Introduction
L'expansion de l'univers est l'un des piliers de la cosmologie moderne. Elle décrit le fait que l'espace entre les amas de galaxies s'étire, entraînant un éloignement général des structures à grande échelle. Cette expansion n'est pas un mouvement dans l'espace préexistant, mais une propriété dynamique de l'espace-temps lui-même, prédite par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Sa découverte a marqué la fin de l'idée d'un univers statique et éternel, ouvrant la voie à la cosmologie du Big Bang.
Description
L'expansion se manifeste par le décalage vers le rouge (redshift) de la lumière des galaxies lointaines. Ce phénomène, analogue à l'effet Doppler pour le son, indique que les sources lumineuses s'éloignent de nous. La loi de Hubble-Lemaître, formulée en 1929, établit une relation de proportionnalité directe entre la vitesse de récession d'une galaxie et sa distance : plus une galaxie est loin, plus elle semble s'éloigner rapidement. Le taux d'expansion actuel est quantifié par la constante de Hubble (H₀). L'expansion est uniforme et isotrope à grande échelle, ce qui signifie qu'elle se produit de la même manière dans toutes les directions, sans centre privilégié. Un point crucial est que ce sont les amas de galaxies qui s'éloignent les uns des autres ; les structures liées par la gravité (comme notre Galaxie, le système solaire ou les atomes) ne se dilatent pas.
Histoire
Les fondements théoriques furent posés en 1915 avec la relativité générale d'Einstein. Bien qu'il ait initialement introduit une constante cosmologique pour obtenir un univers statique, les solutions mathématiques de l'équation par Alexander Friedmann (1922) et Georges Lemaître (1927) révélaient un univers en expansion ou en contraction. Lemaître, prêtre et physicien belge, proposa explicitement l'idée d'un 'atome primitif' et d'un univers en expansion à partir de données rudimentaires. La confirmation observationnelle vint en 1929 grâce à l'astronome américain Edwin Hubble. En analysant les mesures de distances et les redshifts de galaxies réalisées par Vesto Slipher, il établit la relation linéaire qui porte son nom. Cette découverte fut rapidement acceptée et conduisit au modèle du Big Bang, développé par Lemaître, George Gamow et d'autres. Une avancée majeure survint en 1998 avec l'observation de supernovas lointaines, révélant que l'expansion s'accélère sous l'effet d'une énergie mystérieuse : l'énergie noire.
Caracteristiques
L'expansion possède plusieurs caractéristiques clés. Elle est décrite par le facteur d'échelle, un nombre qui quantifie comment les distances cosmologiques évoluent avec le temps. Le taux d'expansion (constante de Hubble) n'est pas constant dans le temps ; il a changé sous l'influence relative de la matière/énergie et de la courbure de l'univers. L'énergie noire, composante dominante aujourd'hui (environ 68%), est responsable de l'accélération actuelle. La matière (ordinaire et noire) tendait à ralentir l'expansion par attraction gravitationnelle. L'expansion définit un horizon cosmologique, la distance maximale d'où la lumière a pu nous parvenir depuis le Big Bang. Elle implique aussi un passé plus chaud et plus dense, confirmé par le fond diffus cosmologique, rayonnement fossile émis 380 000 ans après le Big Bang.
Importance
L'importance de cette découverte est colossale. Elle a établi la cosmologie comme une science observationnelle et quantitative. Elle fournit le cadre pour comprendre l'histoire thermique de l'univers, la formation des éléments légers (nucléosynthèse primordiale) et l'origine des grandes structures. La découverte de l'accélération, due à l'énergie noire, a révélé une physique fondamentale encore inconnue, représentant l'un des plus grands défis de la physique théorique actuelle. L'expansion est aussi à la base de méthodes de mesure des distances cosmiques et de l'âge de l'univers (environ 13,8 milliards d'années). Enfin, elle pose des questions profondes sur le destin ultime du cosmos : expansion éternelle et accélérée, ou possible 'Big Rip' ou 'Big Freeze'.
