Sciences · Astronomie et espace
L’expansion de l’Univers
L’expansion de l’Univers est l’augmentation continue des distances entre les galaxies, due à l’étirement de l’espace lui-même. Découverte dans les années 1920, elle s’accélère depuis quelques milliards d’années.
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Au début du XXe siècle, la plupart des savants, Einstein compris, pensaient l’Univers éternel et immuable. En une décennie, cette image s’est effondrée : les galaxies s’éloignent les unes des autres, et l’Univers a une histoire. L’expansion est le fondement du modèle du Big Bang ; elle a réservé en 1998 une surprise que la physique n’a toujours pas expliquée.
La découverte
| Date | Événement |
|---|---|
| 1912-1917 | L’Américain Vesto Slipher mesure que la lumière de la plupart des « nébuleuses spirales » est décalée vers le rouge : elles s’éloignent de nous |
| 1917 | Einstein applique la relativité générale à l’Univers ; pour le garder statique, il ajoute une « constante cosmologique » |
| 1922 | Le Russe Alexandre Friedmann montre que les équations d’Einstein admettent des univers en expansion |
| 1927 | Le prêtre et physicien belge Georges Lemaître propose un Univers en expansion et en déduit la relation entre distance et vitesse d’éloignement, en estimant le taux d’expansion |
| 1929 | L’Américain Edwin Hubble publie des mesures de distances de galaxies qui confirment cette relation |
| 1931 | Lemaître propose l’hypothèse de l'« atome primitif », ancêtre du Big Bang |
| 1998 | Deux équipes découvrent que l’expansion s’accélère |
En 2018, l’Union astronomique internationale a recommandé de parler de loi de Hubble-Lemaître, pour reconnaître l’antériorité des travaux de Lemaître.
La loi de Hubble-Lemaître
Plus une galaxie est lointaine, plus elle s’éloigne vite. La relation est proportionnelle :
v = H₀ × d
où v est la vitesse d’éloignement, d la distance et H₀ la constante de Hubble. Celle-ci vaut environ 70 kilomètres par seconde par mégaparsec : une galaxie située à un mégaparsec (3,26 millions d'années-lumière) s’éloigne en moyenne à 70 km/s, une galaxie dix fois plus lointaine à 700 km/s.
Comment mesure-t-on cet éloignement ?
Par le décalage vers le rouge (redshift) : la lumière d’une galaxie lointaine arrive étirée, ses raies spectrales sont déplacées vers les grandes longueurs d’onde, donc vers le rouge du spectre de la lumière. Plus le décalage est grand, plus la galaxie est lointaine. Il s’agit d’un décalage cosmologique : la longueur d’onde s’est allongée avec l’espace pendant le voyage de la lumière.
Ce que l’expansion n’est pas
- Ce n’est pas une explosion à partir d’un centre. Tout l’espace se dilate en même temps, et chaque galaxie voit toutes les autres s’éloigner d’elle. On compare souvent l’Univers à un pain aux raisins qui gonfle au four : chaque raisin voit les autres s’éloigner, d’autant plus vite qu’ils sont loin, sans qu’aucun soit au centre.
- Ce n’est pas une dilatation de tout. Les objets liés par la gravité ou par les forces électriques (atomes, êtres humains, planètes, système solaire, galaxies, amas de galaxies) ne grossissent pas. L’expansion ne se manifeste qu’entre les groupes de galaxies. La galaxie d’Andromède se rapproche même de la Voie lactée.
- Ce n’est pas une vitesse limitée par celle de la lumière. Au-delà d’une certaine distance, environ 14 milliards d’années-lumière, les galaxies s’éloignent de nous plus vite que la lumière, sans contredire la relativité, car rien ne se déplace à travers l’espace à cette vitesse.
Une expansion qui s’accélère
On s’attendait à ce que la gravité de toute la matière freine peu à peu l’expansion. En 1998, deux équipes indépendantes, dirigées par Saul Perlmutter d’une part, Brian Schmidt et Adam Riess d’autre part, mesurent la distance de supernovæ lointaines de type Ia, des explosions d’étoiles d’éclat connu. Elles apparaissent plus faibles, donc plus lointaines que prévu : l’expansion accélère depuis environ 5 à 6 milliards d’années. Les trois chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique 2011.
La cause de cette accélération est appelée énergie noire. On ignore sa nature. Elle représenterait environ 68 % du contenu énergétique de l’Univers, contre 27 % pour la matière noire et 5 % pour la matière ordinaire. Dans le modèle standard, elle correspond à la constante cosmologique d’Einstein, une énergie propre au vide, constante dans le temps. Des résultats récents du relevé DESI, publiés en 2024 et 2025, suggèrent qu’elle pourrait évoluer, une piste encore à confirmer.
La tension de Hubble
Deux grandes familles de mesures de la constante de Hubble ne s’accordent pas :
| Méthode | Valeur de H₀ (km/s/Mpc) |
|---|---|
| Univers jeune : fond diffus cosmologique (satellite Planck), extrapolé avec le modèle standard | environ 67 à 68 |
| Univers proche : distances des céphéides et supernovæ (équipe SH0ES) | environ 73 |
L’écart, d’environ 8 %, dépasse largement les marges d’erreur annoncées. Soit l’une des mesures comporte une erreur systématique encore inconnue, soit le modèle cosmologique standard doit être modifié. C’est l’une des grandes énigmes actuelles de la cosmologie.
Quel avenir pour l’Univers ?
Le destin de l’Univers dépend de l’énergie noire :
| Scénario | Principe | Probabilité selon les données actuelles |
|---|---|---|
| Grand gel (Big Freeze) | L’expansion se poursuit indéfiniment ; les étoiles s’éteignent, l’Univers devient froid, sombre et dilué | Scénario privilégié si l’énergie noire reste constante |
| Grand déchirement (Big Rip) | L’énergie noire croît jusqu’à déchirer galaxies, étoiles et atomes | Non favorisé par les observations |
| Grand effondrement (Big Crunch) | L’expansion s’inverse et tout se contracte | Possible seulement si l’énergie noire diminue ou change de signe |
Dans tous les cas, ces échéances se comptent en dizaines de milliards d’années au minimum, bien au-delà de la fin du Soleil, dans environ 5 milliards d’années.
Questions fréquentes
Dans quoi l’Univers s’étend-il ?
Dans rien : l’expansion n’est pas un déplacement dans un espace extérieur, c’est l’espace lui-même qui se dilate. La relativité générale décrit l’Univers sans avoir besoin d’un « dehors ».
La Terre s’éloigne-t-elle du Soleil à cause de l’expansion ?
Non. Le système solaire est lié par la gravité, beaucoup plus forte localement que l’effet de l’expansion. La distance Terre-Soleil ne varie pas à cause de l’expansion cosmique.
Pourquoi Einstein a-t-il parlé de « plus grande erreur » ?
Selon le physicien George Gamow, Einstein aurait qualifié ainsi l’introduction de sa constante cosmologique, qui l’avait empêché de prédire l’expansion. La citation n’est connue que par ce témoignage indirect. Ironie de l’histoire, la constante est revenue en 1998 pour décrire l’énergie noire.