'une galaxie, d'un amas de galaxies, sont suffisantes pour assurer la cohésion de ces objets. Il a été très facile à la force de gravitation, aux forces électromagnétiques ou à la force nucléaire forte de s'opposer à l'éloignement qui résultait de l'expansion de l'Univers.

Une façon intuitive de visualiser cela est de reprendre l'analogie de la toile élastique que l'on étire dans toutes les directions. Si l'on dessine des motifs sur la toile, alors ceux-ci grossissent en même temps qu'ils semblent s'éloigner les uns des autres lorsque l'on étire la toile. Par contre, si au lieu de dessiner des motifs on colle sur la toile un objet rigide (une pièce de monnaie par exemple), alors, en étirant la toile, on va encore éloigner les objets les uns des autres, mais cette fois ils vont garder une taille constante. C'est un processus de ce type qui est à l'œuvre avec l'expansion de l'Univers.

Mouvements dans l'espace ou expansion de l'espace ?

En mécanique classique ou en relativité restreinte, l'observation d'un décalage vers le rouge s'interprète en termes de déplacement dans l'espace et d'effet Doppler. En relativité générale, une telle interprétation n'est plus suffisante car il n'existe pas de notion d'espace absolu comme en mécanique classique, ou tout au moins présentant une certaine structure rigide comme en relativité restreinte. L'espace de la relativité générale est, dans un certain sens, « élastique », la distance entre les points étant par exemple fonction de la structure du champ gravitationnel dans leur voisinage. Il n'en demeure pas moins que la relativité générale stipule que localement l'espace s'identifie à celui de la relativité restreinte. Si elle était généralisée à grande échelle l'interprétation Doppler pourrait soulever un paradoxe, car elle signifierait que des objets suffisamment éloignés s'éloigneraient à des vitesses supérieures à celle de la lumière et, de ce fait, semble enfreindre les lois de la relativité restreinte. Il n'en est rien car si ces objets se déplacent bien avec une vitesse relative plus grande que celle de la lumière, cela ne permet pas d'échange d'information. Ainsi l'accroissement de la distance mutuelle entre galaxies dû à l'expansion de l'espace n'est pas en conflit avec la relativité restreinte.

Autres tentatives d'interprétation

La réalité de l'expansion de l'Univers n'a pas été acceptée d'emblée par tous les scientifiques. Cette expansion impliquait en effet que l'Univers était né du Big Bang et ce « commencement » absolu semblait à ses détracteurs en contradiction avec la position rationaliste et matérialiste de la science car il pouvait dans leur esprit servir d'argument à l'idée d'une création divine. Ces adversaires du Big Bang préféraient pour cette raison un modèle statique et éternel, sans origine. Des explications alternatives, connues sous le nom de lumière fatiguée (terme proposé par Richard Tolman en 1930), furent proposées pour réconcilier univers statique et décalage vers le rouge dès la découverte de l'expansion de l'Univers en 1929, et ce jusqu'aux années 1970.

Aucune théorie solide satisfaisante n'ayant jamais pu être construite dans ce sens, ces explications ont été abandonnées par la communauté scientifique, sauf peut-être par Johan Masreliez dans "Cosmos à expansion d'échelle" publié en 1999.

En 2010 l'univers statique est défendu entre autres par des physiciens tels que Lorenzo Zaninetti ou Dean Mamas pour qui le décalage vers le rouge cosmologique n'est pas attribuable à une expansion de l'espace.