Notes sur le thème de découvrir l'Univers: relativité générale - cosmologie, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 janvier 2014

Notes sur le thème de découvrir l'Univers: relativité générale - cosmologie, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le thème de découvrir l'Univers: relativité générale - cosmologie. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: La relativité générale et l'Univers, Trois paramètres pour décrire l'Univers,
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La relativité générale et l'Univers

C'est par l'observation du ciel, plutôt que par la théorie, qu'Edwin Hubble découvrit en 1929

que l'Univers était en expansion. Cette découverte ne prit cependant pas complètement la

communauté astronomique par surprise. En effet, plusieurs théoriciens avaient montré par

leurs équations que l'Univers pouvait très bien être en expansion plutôt que statique.

Très peu de temps après la publication de la relativité générale par Einstein, certains

astronomes commencèrent à s'appuyer sur l'outil mathématique qu'elle leur fournissait pour

élaborer des modèles théoriques de l'Univers. Einstein lui-même s'attaqua au problème en

1917 et aboutit au premier modèle de l'Univers s'appuyant sur la relativité générale. Ce modèle

décrivait un Univers statique et invariable dans le temps, mais uniquement car Einstein avait en

fait forcé ses équations à donner un tel résultat.

La même année, l'astronome hollandais Willem de Sitter s'attaqua également au problème. Il mit

alors au point un modèle dans lequel, à sa grande surprise, la distance entre deux points de

l'espace devait augmentait avec le temps : il venait d'obtenir la premier modèle théorique d'un

Univers en expansion. Ce modèle avait néanmoins le défaut d'être trop simpliste car il décrivait

un Univers vide dépourvu de matière, et l'impact de cette découverte fut limité.

C'est finalement en 1922 que le mathématicien russe Alexandre Friedmann réussit à développer

des modèles réalistes de l'Univers, dans lesquels celui-ci était en expansion. Ce qui n'était à

l'époque que théorie allait bientôt être confirmé par les observations d'Edwin Hubble. Notons

que les modèles de Friedmann servent encore de référence de nos jours, même si des

observations de la fin des années 1990 ont montré qu'ils étaient trop simples pour

parfaitement décrire l'Univers.

Trois paramètres pour décrire l'Univers

En développant ses modèles, Alexandre Friedmann montra que l'Univers, considéré d'un point

de vue global, pouvait être décrit par trois paramètres. Bien que les équations étaient très

complexes, seuls trois paramètres étaient nécessaires pour donner une description complète de

l'Univers et déterminer aussi bien sa géométrie que son évolution dans le temps. Depuis lors,

l'un des buts majeurs de la cosmologie a été de déterminer ces trois paramètres cruciaux.

Le premier de ces paramètres est la constante de Hubble, notée H0, et qui apparaît dans la loi

qui relie la vitesse de récession d'une galaxie à sa distance. Cette constante détermine le

rythme de l'expansion. Elle nous permet donc également de calculer le temps qui nous sépare

du Big Bang, soit l'âge de l'Univers.

Le deuxième paramètre mesure la décélération de l'expansion sous l'effet de l'attraction

gravitationnelle. En effet, les galaxies et amas qui peuplent l'Univers s'attirent les uns les autres

sous l'effet de la gravité. L'effet global est une sorte de force interne qui freine l'expansion et

tendrait plutôt à provoquer une contraction. Ce deuxième paramètre mesure cet effet et est par

conséquent appelé paramètre de décélération et noté q0.

Enfin, le troisième paramètre est la densité moyenne dans l'Univers, notée ρ. Ce paramètre

mesure la quantité de matière présente dans un volume donné d'espace. C'est lui qui détermine

en grande partie le futur de l'Univers. En effet, même si ce dernier est aujourd'hui en expansion,

rien ne nous garantit qu'il le sera éternellement puisque l'interaction gravitationnelle tendrait

plutôt à provoquer une contraction. Le problème qui se pose est donc de savoir qui, de

l'expansion ou de la gravité, va l'emporter. La réponse dans le modèle de Friedman est fournie

directement par ce troisième paramètre.

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