Faut-il croire au big bang?
  Un peu de relativité











Initiation aux principaux concepts conduisant à la courbure de l'espace-temps selon la théorie de la relativité générale d'Einstein



Les théories de Newton
et d'Einstein



Etude et mise en équations du mouvement de deux corps

La théorie de la gravitation élaborée par Einstein en 1916 trouve un champ d’application idéal avec l’Univers. C’est le terrain de jeu favori de la relativité générale. On aboutit à trois géométries possibles de l’espace : ouverte, fermée, ou intermédiaire et "critique".

Quand l’espace se courbe…
Une fois les principes de base posés, il reste à prédire et décrire l’évolution de l’Univers. Pour cela, on invoque les équations qui régissent la dynamique de l’espace, du temps, de la matière et de l'énergie. Autrement dit, on fait appel à la relativité générale. Albert Einstein en a jeté les fondements en 1916. De quoi s’agit-il ? De la théorie moderne de la gravitation. Selon la vision classique, la Lune tourne autour de la Terre et notre planète autour du Soleil en raison du pouvoir d’attraction des masses les unes sur les autres : c'est la force de gravité. Cependant, la relativité préfère considérer que la matière courbe déforme, puis infléchit la structure même (la géométrie) de l’espace et du temps. Les corps en mouvement sont alors conduits à adapter leur trajectoire à ce nouveau type d'espace. Comme le résume l'Américain John Wheeler, inventeur du terme "trou noir" : "la matière dit à l’espace de se courber et l’espace dit à la matière comment se déplacer". Les prédictions de la théorie s’avèrent beaucoup plus précises que celle de la gravitation universelle énoncée en 1687 par le Britannique Isaac Newton. Surtout, elle s’applique à tous les objets même ceux animés d’une vitesse rapide proche de celle de la lumière. La relativité a emporté sa première victoire lorsque l'on s'est aperçu qu'elle explique fort bien les irrégularités du mouvement de la planète Mercure ainsi que le faible déplacement apparent des étoiles observé lors d’une éclipse de Soleil en 1919. Mais le plus grand triomphe du legs d’Einstein est sans doute d’avoir permis de rendre compte du ralentissement du mouvement d'un couple d'étoiles denses : le pulsar binaire PSR 1913+16 de la constellation de l’Aigle, qui rayonne son énergie sous forme d’ondes de gravité (ondes gravitationnelles). Enfin, les trous noirs eux-mêmes ainsi que les mirages gravitationnels ne sont correctement décrits que dans ce cadre cohérent.

L’Univers, terrain favori de la relativité
À partir du contenu de l’Univers ­ c’est-à-dire la matière et l’énergie ­ il devient possible de prédire comment l’espace va se courber et se déformer. Les premiers scientifiques à avoir mis cette question en équation, en s’appuyant sur l'héritage de la relativité, sont : le Russe Alexandre Friedmann, en 1922, et le chanoine belge Georges Lemaître, en 1927.

La courbure géométrique ­ donc l’avenir ­ du cosmos sont régis par un seul paramètre : sa densité. La forme de l’Univers prend plusieurs configurations possibles qui correspondent à autant de sorts.

Trois variétés d’espaces…
- Au-dessus de la densité critique, le cosmos prend une courbure positive. C’est l’analogue d’une sphère. Son volume est fini et fermé. L’énergie totale est négative. L’expansion s’arrêtera un jour. On assiste à un cycle sans fin de "big bangs" puis de recontractions en "big crunchs".

- Si l’Univers adopte la densité critique exactement, la courbure de l’espace s’annule. C’est la configuration la plus simple : celle d’un plan régi par la géométrie d’Euclide. L’énergie totale est nulle. L’expansion se poursuivra à l’infini, en atténuant sans cesse sa vitesse.

- Au dessous de la densité critique, l’Univers revêt une courbure négative. Il adopte une forme complexe – hyperboloïde, ouvert et infini – analogue à une selle de cheval ou à une chips. L’expansion se poursuivra sans fin, avec une vitesse non négligeable.


En savoir plus :
La densité critique de l'Univers

Une destinée très critique
De nombreux tests ont été réalisés afin de déterminer à quelle variété d'espace notre Univers appartient. Les chercheurs se sont attelés à des décomptes de galaxies éloignées. Ils ont analysé de manière précise les fluctuations du rayonnement du fond diffus micro-onde. Et, ils ont tenté de déceler une éventuelle perturbation de la taille ou de la luminosité des galaxies extrêmement lointaines. À ce jour, rien n’a permis de distinguer le Cosmos réel de l’espace classique décrit par Euclide (vers 325 à 265 ans avant notre ère) avec sa fameuse géométrie "plane". Au grand dam des théories sophistiquées d'espace-temps courbes : à grande échelle, l’Univers apparaît aussi "plat" qu'une limande ou qu'une feuille de papier posée sur la table. Selon toute vraisemblance, la densité mesurée du cosmos correspond à la valeur critique calculée à environ 1% près. Pourquoi un tel ajustement des paramètres physiques fondamentaux ? Le débat est ouvert et d'actualité.