Notes sur l'accélération - L'expansion accélère, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur l'accélération - L'expansion accélère, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur effets de l’accumulation sur l' accélération - L'expansion accélère. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: l'expansion de l'Univers, les distances dans l'Univers, la relativité générale...
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Microsoft Word - Découvrir l'Univers Accélération - Energie sombre

L'expansion accélère

L'année 1998 fut l'une des plus importantes dates dans l'histoire de la cosmologie moderne. Deux équipes annoncèrent que l'expansion de l'Univers ne ralentissait pas comme on le pensait jusqu'alors, mais était en fait en pleine accélération. Les deux équipes étaient arrivées à cette conclusion de manière indépendante, en s'appuyant sur l'observation de supernovae de type Ia. Ce type de supernova est depuis longtemps utilisées pour mesurer les distances dans l'Univers. Les deux équipes observèrent les plus éloignées à l'époque, une cinquantaine au total, principalement grâce à des télescopes terrestres. Ces supernovae se révélèrent légèrement moins lumineuses et plus éloignées que ce que l'on pouvait déduire de leur décalage vers le rouge en s'appuyant sur la théorie standard d'une expansion en train de ralentir. Une analyse plus poussée des résultats montra que la seule explication possible était que l'expansion accélérait.

Les résultats de 1998 furent confirmés par une observation du télescope spatial en 2001. Celui-ci observa la supernova la plus lointaine connue, à une distance de plus de 10 milliards d'années-lumière et à un décalage vers le rouge de 1,7. Là encore, la supernova se révéla légèrement moins brillante que prévu, ce qui ne pouvait s'expliquer que par une expansion accélérée. L'analyse de ce résultat montra que l'expansion de l'Univers était freinée par la gravité pendant les premiers milliards d'années, mais commença à accélérer à une époque située il y a entre 4 et 8 milliards d'années.

La supernova qui confirma en 2001, grâce au télescope spatial, que l'expansion de l'Univers accélère. L'image du haut montre la région du ciel où la supernova fut détectée (cette image est connue sous le nom de Northern Hubble Deep Field). L'image en bas à gauche est un agrandissement où l'on aperçoit la galaxie elliptique qui contient la supernova. L'image en bas à droite est le résultat d'un traitement numérique. Il s'agit de la différence entre une image prise après l'explosion et une image prise avant

l'explosion. Les éléments qui n'ont pas changé entre les deux époques disparaissent ainsi, mais l'augmentation de luminosité due à la supernova est clairement visible. Crédit : A. Riess/STScI/NASA

Plus récemment, en 2003, une nouvelle observation du télescope spatial, cette fois-ci sur un échantillon de 11 supernovae de type Ia, a confirmé les observations précédentes.

L'énergie sombre

L'accélération de l'expansion a été interprétée comme la présence d'une force répulsive à grande échelle, capable de surmonter la force gravitationnelle entre les différents constituants de l'Univers. La nature de cette force reste pour l'instant très mystérieuse et on lui a donné le nom d'énergie sombre.

Notons que l'année 2003 a également apporté des informations sur la composition de l'Univers. Les dernières observations du télescope spatial montrent que l'Univers est composé de 25 pour cent de matière et de 75 pour cent d'énergie sombre. Les observations du rayonnement fossile faites par le satellite WMAP ont donné une réponse encore plus précise : 4 pour cent de matière ordinaire, 23 pour cent de matière exotique et 73 pour cent d'énergie sombre. Les observations de ce satellite ont également montré que l'Univers était plat, du moins dans la limite des incertitudes de mesure.

La constante cosmologique

L'une des explications possibles de la force répulsive qui accélère l'expansion fait appel au concept assez ancien de constante cosmologique. Au début de ce siècle, après avoir mis au point sa théorie de la relativité générale, Albert Einstein l'appliqua à l'étude de l'Univers dans son ensemble. A sa grande surprise, il réalisa que dans leur forme originale les équations de la nouvelle théorie ne permettaient pas à l'Univers d'être statique et invariable dans le temps. Elles ne pouvaient s'accommoder que d'un Univers en expansion ou en contraction.

Or, à cette époque, la vision d'un Univers statique était partagée par toute la communauté astronomique. En conséquence, Einstein, plutôt que d'accepter le nouveau résultat, décida de modifier légèrement les équations de la relativité générale en y introduisant un terme supplémentaire appelé la constante cosmologique et noté Λ. Physiquement, ce terme s'interprétait comme une nouvelle force qui tendait à faire se repousser les corps de l'Univers les uns les autres. Einstein régla la constante de façon à ce que cette force de répulsion contrebalance exactement la gravitation. De cette manière, il obtenait bien un Univers statique, invariable dans le temps.

Bien sûr, une dizaine d'années plus tard, les observations d'Edwin Hubble montrèrent que l'Univers n'était pas statique, mais en expansion, et la constante cosmologique perdit sa raison d'être. Les théoriciens continuèrent néanmoins à étudier la façon dont une possible constante

cosmologique non nulle pourrait influencer l'évolution de l'Univers. Ils s'aperçurent alors que ce paramètre supplémentaire pouvait engendrer des comportements très divers.

L'un des cas les plus intéressant était celui d'une constante cosmologique légèrement supérieure à la valeur utilisée par Einstein. Dans ce cas, l'Univers serait né dans un Big Bang suivi d'une expansion ralentie par la gravité. Mais du fait de la constante cosmologique, l'effet de la gravité aurait finalement été surmonté par une force de répulsion à grande échelle, et l'Univers serait entré dans une phase éternelle d'expansion accélérée.

Ce cas de figure correspond assez bien aux observations actuelles et le concept de constante cosmologique est donc revenu sur le devant de la scène, même s'il n'apporte guère de réponse quant à la nature physique de l'énergie sombre. Notons en particulier que les observations de WMAP ont montré que l'énergie sombre s'apparentait plus à une constante cosmologique qu'à certaines autres hypothèses avancées pour expliquer l'énergie sombre.

Remarquons, pour finir, que dans un tel scénario, l'âge réel de notre Univers est plus grand que la valeur déduite de H0. Ceci pourrait lever une contradiction possible entre âge apparent de l'Univers et âge de certains de sesconstituants, si ce dernier s'avérait plus grand.  

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