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May 2012
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Que signifie exactement « L’univers est en expansion » ?

Intuitivement, le décalage vers le rouge des spectres des galaxies s’identifie à un déplacement de celles-ci par rapport à nous. Néanmoins cette approche est quelque peu ambiguë et doit être précisée sur plusieurs points :

- Cela ne signifie pas que nous sommes au centre de l’univers. En effet si la vitesse relative entre deux objets est toujours proportionnelle à la distance qui les sépare et toujours orientée selon la droite qui les joint, alors tout observateur situé sur un objet verra les autres s’éloigner de lui sans que cela préjuge qu’il soit au « centre » de quoi que ce soit.

- Si les galaxies s’éloignent de nous à une vitesse proportionelle à leur distance, il est clair que des objets très éloignés se déplacent plus vite que la lumière, ce que la Relativité Restreinte interdit. La résolution de ce paradoxe apparent relève en fait de la Relativité Générale. L’interprétation de l’expansion de l’univers dans le cadre de la Relativité Générale est qu’il n’y a pas des « objets » qui se « déplacent » dans l’espace, mais que les objets sont immobiles dans l’espace et que c’est l’espace lui-même qui est en expansion. C’est un peu comme si au lieu de faire rouler des billes sur un plan, on dessinait des points sur une toile élastique et que l’on tendait ensuite : dans le second cas, aucun des points ne se déplacent par rapport au morceau de toile sur lequel ils sont dessinés

Notons qu’il ne s’agit ici que d’une discussion sur l’interprétation du résultat prédit par la Relativité Générale. La formulation mathématique de celle-ci permet de faire des prédictions sur les quantités observables (par exemple le décalage vers le rouge en fonction de la distance nous séparant de l’objet considéré). Nous nous proposons ici de donner une interprétation physique de ce qui est observé, c’est-à-dire de donner une idée des phénomènes physiques à l’oeuvre sans faire appel à des calculs compliqués.
 .

- Dans cette analogie, il est évident que si l’on imagine une toile très grande dont le centre est immobile, les éléments périphériques de celle-ci (et a fortiori les objet qui sont situés à ces endroits-là) vont, eux, se déplacer très vite « par rapport » à l’extérieur. Cependant dans la réalité, cette interprétation est doublement erronée : contrairement à la toile de notre exemple, l’univers n’a pas --- par définition --- d’« espace extérieur » « dans » lequel il évolue ou se déplace. De plus en Relativité Générale le concept de « vitesse d’un objet par rapport à un autre » n’a de sens que localement : la seule vitesse que l’on peut prétendre mesurer est celle entre deux objets situés au même endroit

Grossièrement, le seul moyen non ambigu de mesurer la vitesse relative entre deux objets est de les faire entrer en collision et de mesurer l’énergie dégagée par le choc, chose que l’on ne peut faire que si les objets ont au même endroit.
 . Il n’y a donc pas de paradoxe lié au fait que des points éloignés auraient des vitesses relatives trop élevées : ce type de comparaison n’a tout simplement pas de sens en relativité Générale  .

- Le décalage vers le rouge ne s’interprète plus comme étant dû à une vitesse relative des objets les uns par rapport aux autres ou par rapport à l’espace, mais par l’expansion elle-même : l’expansion de l’univers augmente les distance, mais « allonge » aussi la longueur d’onde des photons. En augmentant la longueur d’onde on diminue la fréquence, ce qui provoque le décalage vers le rouge.

- Le fait que les objets distants s’éloignent les uns des autres ne signifie pas que les objets pris individuellement grossissent : pour reprendre l’analogie de la toile élastique, il ne faut pas voir une galaxie comme un « dessin » sur la toile élastique, mais plutôt comme une pièce de monnaie qui serait collée dessus : une galaxie est un objet gravitationnellement lié, c’est-à-dire qu’il possède, tout comme la pièce de monnaie, des forces de cohésion qui s’opposent à la dilatation de l’espace environnant et qui lui assure de garder toujours la même taille. Par ailleurs, si l’on colle une pièce de monnaie sur la toile elastique et que l’on tend celle-ci, on voit que la toile va présenter des distortions dans le voisinage de chaque pièce de monnaie : ces distortions de l’espace sont la trace de la présence d’un champ gravitationnel dans le voisinage de chaque galaxie. Bref, la distance Terre-Soleil ou la taille de notre Voie Lactée ne croissent pas au cours du temps à cause de l’expansion de l’univers alors que la distance nous séparant des galaxies lointaines augmente. Voir l’article Comment l’expansion augmente-t-elle les distances sans dilater les objets ?.

- Pour revenir au paradoxe apparent d’« objets qui se déplaceraient plus vite que la lumière » car très loin de nous, de tels objets sont en fait invisibles : leur lumière n’a tout simplement pas encore eu le temps de nous parvenir.


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- En savoir plus : Un peu de Relativité Générale

- En savoir plus : Comment l’expansion augmente-t-elle les distances sans dilater les objets ?


   
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