L'expansion de l'Univers

4 L'accélération de l'expansion de l'univers

A) La découverte

En 1998, deux équipes internationales (le Supernova Cosmology Project et le High Z Supernovae Search) ont découvert que l’expansion de l’univers était en accélération.
Ces constatations ont été faites en mesurant la distance de luminaison de ces supernovae et leur rapport avec le redshift.
En effet, elles étaient légèrement moins lumineuses et plus éloignées qu’elle ne le devrait si l’on s’appuyait sur les théories de l’époque, à savoir que l’expansion ralentissait.

Cela fut confirmé 3 ans plus tard grâce aux observations du télescope spatial de la plus lointaine supernova connue (10 al) dont le décalage vers le rouge vaut 1,7. Le résultat fût le même qu’en 1998, la supernova paraissait bien lumineuse que prévue.
En examinant les observations, une hypothèse fût émise : l’expansion aurait connue une décélération suite à l’inflation cosmique pour s’accélérer il y a entre 4 et 8 milliards d’années. Puis, en 2003, l’observation de 11 supernovae lointaines confirma l’hypothèse du schéma de l’expansion de l’univers:

Représentation de l’histoire de l’univers

Mais comment expliquer que l’univers est en expansion ?
Les équations de Friedmann nous donnaient un univers dont l’expansion restait constante ou décélérée, se serait-il trompé ?
Existerait il une force répulsive suffisante pour inverser le phénomène de décélération ?

B) L'énergie noire

Depuis 1998, on sait que l’expansion de l’univers s’accélère. Par conséquent, tous les modèles d’univers élaborés auparavant ne correspondent plus à la réalité. En effet, jusqu’à cette découverte, on pensait que l’expansion ralentissait sous l’effet de la gravitation.
Il existerait donc une force répulsive, s’opposant à la force de gravitation. Cette force a été nommée « énergie noire » (ou « sombre »).
Les observations du fond diffus cosmologique par le satellite WMAP ont permis d’élaborer la composition de l’univers (et de montrer que l’univers était plat).
Il serait composé à 75% d’énergie noire, de 21% de matière noire (cf annexe) et de 4% de matière normale. (Ces pourcentages varient selon les spécialistes, on parle de 73 et 23%)

Composition de l'univers

L’énergie noire serait donc responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers et expliquerait pourquoi l’expansion de l’univers n’a pas de centre.
En effet, les galaxies ne s’éloignent pas d’un centre, mais elles s’éloignent les unes des autres.
Cette force aurait une pression négative, ce qui expliquerait pourquoi elle se comporte comme une force de gravitation répulsive.
Mais sa nature reste encore inconnue !
Cependant, l’énergie noire est connue sous une autre forme : la constante cosmologique !
La constante cosmologique qu’Einstein avait à la base utilisée pour donner à un univers statique puis admit nulle par Friedmann pour lui donner une dynamique existe bien, mais sa valeur était fausse.
En effet, il l’avait réglé de telle manière qu’elle compense la force de gravitation. Mais si on l’augmente légèrement, les équations d’Einstein décrivent un univers en expansion accélérée.
Il est donc fort probable que cette constante Λ corresponde à l’énergie noire.
La collaboration internationale SNLS (Supernova legacy survey) après avoir observé 71 supernovae lointaines a aboutit au même résultat.
Son but actuel est notamment de découvrir la nature de l’énergie sombre.
On ne sait encore que très peu sur l’univers, aussi bien de sa composition, que sur son passé et encore moins sur son avenir !
Certains scénarios ont été élaborés pour le devenir de l’univers.

C) Le futur de l'univers

Cela reste bien hypothétique. On ne sait pas comment l’expansion de l’univers va évoluer. 3 possibilités peuvent être développées.
La première verrait l’énergie noire restait constante, par conséquent l’expansion de l’univers continuerai sa progression.
La seconde est que l’énergie noire diminue, et que petit à petit, la force de gravitation redevienne supérieure. Dans ce cas, l’univers s’effondrera sur lui-même, il atteindra une température et une densité extrême, tel un Big Bang a l’envers ! On appelle le phénomène le Big Crunch.
La dernière est tout aussi apocalyptique que la précédente. En effet, on suppose l’existence d’une énergie fantôme. Celle-ci aurait pour caractéristique d’avoir sa densité augmentée avec son expansion. Par conséquent, toute forme de galaxies ou même d’atomes serait détruite.

Les différents scénarios possibles du futur de l’univers

Actuellement, la valeur de la densité de l’univers est proche de sa densité critique.
Par définition, la densité critique correspond à la densité d'énergie ρ (énergie par unité de volume) que l'on doit avoir dans un univers homogène et isotrope en expansion pour que sa courbure spatiale soit nulle.

Celle-ci vaut

et son rapport avec la densité d’énergie est nommé « paramètre de densité » et s’écrit :

Cependant, rien ne prouve que l’avenir de l’univers et la valeur de la densité d’énergie soient liés. Mais dans certains cas, en ne considérant que certains types d’énergie, le destin de l’univers varie avec la densité d’énergie.

Si la différence entre les densités d’énergie et critique est négative ou nulle, alors l’expansion de l’univers se poursuit.
Si, au contraire, la différence est positive, la force de gravitation deviendra plus forte et l’univers se dirigera vers le Big Crunch.

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