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El Achkar Halim
17 Octobre 2016
De l’Univers statique et infini à l’Univers en expansion
Dans cette présentation, dédiée au cours d’histoire de l’astronomie, nous allons raconter en
général comment la transition d’un Univers statique et infini à un Univers en expansion s’est
faite en mentionnant les plus importantes questions problèmes, erreurs et paradoxes que pose ce
modèle. Vu que le temps de présentation est limité je ne pourrais pas être très exhaustif, ainsi que
je ne pourrais pas mentionner tous les évènements historiques relatif à ce sujet. En revanche, je
me contente de faire une étude générale en mentionnant les choses les plus intéressantes, en
respectant un ordre chronologique et une approche scientifique.
Depuis Aristote on s’est posé la question de savoir ce qu’il y avait à l’extrémité du ciel tous
comme cet astronome dans cette illustration (figure 1) qui a percé la voute céleste à la recherche
de réponses. L’infinité de l’Univers était souvent reliés à la métaphysique, tandis que si on
considère l’Univers fini, ne doit-il pas se trouver dans une enceinte ? Au 16ème siècle, le temps de
Copernic et de Tycho Brahe et du modèle héliocentrique, Thomas Digges a introduit la notion
d’Univers infini. Cette notion a été abordée par les scientifiques jusqu’au début de 20ème siècle.
Même dans la théorie d’Einstein l’espace est temporellement infinie mais spatialement finie.
Un Univers statique est un modèle cosmologique dans lequel l'Univers est à la fois spatialement
et temporellement infini, et l'espace n’est ni en contraction ni en expansion. Plusieurs
scientifiques se sont posé des questions à propos du modèle d’un Univers statique et des
contradictions qu’il apporte. Comme on ne peut pas tout dire, j’ai décidé de parler à propos de
ces deux dilemmes intéressants. Premièrement, Newton s’est demandé la question que dans le
cas d’un Univers statique la gravité doit attirer les corps vers le centre de l’Univers. Donc il
semblait que les étoiles ne peuvent pas être stationnaires. Mais en 1691 il explique dans une
lettre à Richard Bentley (Hawking, 1988) que si l’Univers est infini cela ne pourra pas se passer
car il n’y aurait pas de centre. Dans un Univers infini, tout point est considéré comme centre.
Deuxièmement, en 1823, Heinrich Olbers argumente que si l’Univers est infini et rempli
d’étoiles uniformément réparties, alors chaque direction d’observation devrait aboutir à la
surface d’une étoile (comme dans la figure 2) et donc le ciel nocturne devrait être aussi brillant
que la surface d'une étoile moyenne comme notre Soleil (Paradoxe d'Olbers, n.d.). Parce que la
luminosité d’une étoile ne dépend pas de sa distance. Un contre-argument suggère que la lumière
provenant des étoiles est bloquée par des corps interstellaires. Cependant, si les étoiles ont
toujours existé dans ce cas ces corps sont supposés s’échauffer et devenir lumineux comme une
étoile, ce qui nous rend au problème initial. La seule explication possible c’est que les étoiles ne
brillent pas depuis toujours et que les corps interstellaires n’ont pas eu le temps de se réchauffer
et que la lumière de certaines étoiles lointaines n’est pas encore arrivée.
Maintenant il est temps d’aborder la constante cosmologique d’Einstein. En 1917 lorsqu’Einstein
a introduit la théorie de relativité générale, il a introduit une constante cosmologique. Cette
constante est un paramètre qu’Einstein a ajouté dans les équations de sa théorie pour compenser
la force attractive de gravitation rendant ainsi sa théorie compatible avec l’idée d’un Univers
statique. La constante est : 𝛬=1/𝑎^2 où a est le rayon de l’Univers d’Einstein c’est-à-dire le
rayon de courbure de la 3-sphère décrivant l’espace. À l’époque il y a eu plusieurs suggestions
que l’Univers est en expansion et qu’Einstein réfutait. Par exemple, en 1922 Alexandre Friedman
prouva que les équations d’Einstein sont valables pour un Univers dynamique, et en 1927
Georges Le maître a déduit que l’Univers est en expansion en combinant relativité générale et
observations astrophysique. Ce n’est qu’en 1931 après qu’Einstein a vu les observations du
décalage vers le rouge de Hubble qu’il renie sa constante cosmologique et la qualifie de « plus
grande bêtise de sa vie » et remet un nouveau modèle adopté jusqu’en 1990.
En 1929 Edwin Hubble montre en analysant les raies dans les spectres des galaxies qu’ils
apparaissent systématiquement décalés vers le rouge. La figure 4 montre que plus la galaxie
s’éloignent rapidement plus le décalage vers le rouge est important. Ce décalage spectral, dû à la
vitesse de fuite des galaxies et interprété via l'effet Doppler, est proportionnel à la distance des
galaxies. Il déduit la Loi de Hubble: 𝑉=𝐻𝑜 𝑑 où Ho est la constante de Hubble et varie 50 et 70
km/s/Mpc. V étant la vitesse des galaxies et d leur distance. C’est ainsi que l’expansion de
l’Univers est démontrée.
Pour conclure, les observations d’Edwin Hubble ont démontré l’expansion de l’Univers. Depuis,
le modèle de l’univers a changé en un Univers en expansion. Ce modèle a été adapté jusqu’en
1990. De plus, de nouvelle découverte ont été faite comme le Big Bang ouvrant la porte sur de
nouvelles questions et débats.