L'Univers en Expansion : Que Signifie Vraiment "Créer de l'Espace" ?

Le Paradoxe de la Création d'Espace

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.

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.

L'Univers en expansion "Crée de l'Espace" ?

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 » ?

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 » ?

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 a 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.