Univers en expansion et gateaux aux raisins

Les principales découvertes dans le monde scientifique sont souvent issues d'expériences toutes simples, ou d'aléas d'expérimentations. La découverte de l'expansion de l'Univers en est un parfait exemple.
Bien que les Hommes aient toujours eu la tête dans les étoiles, c'est dans les années 20 que les scientifiques se sont intéressés aux galaxies lointaines. Voulant savoir si les autres galaxies étaient similaires à la nôtre en composition chimique, ils observèrent ce qu'on appelle leurs spectres d'absorption*.

Petit résumé de ce qu'est un spectre. On a maintes longueurs d'ondes possibles dans la lumière dont finalement très peu sont visibles à l'œil nu. Parmi les plus petites longueurs d'onde on compte par exemple les rayons X qui servent en radiologie, les ultraviolets également. Et dans les très grandes longueurs d'onde on trouve l'infrarouge (qui porte bien son nom) et les ondes radios.

Les scientifiques découvrirent deux choses différentes. La première, c'est que la composition des autres galaxies était globalement similaire à la nôtre. Bien, mais ce qui fut vraiment très intéressant et inattendu, c'est que les raies d'absorption observées étaient toutes décalées vers le rouge !

Voici donc ce qu'est un spectre d'absorption. On voit clairement des raies noires dans les spectres. Elles correspondent aux éléments chimiques qui ont absorbé l'onde, c'est pourquoi on ne peut la voir sur le spectre. On voit bien ici, que les raies d'absorption sont toutes décalées vers le rouge, même s'il s'agit des mêmes produits chimiques. Etrange !

Pourquoi ce décalage et qu'est ce que ça peut bien vouloir dire? Pour comprendre ce phénomène, il faut déjà comprendre l'effet Doppler. C'est assez simple, vous connaissez certainement déjà l'exemple bien connu de la sirène d'ambulance : quand celle ci se rapproche, le son devient de plus en plus aigu. Pourquoi? Parce que les longueurs d'onde se réduisent et forment donc un son plus aigu. A l'inverse, quand l'ambulance s'éloigne, le son devient plus grave. Dans ce cas, les longueurs d'onde s'étendent.
Pour les ondes électromagnétiques (comme la lumière), c'est la même chose. Lorsqu'un élément s'éloigne, il tend vers le rouge (grande longueur d'onde) et quand il se rapproche, il tend vers le bleu (petite longueur d'onde).

Ce schéma pas très beau et un peu compliqué explique cependant très bien le phénomène. Les deux schémas d'onde en haut décrivent très bien l'effet Doppler et la variation des longueurs d'onde en fonction du mouvement de l'objet observé. En bas, on a ici des spectres, qui décrivent ce qu'ont pu voir les scientifiques !

Clin d'œil aux fans de The Big Bang Theory, où Sheldon se déguise en Effet Doppler pour Halloween. Un grand moment.

Conséquence de cela, si toutes les galaxies sont légèrement rouges, c'est parce qu'elle s'éloignent à toute vitesse de nous !!! Mieux, le scientifique Hubble, en 1929 découvrit que la vitesse d'éloignement était proportionnelle à la distance de la galaxie. En gros, plus elles sont loin de nous, plus elles s'éloignent vite !
Cette découverte fut l'une des plus importantes du monde de la physique, et elle fut la base des nombreuses recherches faites aujourd'hui sur ce phénomène.

Cependant, l'explication par l'effet Doppler n'est pas tout à fait juste. En effet, on se rendit compte plus tard que pour respecter les lois de la relativité générale, ce ne sont pas les galaxies qui doivent se déplacer DANS l'espace, mais c'est l'espace lui même qui doit s'agrandir. Par conséquent, le décalage dans le rouge que l'on peut observer n'est pas dû au déplacement de la source d'émission, mais au fait que l'espace lui même s'étend, ce qui étend aussi la longueur d'onde de la lumière !!! Comme la longueur d'onde est augmentée, on voit un décalage vers le rouge.

Schéma représentant l'expansion de l'univers après ce qu'on appelle ici une singularité (ici ça serait le Big Bang). On remarque que les galaxies représentées ont toujours la même taille, c'est l'espace qui s'agrandit et pas les galaxies qui bougent.

Pour donner une idée de ce qu'est l'expansion de l'univers, il faut imaginer un gâteau au raisin. Au départ les petits raisins sont proches les uns des autres dans la pâte. Puis à mesure que celle ci gonfle, la distance entre les raisins augmente, sans que ceux ci ne changent de taille, et la vitesse d'éloignement est d'autant plus grande que les grains sont loin ! Bah l'univers, c'est un gâteau au raisin géant !

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*Qu'est ce qu'un spectre d'absorption me demanderez vous. Hé bien, lorsque la lumière traverse un élément, certains composants chimiques de cet élément peuvent absorber certaines longueurs d'onde de lumière. La résultante de cela, c'est que lorsqu'on observe le spectre lumineux de cette lumière, on verra une raie noire, correspondant à l'élément chimique en question.
Et lorsqu'on observe le spectre d'une galaxie, c'est la même chose. On étudie le spectre lumineux qui nous parvient, et en fonction des raies noires que l'on voit, on sait quels sont les composants chimiques de cette galaxie.
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Sources :

Stephen Hawkins : Une brève histoire du temps. Pages 60-62. Edition Flammarion.

http://en.wikipedia.org/wiki/Redshift
http://fr.wikipedia.org/wiki/Expansion_de_l%27Univers