L'Univers en expansion : que signifie vraiment « Créer de l'Espace » ?

Expansion de l'Univers montrant des galaxies s'éloignant les unes des autres sur une grille d'espace-temps qui s'étire — Représentation artistique de l'expansion cosmique où l'espace lui-même se dilate, entraînant l'éloignement des galaxies.
Source image : astronoo.com (nouvelle fenêtre), image générée par IA, domaine public.

Résumé scientifique

L'article d'Astronoo explore la notion de création d'espace dans un Univers en expansion. Il explique que l'expansion cosmique ne correspond pas à la production d'une substance, mais à une évolution dynamique de la métrique de l'espace-temps. La loi de Hubble, la découverte de l'accélération cosmique et l'hypothèse de l'énergie sombre y sont présentées. Le texte distingue les points comobiles du mouvement local des galaxies, et montre que la relativité générale décrit cette dilatation par le facteur d'échelle. L'article souligne enfin que ce phénomène, bien réel, relève d'une interprétation géométrique et non d'une création matérielle de vide.

L'Univers crée-t-il vraiment de l'espace en s'étendant ?

Cet article est consacré à l'expansion de l'Univers et à la question souvent mal comprise de la « création d'espace ». Depuis les travaux d'Edwin Hubble en 1929, puis la découverte en 1998 de l'accélération cosmique, les cosmologistes savent que les distances entre galaxies lointaines augmentent. Mais que signifie exactement cette expansion ? Réponse : il ne s'agit pas de la fabrication d'un vide matériel, ni d'un déplacement des galaxies dans un espace préexistant. Ce qui évolue, c'est la géométrie de l'Univers, c'est-à-dire la métrique qui définit les distances entre les points de l'espace-temps. Les galaxies conservent leur position comobile, mais la « règle » qui mesure leurs séparations change avec le temps. Cette dilatation est décrite par la métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, dans le cadre de la relativité générale. L'énergie sombre, qui représente environ 68 % du contenu de l'Univers, serait responsable de l'accélération de cette expansion.

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Le Paradoxe de la Création d'Espace

La loi de Hubble et la mesure de l'expansion

En 1929, Edwin Hubble a fourni la première preuve observationnelle de l'expansion de l'Univers en établissant la relation entre la distance des galaxies et leur vitesse de récession. Cette relation, connue sous le nom de loi de Hubble, s'exprime par la formule v = H₀ × d, où v est la vitesse de récession, d la distance et H₀ la constante de Hubble.

L'accélération cosmique et l'énergie sombre

En 1998, deux équipes indépendantes étudiant des supernovae de type Ia ont fait une découverte révolutionnaire : l'expansion de l'Univers n'est pas en train de ralentir comme prévu, mais s'accélère. Cette observation, récompensée par le prix Nobel de physique 2011, implique l'existence d'une énergie répulsive, baptisée « énergie sombre », qui constituerait environ 68 % du contenu énergétique de l'Univers.

Le tableau ci-dessous résume la composition de l'Univers et le rôle de chaque composante dans la dynamique de l'expansion.

Composantes de l'Univers et leur rôle dans l'expansion
Composante	Pourcentage	Effet sur l'expansion	Nature
Énergie sombre	~68 %	Accélération	Inconnue, pression négative
Matière noire	~27 %	Ralentissement	Non baryonique, interaction gravitationnelle seulement
Matière ordinaire	~5 %	Ralentissement	Atomes, étoiles, galaxies

L'Univers en expansion « crée de l'Espace » ?

Le concept de points comobiles

Le concept de « création d'espace » dans l'Univers en expansion est subtil et souvent mal interprété. Il ne s'agit pas de l'apparition de nouvel espace à partir de « rien » au sens philosophique, mais de l'augmentation de la distance propre entre points comobiles de l'espace-temps.

N.B. :
Les points comobiles désignent des coordonnées fixes dans l'Univers en expansion. Une galaxie lointaine conserve sa position comobile, même si la distance qui nous en sépare augmente avec le facteur d'échelle. Autrement dit, elle ne « bouge » pas localement mais suit l'expansion de la métrique cosmologique.

Si ce n'est pas de l'espace, qu'est-ce qui est « créé » ?

La géométrie dynamique de l'Univers

Quand on dit que l'Univers « crée de l'espace », il ne faut pas imaginer une fabrication de vide, comme si l'Univers produisait une sorte de matière invisible. En réalité, ce qui évolue est la géométrie de l'Univers, c'est-à-dire la manière dont les distances sont mesurées entre deux points.

L'« expansion » concerne la manière dont on mesure les distances

Dans le langage des physiciens, la structure même de l'espace-temps est dynamique : les coordonnées des galaxies lointaines restent fixes (elles sont dites comobiles), mais la « règle » utilisée pour mesurer les distances change au cours du temps. Ce n'est donc pas un « tissu » matériel qui se dilate, mais la métrique qui évolue.

Autrement dit, l'Univers n'ajoute pas du volume comme on gonfle un ballon avec de l'air, il recalcule en permanence ce que signifie être séparé d'un million d'années-lumière. Ce qui est « créé », ce n'est ni du vide, ni une substance mystérieuse, mais une augmentation relative des distances entre objets cosmiques lointains.

Un concept mathématique plus qu'une création physique d'espace

Dire que l'Univers « crée de l'espace » est une manière imagée de traduire une réalité mathématique. En cosmologie, on ne manipule pas un tissu matériel mais une métrique, c'est-à-dire une formule qui indique comment calculer les distances entre deux points de l'Univers. Lorsque l'expansion accélérée est en jeu, c'est cette métrique qui change avec le temps.

Ainsi, ce n'est pas l'« espace » comme une substance qui se multiplie, mais la relation géométrique entre les points qui se transforme. La métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) fournit le cadre : elle montre que le facteur d'échelle augmente, ce qui équivaut à dire que deux galaxies comobiles voient leur distance croître même si elles ne bougent pas localement.

Ce vocabulaire est utile pour vulgariser, mais il faut garder en tête que c'est un raccourci : ce que l'on décrit vraiment, c'est une évolution dynamique des équations géométriques de la relativité générale : \( G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)

Des galaxies qui « s'éloignent » ?

Un éloignement apparent, pas un mouvement local

Dans beaucoup d'illustrations, on voit des galaxies dessinées de plus en plus éloignées, comme si elles se déplaçaient réellement dans un espace déjà existant. Mais dans le cadre de la relativité générale, ce n'est pas ainsi qu'il faut comprendre l'expansion. Les galaxies lointaines ne « voyagent » pas à travers le cosmos, elles gardent leur position dans le quadrillage comobile, tandis que c'est ce quadrillage, la métrique elle-même, qui est mesurée différemment avec le temps. Autrement dit, c'est la métrique elle-même qui change d'échelle avec le temps. Ce n'est pas une substance qui se déforme, mais ce sont les règles de mesure (distances, intervalles) qui s'étirent.

N.B. :
Des galaxies très distantes qui s'éloignent à des vitesses dites « supérieures à la lumière » ne violent pas la relativité restreinte, car elles ne correspondent pas à un mouvement local mais à l'évolution de la géométrie elle-même.

Références

FAQ : Tout savoir sur la création d'espace

L'Univers crée-t-il vraiment de l'espace ?

Non, au sens strict, l'Univers ne fabrique pas de l'espace comme on produirait une substance. Ce que l'on appelle « création d'espace » désigne l'augmentation des distances entre les galaxies lointaines. Cette dilatation résulte de l'évolution de la métrique de l'espace-temps, décrite par la relativité générale. Les galaxies ne se déplacent pas dans un espace préexistant : c'est la géométrie de l'Univers elle-même qui change avec le temps.

Qu'est-ce que la loi de Hubble ?

Formulée en 1929 par Edwin Hubble, la loi de Hubble établit une relation linéaire entre la distance d'une galaxie et sa vitesse de récession : plus une galaxie est loin, plus elle s'éloigne vite. Elle s'écrit v = H₀ × d, où H₀ est la constante de Hubble. Cette loi constitue la première preuve observationnelle de l'expansion de l'Univers.

Qu'est-ce que l'énergie sombre ?

L'énergie sombre est une forme d'énergie répulsive hypothétique qui constituerait environ 68 % du contenu énergétique de l'Univers. Découverte indirectement en 1998 grâce à l'observation de supernovae de type Ia, elle serait responsable de l'accélération de l'expansion cosmique. Sa nature physique demeure inconnue à ce jour.

Les galaxies s'éloignent-elles plus vite que la lumière ?

Certaines galaxies très lointaines présentent une vitesse de récession apparente supérieure à celle de la lumière. Cela ne viole pas la relativité restreinte, car il ne s'agit pas d'un mouvement local dans l'espace, mais de l'expansion de l'espace lui-même entre les galaxies. Aucun signal ni objet ne traverse localement cette distance à une telle vitesse.

Qu'est-ce qu'un point comobile ?

Un point comobile est une coordonnée fixe dans l'Univers en expansion. Une galaxie lointaine conserve sa position comobile même si la distance qui nous en sépare augmente. Ce concept permet de distinguer le mouvement propre des galaxies (négligeable à grande échelle) de l'expansion globale de la métrique cosmologique.

L'expansion de l'Univers va-t-elle s'arrêter ?

Les observations actuelles indiquent que l'expansion de l'Univers s'accélère sous l'effet de l'énergie sombre. Si cette tendance se poursuit, l'Univers continuera de s'étendre indéfiniment, les galaxies lointaines finissant par s'éloigner au-delà de notre horizon cosmologique. Aucun scénario d'effondrement (Big Crunch) n'est privilégié par les données actuelles.