Dernière mise à jour : 21 mars 2023

Expansion Accélérée de l'Univers

L'Univers en Expansion

Au cœur des débats contemporains en cosmologie se trouve un phénomène étonnant : l'expansion accélérée de l'univers. Découverte à la fin des années 1990, cette révélation a bouleversé notre compréhension de la dynamique cosmique et a conduit à la proposition d'une nouvelle composante mystérieuse de l'univers : l'énergie sombre.

L'idée que l'univers est en expansion remonte aux travaux d'Edwin Hubble, qui, dans les années 1920, a démontré que les galaxies s'éloignent de nous et que la vitesse à laquelle elles s'éloignent est proportionnelle à leur distance. Ce phénomène est décrit par la loi de Hubble, qui a établi que l'univers est en expansion, une idée corroborée par les équations de la relativité générale d'Albert Einstein.

La Découverte de l'Expansion Accélérée

Au milieu des années 1990, deux équipes indépendantes d'astronomes, le Supernova Cosmology Project (SCP) et le High-Z Supernova Search Team, ont commencé à observer des supernovae de type Ia, qui sont des explosions stellaires caractéristiques. Ces supernovae sont utilisées comme bougies standard en raison de leur luminosité intrinsèque relativement constante.

Les astronomes ont mesuré la luminosité apparente de ces supernovae et, en les comparant à leur luminosité intrinsèque, ont pu déterminer leur distance. En parallèle, ils ont mesuré le décalage vers le rouge de ces supernovae pour calculer leur vitesse de récession. Ces mesures ont révélé un résultat inattendu : les supernovae lointaines apparaissaient moins lumineuses que prévu dans un modèle d'univers en expansion décélérée, indiquant qu'elles s'éloignaient plus rapidement qu'attendu.

Cette constatation a mené à la conclusion que l'expansion de l'univers ne ralentissait pas, comme on le pensait initialement, mais s'accélérait. Cela a conduit à l'introduction du concept d'énergie sombre, une forme d'énergie mystérieuse qui constituerait environ 68 % de l'univers et exercerait une pression négative, favorisant l'accélération de l'expansion.

Énergie Sombre et Constante Cosmologique

L'énergie sombre a été intégrée dans les modèles cosmologiques par le biais de la constante cosmologique (Lambda), qui est apparue dans les équations d'Einstein. Ce terme, introduit à l'origine pour permettre un modèle d'univers statique, a été redécouvert pour expliquer l'accélération de l'expansion.

Les cosmologistes ont proposé différents modèles pour décrire l'énergie sombre :

Constante Cosmologique (Lambda) : Un terme constant dans les équations d'Einstein qui représente une énergie du vide uniforme.
Champs Dynamiques : Des théories qui modifient la nature de l'énergie sombre au fil du temps, comme les modèles de quintessence ou de modifications de la gravité.

Preuves Observables

Outre les supernovae, plusieurs autres observations soutiennent l'idée de l'expansion accélérée :

Fluctuations du Fond Diffus Cosmologique (CMB) : Mesurées par le satellite WMAP et le satellite Planck, ces fluctuations fournissent des informations sur la composition de l'univers et indiquent que l'énergie sombre est nécessaire pour expliquer l'accélération.
Structure à Grande Échelle : Les études sur la distribution des galaxies et des amas de galaxies révèlent que la répartition de la matière et des vitesses de récession s'alignent avec les prédictions des modèles incluant l'énergie sombre.
Oscillations Acoustiques Baryoniques (BAO) : Ces structures dans le spectre de la distribution des galaxies fournissent également des preuves de l'accélération de l'expansion.

Conséquences et Questions Ouvertes

Nous ne connaissons pas encore la véritable nature de l'énergie sombre et de l'accélération de l'expansion de l'univers. Les physiciens tentent de tester ces deux paradigmes capables d'expliquer les observations, celui de l'énergie sombre et celui de la gravitation modifiée. Cela permettrait d'éliminer un groupe de théories. Les missions Euclid ou SKA vont aider à trancher entre ces deux groupes de théories.

La professeure Camille Bonvin, professeur à l'University de Genève, a mis au point une méthode pour tester ces deux paradigmes. Elle consiste à comparer la distorsion du temps et la distorsion de l'espace, générées par les galaxies et amas présents dans l'Univers. La relativité générale d'Einstein prédit que ces deux distorsions sont égales, contrairement aux théories alternatives de la gravitation dans lesquelles, généralement, ces distorsions diffèrent.

Tester la validité, aux confins de l’Univers, de la théorie d’Einstein est sans conteste l’un des grands enjeux de la cosmologie de demain.

N.B. :
Euclid est la mission spatiale sélectionnée par l'ESA (prévue pour 2023) qui pourrait apporter des réponses concernant la vraie nature de l'Univers. Euclid va sonder l'histoire de l'expansion de l'Univers et celle de la formation des structures cosmiques. L'objectif est de mesurer la distribution de la matière dans l'univers et la manière dont cette répartition a évolué depuis le Big Bang. Le nom de la mission a été choisie en l'honneur d'Euclide (300 av. J.C.) mathématicien grec considéré comme le père de la géométrie.