Introduction à l’Univers gravitationnel

Milky Way © NASA ESA ESO

Voie Lactée © NASA ESA ESO

Nous sommes tous sortis un soir d’été par une belle nuit sans lune et nous nous sommes extasiés au spectacle des étoiles qui semblaient à première vue moucheter le ciel noir de scintillements. Après quelques minutes d’attention, on repère la bande laiteuse de la Voie Lactée, quelques constellations, on identifie des couleurs différentes, on devine un fourmillement de lumière en arrière-plan, laissant pressentir d’autres étoiles plus lointaines encore. L’Univers s’étend sous nos yeux, dans toute sa majesté et son immuabilité. Et nous nous sentons bien peu de chose, grain de poussière jeté parmi ces grains de lumière, pour une durée dérisoire par rapport au temps cosmique. Pendant des siècles, poètes, philosophes, artistes, conteurs ont rêvé, écrit, débattu sur cette perspective vertigineuse qui s’offre à tout un chacun qui prend le temps de relever la tête et d’observer la nuit étoilée.

Tout semble avoir été dit. Et pourtant…

 

gravity2Et pourtant, la physique de ce dernier siècle nous a montré que l’Univers qui se présente à nous est beaucoup plus riche que ce que nos yeux nous laissent pressentir, et que cette richesse est accessible, ici sur Terre et maintenant. Accessible par des moyens de détection plus puissants que nos yeux, comme les grands télescopes : cela, nous le savons depuis l’époque de Galilée et de sa lunette. Mais aussi accessibles par des moyens de détection différents, qui ne sondent pas la lumière mais d’autres types de radiation. Et ceci, nous commençons seulement à en entrevoir les possibilités, possibilités de voir l’Univers différemment, et peut-être même d’accéder à sa nature plus fondamentale.

 

 

Milky Way © NASA ESA ESO

Voie Lactée © NASA ESA ESO

Revenons à notre nuit étoilée. Chaque grain de lumière est appelé familièrement étoile, mais on sait depuis longtemps que certains d’entre eux sont les planètes de notre propre système solaire : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. On sait aussi depuis une centaine d’année que beaucoup de ces points lumineux sont des galaxies, énormes accumulations d’étoiles. Notre propre étoile, le soleil, fait partie d’un tel ensemble, la Voie Lactée, notre galaxie. Parce qu’il est quelque peu à la périphérie de cette galaxie, nous voyons la Voie Lactée par la tranche. D’où sa forme de bande à travers le ciel. L’aspect laiteux est du à la concentration d’étoiles dans ces directions : un lait d’étoiles. Nous voyons aussi des étoiles de la Voie Lactée dans d’autres directions, quoiqu’en moins grande concentration. Toutes les étoiles que nous voyons dans le ciel font partie de notre galaxie. Les autres points lumineux sont de nature extragalactique, c’est-à-dire localisés hors de notre galaxie. En fait, ce sont des galaxies à part entière : elles sont situées tellement loin que l’on ne peut discerner individuellement les étoiles qui les forment.

 

The world according to the astronomer William Herschel in 1785: the Milky WayLe monde selon l’astronome William Herschel en 1785 : La Voie Lactée

 

La découverte de la nature extragalactique de ces sources de lumière, en un mot la découverte d’autres galaxies s’est accompagnée dans les années 1920 d’une découverte encore plus surprenante : ces galaxies s’éloignent de nous. Ainsi l’Univers qui nous avait frappé par son apparente immuabilité est au contraire dynamique. Et puisque toutes les galaxies s’éloignent de nous, il faut bien en déduire, si nous ne sommes pas à un endroit privilégié, que c’est la structure même de l’Univers qui est dynamique : toute galaxie s’éloigne de toute autre galaxie. On traduit ceci en disant que l’Univers est en expansion.

 

Edwin Hubble

Edwin Hubble 1937 Observatoire du Mont Wilson © Getty Images

 

C’est en fait la lumière qui nous a fourni la preuve de cette expansion. On peut donc faire une analyse des corps présents dans chaque objet lumineux astrophysique en analysant la lumière qu’ils émettent, en particulier la couleur de la lumière associée avec sa fréquence. Or les travaux de Lemaître et Hubble dans les années 1920 ont montré que la lumière émise par des corps connus est légèrement décalée vers le rouge en fréquence, un effet qui serait du à leur mouvement relatif par rapport à nous. Les objets astrophysiques qui les émettent s’éloignent de nous.

 

 

 

The Andromeda galaxy 2.5 million light-years from usLa galaxie d’Andromède à 2,5 millions d’années lumières de nous

 

Mais la lumière a une autre propriété que sa couleur (fréquence) : elle a une vitesse finie. Et ceci a des conséquences tout à fait remarquables pour notre observateur de ciel étoilé. La lumière émise par un astre met un temps fini pour nous atteindre : 8,32 minutes du Soleil, 100 000 années des confins de la Voie Lactée, 2,5 millions d’années de la galaxie d’Andromède. Ceci signifie donc que, lorsque nous regardons le ciel, nous ne voyons pas l’Univers tel qu’il est aujourd’hui mais plutôt une série de clichés d’autant plus anciens qu’ils sont plus éloignés. Une sorte de film statique qui se déploie devant nos yeux.

Ceci est un formidable avantage pour celui qui s’intéresse à l’histoire de l’Univers : cette histoire se déroule sous nos yeux, ici et maintenant. Les astres les plus éloignés (à environ quinze milliards d’années-lumière) que nous voyons aujourd’hui sont dans l’état où ils étaient au tout début de l’Univers

 

Albert Einstein en 1904 © Lucien Chavan (1868 – 1942)

Albert Einstein en 1904 © Lucien Chavan (1868 – 1942)

 

Mais qu’est-ce qui est responsable de l’expansion de l’Univers ? D’où vient l’énergie nécessaire pour dilater les distances? La réponse nous est donnée par Einstein. En 1915, il y a donc cent ans, il cherche à écrire un système d’équation qui unifie la description des phénomènes gravitationnels dans le cadre de sa théorie de la relativité conçue 10 ans plus tôt. Ce seront les fameuses équations d’Einstein qui quantifient la déformation de l’espace-temps sous l’effet d’une masse, ou plus généralement d’une concentration d’énergie, et permettent de calculer la trajectoire d’un objet près d’un corps très massif. Elles forment le coeur de ce qu’on appelle la théorie de la relativité générale.

 

 

Hubble Ultra Deep Field © NASA ESA

Hubble Ultra Deep Field © NASA ESA

Einstein cherche très rapidement à appliquer ces équations, non pas seulement à des objets (des astres par exemple) en interaction gravitationnelle, mais à l’Univers tout entier. Et précisément, des solutions existent pour lesquelles l’Univers est en expansion. L’origine de l’expansion est donc à chercher du côté de la force gravitationnelle elle-même. En d’autres termes, l’Univers dans son ensemble est mu par la gravitation ! En paraphrasant Aristote, selon qui Dieu était le premier moteur de l’Univers, nous pouvons dire que la gravité est le premier moteur de l’évolution de l’Univers.