Peut-être la plus grande découverte sur l'Univers que nous ayons faite à la fin du siècle dernier, lorsque nous avons découvert l'une des vérités cosmiques les plus étranges: les galaxies lointaines non seulement s'envolent à mesure que le temps avance, mais aussi s'envolent de plus en plus vite. La découverte de l'expansion accélérée de l'Univers dans le cadre du projet de cosmologie Supernova avec l'aide de l'équipe de recherche High-z Supernova a valu aux scientifiques le prix Nobel de physique. Bien que ce soit l'un des phénomènes les plus étranges et les plus inhabituels de l'univers.
Le fait est que l'Univers n'a pas toujours accéléré, s'envolant loin de nous. Pendant des milliards d'années, l'expansion s'est ralentie, et pour quelqu'un vivant il y a dix milliards d'années, il peut sembler qu'elle se contracte. Qu'est-il arrivé?
Dans les années 1920, quatre éléments de preuve ont été présentés - trois observables et un théorique - que l'univers était en expansion. Les voici:
1. Découvert que les nébuleuses spirales du ciel nocturne étaient de véritables galaxies, ou «univers insulaires» contenant des milliards d'étoiles et situés bien au-delà de la Voie lactée.
2. La mesure des déplacements des rouges et des bleus de ces galaxies par Vesto Slifer a montré à quelle vitesse ces galaxies s'éloignent de nous (redshift) ou s'approchent de nous (blueshift), et la grande majorité a suivi le premier scénario.
3. Les mesures de distance à chacune de ces galaxies ont été effectuées par Edwin Hubble et son assistant Milton Humason. Combinés aux observations de Slipher, ils ont révélé une relation claire: plus la galaxie était éloignée, plus elle semblait s'éloigner de nous rapidement.
4. Enfin, un puissant saut théorique fait par la théorie générale de la relativité d'Einstein: la prise de conscience que l'Univers, qui est rempli de galaxies à peu près de la même densité dans toutes les directions, doit être instable à moins qu'il ne se dilate ou ne se contracte.
Cela a conduit à une image de l'univers de 1929: il était plus chaud, plus dense et s'est développé plus rapidement dans le passé, puis est devenu plus froid, moins dense et s'est développé plus lentement avec le temps.
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C'est assez logique du point de vue du Big Bang. Imaginez le Big Bang comme le pistolet de départ d'une grande course spatiale, une course entre l'expansion initiale d'un côté, qui était très rapide au début, et la gravité de l'autre côté, qui rassemble tout. Il est facile d'imaginer trois options différentes, chacune se traduisant par un rythme différent de l'univers:
1. Grande compression. Le taux d'expansion initial était peut-être assez élevé, mais la force de gravité était plus forte. L'expansion devrait ralentir et s'arrêter. L'univers doit atteindre sa taille maximale et commencer à se rétrécir. Et enfin, il doit s'effondrer à nouveau, revenir à l'état d'avant le Big Bang.
2. Grande congélation. C'est le scénario opposé au précédent: dans lequel l'expansion démarre rapidement et la gravité la ralentit, mais pas assez. L'expansion dure éternellement, la gravité la ralentit tout le temps, mais ne peut pas l'arrêter. Ce scénario est connu sous le nom de Heat Death of the Universe: The Great Freeze.
3. Univers critique. Il est également possible que vous vous trouviez au milieu, lorsque le taux d'expansion et la gravité s'équilibrent, et que le taux d'expansion ralentira avec le temps. Une particule de moins, une particule de plus dans l'Univers - et vous obtenez le premier ou le deuxième scénario. Mais cette particule n'existe pas. Le scénario de «l'univers critique» conduirait à la mort thermique la plus lente possible.
Pendant des milliards d'années, il semblait que l'option critique l'emporterait. Vous voyez, lorsque vous vivez dans l'univers et que vous regardez différentes galaxies, vous pouvez non seulement mesurer le taux d'expansion actuel, mais en regardant les galaxies les plus éloignées, vous pouvez également mesurer le taux d'expansion au début de l'histoire de l'univers.
Cette image montre des galaxies déjà inaccessibles pour nous.
Pendant des milliards d'années - environ sept milliards pour être exact - il semblait que nous vivions dans un univers critique. L'expansion a commencé à l'ère des radiations (photons et neutrinos), puis tout s'est suffisamment refroidi pour que l'ère de la matière (ordinaire et sombre) commence. Au fur et à mesure que l'univers continuait de s'étendre, la densité de la matière diminuait et diminuait à mesure que le volume de matière augmentait et la masse restait la même.
Mais à un moment donné, la densité de la matière est tombée à une valeur si basse qu'un autre contributeur plus subtil à la densité d'énergie de l'Univers a émergé: l'énergie noire. En environ sept milliards d'années, la valeur de la matière noire atteignait plusieurs pour cent de la densité énergétique totale, et au moment où l'univers avait 7,8 milliards d'années, la densité de l'énergie noire avait atteint une valeur importante: 33% de la densité énergétique totale de l'univers. Ceci est important car cette quantité d'énergie noire est nécessaire pour que le taux d'expansion commence à augmenter.
Depuis lors, il y a environ 6 milliards d'années, la densité de matière a commencé à décliner, tandis que l'énergie noire est restée constante. Actuellement, la matière noire représente environ 68% de l'énergie totale de l'univers et la matière est tombée à 32% au total (27% de matière noire et 5% de matière ordinaire). Au fil du temps, à l'avenir, la densité de la matière continuera de baisser, tandis que la densité de l'énergie sombre restera constante, l'énergie sombre sera de plus en plus répandue.
Densité d'énergie dans l'univers à différents moments de son passé
Pour les galaxies individuelles, cela signifiera qu'une galaxie qui a commencé à s'éloigner de nous au moment du Big Bang plus rapidement que d'autres démontrera une diminution évidente de la vitesse (de notre point de vue) au cours des 7,8 premiers milliards d'années. Ensuite, le taux de décélération cessera de baisser et restera inchangé pendant un certain temps. Ensuite, elle commencera à se développer et la galaxie commencera à s'éloigner de nous encore plus vite qu'auparavant, car l'espace entre nous et les galaxies lointaines s'étendra à une vitesse énorme. À un moment donné - et c'est effrayant car cela s'applique à 97% des galaxies de notre univers visible - chaque galaxie en dehors de notre groupe local s'éloignera à une vitesse dépassant la vitesse de la lumière, devenant ainsi hors de notre portée en raison de limitations physiques.
La taille actuelle de l'univers visible est soulignée en jaune: 46 milliards d'années-lumière; La taille que nous pouvons atteindre est en rose: 14,5 milliards d'années-lumière
Pour autant que nous puissions le dire, l'univers a toujours eu la quantité d'énergie sombre qu'il a maintenant inhérente au cosmos lui-même. Mais il a fallu 7,8 milliards d'années, soit toute l'histoire de l'Univers un milliard et demi d'années avant la formation de notre système solaire, pour que la densité de la matière tombe à un niveau tel que l'énergie noire a pris le dessus sur l'expansion de l'univers. Depuis lors, toutes les galaxies en dehors de notre groupe local se sont éloignées de nous et continueront de reculer jusqu'à ce que la dernière disparaisse. L'univers s'est étendu au cours des six derniers milliards d'années, et si nous étions apparus plus tôt, nous n'aurions peut-être pas dépassé ces trois options offertes par notre intuition. Au mieux, nous ne pouvions que deviner ce qu'est exactement l'univers. Et ce serait notre plus grande récompense.