LA STRUCTURE DE L'UNIVERS

La partie de l'Univers accessible à l’œil nu est bien limitée puisque nous voyons à peine la galaxie d'Andromède, qui est pourtant notre proche voisine, alors que les milliards d'autres galaxies qui peuplent l'Univers ne sont observables qu'au travers de grands télescopes munis de détecteurs beaucoup plus sensibles que l'oeil.

Que nous ont appris les télescopes ?

Les galaxies sont réparties en groupes, ou amas, eux-mêmes regroupés en superamas. Cette structure en poupée gigogne semble d'ailleurs s'arrêter là. Tout récemment, on a découvert qu'il y avait de vastes zones de l'Univers vides de toute galaxie et on a trouvé de grandes structures filamentaires suivant lesquelles les galaxies étaient réparties comme une chaîne. Parfois, même, ces filaments semblent courir à la surface d'énormes bulles.

On s'oriente maintenant vers l'idée d'une structure en éponge à grande échelle suivant laquelle il y aurait effectivement de vastes zones vides de galaxies, avec une distribution continue de galaxies autour de ces espaces vides. Il ne s'agirait pas pour autant d'un gruyère car les zones vides, tout comme les zones pleines, auraient une continuité entre elles, exactement comme dans une éponge.

Simuler l'Univers (NASA)

L'Univers est-il immuable ?

A l'échelle humaine, on ne voit rien changer. Les galaxies dans le ciel ont la même disposition et, bien qu'elles tournent sur elles-mêmes à des vitesses de rotation de plusieurs centaines de kilomètres par seconde à leur périphérie, elles sont si grandes et si lointaines que cette rotation ne change pas leur aspect de manière significative pendant des millénaires. Seule la mesure directe de la vitesse permet donc de prendre conscience des mouvements dans les galaxies.

L'Univers lui-même n'a pas une structure figée mais, là encore, seules les mesures de vitesse permettent de s'en rendre compte. Mais comment peut-on mesurer ces vitesses ?

Comment mesurer les vitesses des astres ?

L'effet Doppler-Fizeau est bien connu en acoustique. Lorsqu'un véhicule vient vers nous en émettant un son à une certaine fréquence (véhicule actionnant un avertisseur sonore, par exemple), il va à la rencontre des ondes qu'il émet (et qu'on peut imaginer comme une série de vagues concentriques lorsque le véhicule est au repos). Le son nous paraît plus aigu qu'il n'est en réalité car, en raison du déplacement du véhicule, nous percevons des séries de vagues plus serrées qu'elles ne le sont à l'origine. A l'inverse, une fois que le véhicule est passé à côté de nous et s'éloigne, le son apparaît plus grave car le véhicule abandonne alors derrière lui les vagues sonores qui nous apparaissent ainsi plus étalées qu'elles ne le sont à l'origine.

Ce phénomène est identique pour la lumière qui est un phénomène vibratoire (à la différence près que les ondes lumineuses se propagent sans support, contrairement aux ondes acoustiques qui ont besoin de l'air pour se propager). Les ondes lumineuses émises par un astre s'approchant de nous vont donc nous apparaître avec une longueur d'onde plus courte qu'en réalité, ce qui correspond à un décalage des couleurs vers le bleu (les différentes couleurs correspondent à des longueurs d'ondes différentes des ondes lumineuses, du violet-bleu jusqu'au rouge dans l'ordre croissant de longueur d'onde). A l'inverse, un astre s'éloignant de nous nous apparaîtra avec un décalage vers le rouge. L'application de l'effet Doppler montre que vous pouvez ainsi, en toute bonne foi, voir un feu de signalisation vert alors qu'il est rouge pour peu que votre vitesse soit assez grande en arrivant au carrefour. Votre excès de vitesse devra être toutefois assez considérable puisqu'il vous faudra pour cela atteindre environ 100 000 km/s, c'est-à-dire un tiers de la vitesse de la lumière !

Toutefois, l'effet Doppler ne nous permet de mesurer que la vitesse radiale d'un astre, c'est-à-dire la vitesse suivant la ligne de visée. Il nous manque donc la composante de vitesse tangentielle, celle qui correspond au déplacement apparent de l'astre observé dans le ciel et reste donc impossible à mesurer pour les objets lointains (tout au moins à l'échelle humaine).

Il faut aussi préciser que les étoiles visibles dans le ciel et les galaxies voisines de la nôtre ont des vitesses trop faibles pour que l'effet Doppler provoque un décalage de couleur perceptible à l'oeil. Ainsi, les étoiles que nous voyons rouges ne sont pas en train de s'éloigner mais sont réellement de couleur rouge, de même que les étoiles bleues ne sont pas en train de se rapprocher mais sont réellement de couleur bleue. La mesure de leur décalage de couleur est très délicate et nécessite un appareillage spécial.

La mesure de l'effet Doppler se fait essentiellement à partir de spectres des astres observés. Un spectre est le résultat de la décomposition de la lumière d'un astre en ses différentes composantes et, donc, en ses différentes couleurs. La comparaison avec un spectre d'étalonnage d'un objet immobile permet de mesurer le déplacement relatif du spectre de l'astre observé. En général, on regarde le décalage des raies dans le spectre (les raies spectrales), chaque raie ayant une couleur caractéristique et correspondant à un élément constitutif de l'astre observé. Les appareils placés derrière les télescopes et permettant d'obtenir des spectres d'astres s'appellent des spectrographes.

D'autres techniques de mesure de l'effet Doppler sont également utilisées en astronomie, fondées notamment sur les interférences lumineuses, comme l'interféromètre de Pérot et Fabry inventé à Marseille au début du siècle et essayé la première fois en 1914 à l'Observatoire de Marseille pour mesurer les vitesses du gaz dans la nébuleuse d'Orion.

On peut noter d'autres applications de l'effet Doppler dans la vie courante, comme la mesure de la vitesse des véhicules par radar ou encore la mesure de la vitesse du sang dans les vaisseaux sanguins, ce qui permet de localiser des rétrécissements éventuels (pour conserver le débit, la vitesse du sang est alors localement plus élevée).

L' humain est-il au centre de l'univers ? (NASA)

Dans les années 1920 à 1930, l'astronome Hubble a constaté que toutes les galaxies avaient leurs spectres décalés vers le rouge et ce d'autant plus nettement qu'elles étaient plus lointaines; autrement dit, les galaxies s'éloignent de nous d'autant plus vite qu'elles sont plus lointaines. L'interprétation la plus simple, qui s'est d'ailleurs largement confirmée depuis, est que l'Univers est en expansion. L'Univers est né il y a 10 milliards à 15 milliards d'années dans une vaste "explosion", qu'on appelle souvent le Big-Bang  (on devrait dire le Grand Boum en français), et les parties d'Univers qui ont été "éjectées" avec la vitesse la plus grande sont maintenant les plus lointaines. Cela explique bien pourquoi une galaxie a une vitesse de fuite d'autant plus grande qu'elle est plus éloignée.

Pourtant, un problème philosophique se posait. On croyait en avoir fini avec ce vieux principe d'anthropomorphisme qui veut que l'homme soit au centre de tout. On avait fini par comprendre que la Terre tournait autour du Soleil et non pas l'inverse, on avait ensuite vu que le Soleil lui-même était loin du centre galactique et qu'il lui tournait autour, mais voilà que, tout d'un coup, on se retrouvait au centre de l'explosion d'où l'on voyait fuir toutes les galaxies, au centre de l'Univers lui-même...

En fait, chaque galaxie voit toutes les autres s'éloigner et pourtant aucune n'est au centre. On peut, pour mieux comprendre cela, donner une image simplifiée mais parlante. Imaginons un Univers constitué par la surface d'un ballon de baudruche; sur sa surface sont placés des points représentant des galaxies (c'est donc un Univers à deux dimensions plongé dans notre Univers à trois dimensions). Si on gonfle ce ballon de baudruche, on voit tout de suite que les points s'éloignent tous les uns des autres sans pour autant qu'il y en ait un privilégié, chacun voit tous les autres s'éloigner de lui. Le point initial, quant à lui, ne fait même plus partie de l'Univers considéré, réduit ici à la surface du ballon. D'autre part, on a affaire à un Univers fini (son étendue n'est pas infinie, elle correspond à la surface du ballon) et sans borne (c'est-à-dire qu'on peut se promener partout, en faire tout le tour sans jamais rencontrer de mur ou d'obstacle sur son chemin). Eh bien, notre Univers est certainement comme cela, fini mais sans borne. Quant à imaginer réellement sa structure, c'est autre chose car, en extrapolant l'image précédente, il faudrait imaginer un Univers à trois dimensions qui se gonflerait dans un Univers à quatre dimensions... On peut décrire le phénomène mathématiquement par des équations mais se le représenter dans la tête est une autre paire de manches.

L'Univers est-il réellement tel qu'on le voit ?

Compte tenu de la vitesse finie de la lumière (300 000 km/s), les galaxies lointaines qu'on aperçoit ne sont déjà plus à l'endroit observé et, surtout, n'ont sûrement plus actuellement l'aspect qu'on leur voit. En effet, lorsqu'un objet est situé à des milliards d'années-lumière, cela veut dire qu'on reçoit aujourd'hui seulement la lumière émise il y a des milliards d'années. C'est une façon de remonter le temps, car plus on regarde des objets éloignés et plus on les voit jeunes, autrement dit, plus on se rapproche de la naissance de l'Univers. En regardant suffisamment loin dans l'Univers, on devrait donc pouvoir observer la lueur de l'explosion originelle!

Cette dernière reste malheureusement inaccessible car on ne peut pas remonter plus loin que le moment où la matière et le rayonnement, intimement mêlés au départ dans une boule opaque très dense et très énergétique, se sont physiquement séparés. La lumière a alors pu enfin s'échapper de la boule mais elle apparaît si décalée vers les courtes longueurs d'onde par l'effet Doppler dû à l'expansion qu'on la perçoit sous forme de rayonnement radio. On capte de tous les points de l'Univers le rayonnement caractéristique correspondant à cette séparation. C'est un rayonnement en ondes radio de très courte longueur d'onde, ultime témoin de la formation de l'Univers, découvert par Penzias et Wilson en 1964, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique en 1978.

Ce rayonnement a été baptisé rayonnement cosmologique à 3 K (degrés Kelvin) car il est caractéristique d'un corps à cette température.

L'Univers était, en fait, beaucoup plus chaud (aux environs de 3 000 degrés) lors du découplage matière-rayonnement mais l'effet Doppler résultant de l'expansion a décalé le rayonnement correspondant des longueurs d'ondes visibles aux longueurs d'ondes radio.

Qu'est-ce qu'un quasar ?

Les galaxies les plus lointaines qu'on puisse observer sont vues, nous l'avons dit, alors qu'elles étaient relativement jeunes. Au-delà d'une certaine limite, on ne voit plus de galaxies (en grande partie d'ailleurs à cause du fait que le rayonnement qui nous parvient devient trop faible pour être détecté), mais des quasars. Ce nom vient du raccourci de l'anglais quasi stellar car, sur les images prises avec des grands télescopes, ces objets apparaissent comme des étoiles et non comme des galaxies. Rapidement, on s'est aperçu que ces objets n'étaient pas des étoiles mais des objets très lointains, plus lointains que les galaxies; et, surtout, compte tenu de leur éloignement, des objets intrinsèquement très brillants.

On pense actuellement qu'il s'agit de galaxies jeunes, ou peut-être même en formation, que nous voyons dans une phase d'activité importante, notamment au niveau de leur noyau.

L'Univers sera-t-il toujours en expansion ?

L'expansion de l'Univers se fait à la suite de l'impulsion originelle donnée par le Big-Bang, elle se perpétue donc sur la lancée. La force de gravitation due à la masse des milliards de galaxies constituant l'Univers va donc peut-être avoir raison un jour de cette expansion, du moins la ralentira-t-elle. S'il y a suffisamment de masse dans l'Univers, on pourra même avoir renversement de la tendance et contraction de l'Univers jusqu'à repasser par un point ultime de contraction qui pourra amener ensuite à un nouveau Big Bang. L'Univers aurait alors des cycles perpétuels d'expansion-contraction.

Pour l'instant, si l'on s'en tient à l'estimation de masse qu'on peut faire à partir de la matière visible dans l'Univers, il n'y a pas assez de masse pour ralentir l'expansion (on dit souvent pour "fermer" l'Univers). Celui-ci est donc "ouvert" et condamné à une expansion infinie. Tout se diluera donc progressivement et ce sera la mort lente par refroidissement généralisé.

Mais toutes les découvertes récentes amènent à découvrir de la masse qui était jusque-là sous des formes indétectables: on est donc constamment en train de réviser à la hausse la quantité de matière présente dans l'Univers. On est encore loin d'arriver à la valeur correspondant à la fermeture de l'Univers, mais rien ne dit qu'on n'y arrivera pas. Par exemple, il suffirait que le neutrino ait une masse, même très modeste, pour " fermer " l'Univers, tant les neutrinos sont nombreux. Mais, pour l'instant, on n'a pu donner que des limites supérieures à cette masse. La physique des particules apportera peut-être bientôt, grâce à l'étude de l'infiniment petit, la réponse à ce problème qui touche à l'infiniment grand.

En cas de fermeture de l'Univers, il faudrait s'attendre qu'un jour il se recontracte et que sa densité et sa température augmentent jusqu'à provoquer un nouveau Big-Bang. Ce serait alors la mort dans un enfer de feu et de flammes.

On voit qu'il n'y a aucun moyen d'y échapper, dans un cas comme dans l'autre. Mais, de toute façon, nous avons plusieurs dizaines de milliards d'années pour prendre toutes nos dispositions...

Et avant le Big-Bang ?

Y avait-il quelque chose avant le Le Big-Bang: Même si l'on admet l'hypothèse d'un Univers cyclique avec expansion-contraction, ce cycle a bien dû commencer un jour... On arrive là dans le domaine de la philosophie. Ce qui rassurera certains, c'est que Dieu a ainsi toujours sa place, même au milieu des théories scientifiques les plus évoluées...

Le satellite Hipparcos a catalogué plus de 100 000 étoiles : position, parallaxe, déplacement. Les mesures de parallaxe ont permis de mesurer les distances des étoiles jusqu'à 20 000 années lumière. Ces données ont conduit à réévaluer l'âge de l'univers désormais estimé  entre 10 et 13 milliards d'années. Ces valeurs se rapprochent de celles prévues par les cosmologistes : entre 9 et 12 milliards d'années.

http://spt06.chez.tiscali.fr/home.htm


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07/01/2016.