Expansion de l'Univèrs

L'expansion de l'Univers imatjada pel gonflament d'una còca de pansas.

En cosmologia, l'expansion de l'Univèrs es lo nom del fenomèn que vei a granda escala los objèctes compausant l'univèrs (galaxias, amasses, …) s'alunhar los uns dels autres. aqueste escartament mutual, que se poiriá prene per un movement de las galaxias dins l'espaci, s'interprèta en realité per un gonflament del quita l'espaci, los objèctes celèstes essent alara menats a s'alunhar los uns dels autres. A escala mai pichona, l'expansion tòca pas la talha de las quita galaxias, la gravetat "interiora" avent un efièch predominant.

L'expansion de l'univèrs es la solucion teorica trobada par Friedmann per explicar lo fait que l'univèrs se siá pas ja aclapat jos l'efièch de la gravitacion. Permet de far l'economia de la constanta cosmologica, artifici introduch par Einstein, semen ligat a l'idèa d'un univèrs estatic.

Del vejaire observacional, l'expansion se traduch per una aumentacion de la longor d'onda de la lutz emesa per las galaxias: es lo fenomèn de desencalatge cap al roge. Aqueste desencalatge es pas omològ a l'efièch Doppler, qu'es degut al desplaçament per l'espaci de l'objècte observat; s'agís aicí de l'expansion del quite espaci. Se parla de desencalatge espectral cosmologic.

La descobèrta d'aqueste desencalatge cap al roge es atribuida a l'astronòma american Edwin Hubble en 1929, pasmens se, implicitament, foguèt mes en evidéncia 15 ans abans per Vesto Slipher e predich, veire mesurat, per Georges Lemaître a la fin de las annadas 1920. Mentretant, l'interpretacion fisica corrècta d'aqueste desencalatge cap al roge es donada per la teoria de la relativitat generala d'Albert Einstein, que permet de descriure la dinamica de l'Univèrs dins son ensemble. L'expansion de l'Univèrs es de fach une verificacion remarcabla de la relativitat generala, quitament se Albert Einstein i aguèt a aderit primièrament, ensejant quitament de ne prepausar una explicacion alternativa, la lutz cancièra, teoria abandonada dempuèi d'ora.

La consequéncia immediata de l'expansion de l'Univèrs es qu'aqueste èra pel passat mai dens e donc mai caud. Lo concèpte del Big Bang, que se pièja sus l'idèa qu'una tala epòca densa e cauda a existiguèt efectivament, ne debana naturalament e pòt donc èsser considerada coma establit.

Al vejaire teoric, l'expansion de l'Univèrs es contenguda dins los modèls eissits de la relativitat generala descrivent l'Univèrs dins son ensemble. De talas construccions son nomenada « modèls cosmologics ». Las equacions que descrivon l'expansion de l'Univèrs dependon de las proprietats de la o de las formas de matèria qu'emplisson l'Univèrs. Se nomenon equacions de Friedmann.

Manifestacion de l'expansion de l'Univèrs

L'expansion de l'Univèrs se manifesta per l'observacion d'una recession (alunhament) aparenta dels objèctes astrofisics alunhats. Se se pòt pas detectar de desplaçament de lor posicion o lor talha aparenta, que lo fenomèn d'alunhament es fòrça lent a l'escala umana, se constata un desencalatge cap al roge de lor espèctre (es a dire de la lutz qu'emeton). Aqueste fenomèn es mes en evidéncia pel fach que l'espèctre d'aqueste objèctes possedís de raias d'emission e d'absorpcion caracteristicas dels elements quimics que los compausan, e que la posicion dins l'espèctre es fixada. Existís una relacion de proporcionalitat entre lo taus d'aumentacion de la distància de las galaxias (o pseudo-velocitat de recession) e aquesta quita distància, aquesta lei essent coneguda jol nom de lei de Hubble, del nom de son decobreire, Edwin Hubble, en 1929.

Movements dins l'espaci o expansion de l'espaci?

En mecanica classica o en relativitat especiala, l'observacion d'un desencalatge cap al roge s'interprèta en tèrmes de desplaçament dins l'espaci e d'efièch Doppler. En relativitat generala, una tala interpretacion es pas mai sufisenta qu'existís pas de nocion d'espaci absolut coma en mecanica classica, o pel mens presentant una cèrta estructura regda coma en relativitat especiala. L'espaci de la relativitat generala es, dins un cèrt sens, « elastic », la distància entre los punts essent per exemple foncion de l'estructura del camp gravitacional mejancièr. Pasmens demora que la relativitat generala implica que, localament, l'espaci s'identifica a aqueste de la relativitat especiala. S'èra generalizada a granda escala, l'interpretacion Doppler poiriá levar un paradòxe, que significariá que d'objèctes pro alunhats s'alunharián a de velocitats superioras a aquesta de la lutz e, per aquò, sembla passar las leis de la relativitat especiala. De fach es pas lo cas, que s'aquestes objèctes se desplaçan plan amb una velocitat relativa mai granda qu'aquesta de la lutz, aquò permetriá pas d'escambi d'informacion. Atal l'aument de la distància mutuala entre galaxias degut a l'expansion de l'espaci es pas en conflicte amb la relativitat especiala.

Expansion de l'Univèrs, mas pas dels objèctes astrofisics

Al contrari d'una idèa a vegada exprimida, l'expansion de l'Univèrs significa pas que los objèctes astrofisics veson lor talha variar: es sonque lor distància mutuala que varia amb lo temps, e aquò sonque per d'objèctes pro alunhats. Se la dilatacion de l'espaci èra identica a tota escala, l'expansion de l'univèrs seriá inobservabla, que los instruments e mejans de mesura gardarián la mèsma escala relativa a las distàncias mesuradas.

Las fòrças necessàrias per contrar lo movement d'expansion a l'esacla d'un atòm, d'una planèta, d'una estela, d'una galaxia, d'un amàs de galaxias, son sufisentas per assegurar la coesion d'aquestes objèctes. Foguèt plan aisit la fòrça de gravitacion, a las fòrças electromagneticas o a la fòrça nucleara fòrta de s'opausar a l'alunhament que resultava de l'expansion de l'Univèrs.

Un biais intuitiu de visualizar aquò es d'espandre l'analogia de la tela elastica que s'estira dins totas las direccions. Quand dessenha de motius sus la tela, alara qu'aquestes grossisson en mèsme temps que semblan s'alunhar los uns dels autres quand s'estira la tela. Al contrari, se puslèu que de dessenhar de motius, se pega sus la tela un objècte regde (una pèça de moneda per exemple), alara, en estirant la tela, encara se va alunhar los objèctes los uns dels autres, mas aqueste còp van gardar una talha constanta. Es un procés d'aqueste tipe qu'es a l'òbra amb l'expansion de l'Univèrs.

Istoric de la descobèrta

La descobèrta de l'expansion de l'Univèrs data de la primièra mitat del sègle XX e se faguèt per estapas.

Al començament del sègle XX, fòrça de objèctes difuses èran vist al telescòpi. Aquestes objèctes èran totes designats jol tèrme generic de « nebulosas ». de fach, representavan d'una partida çò que contunham a nomenar nebulosas e d'autra partida çò que nomenam ara de galaxias, es a dire d'ensembles d'estelas exterioras a la Via lactèa. A l'epòca, la question de la natura e de la distància d'aquestas nebulosas se pausava encara. L'espectroscopia permetèt de donar un primièr element de responsa a partir de 1914, annada ont l'astronóm american Vesto Slipher mostrèt qu'una cèrta classa d'aquestas « nebulosas » (de fach las galaxias) presentavan una tendéncia sistematica a s'alunhar de nosaltre. Aquò semblava indicar qu'aquestes objèctes èran situats fòra de nòstra Galaxia, que dins li cas contrari, se seriá asperat qu'una egala partida d'entre eles s'apròcha e s'alunha de nosaltres. Mai, fasent lo produch de la velocitat observada per de temps de l'òrdre d'unes miliards d'annadas, resultarián de distàncias percorridas passat la talha supausada de la Via lactèa.

En 1920 se tenguèt una reunion scientifica sus la natura de las « nebolosas », que foguèt enseguida nomenada Grand Debat. Opausava Harlow Shapley a Heber Doust Curtis, en desacòrdi sul caractèr extragalactic o non d'unas nebulosas, subretot la galaxia d'Andromèda. Del debat resulta pas cap de concluson definitiva per manca de donnadas sufisentas. Es a partir de 1925 que Edwin Hubble podèt observar de eefeidas mercé al telescòpi Hooker de 2,5 mètres de l'observatóri du Mont Wilson. Amb la relacion periode-luminositat establida per Henrietta Leavitt, calcula la distància de mai d'una nebulosas e probèt lor natura extragalactica.

A partir de 1927, Lemaître establiguèt que las solucions cosmologicas eissidas de la relativitat generala pòdon èsser estaticas, e qu'en consequéncias los objèctes i presentan de velocitats d'alunhament proporcioalas a lors distàncias. Après d'annadas d'observacions, Edwin Hubble establís la relacion entre velicitat de recession e distància de mai d'una nebulosas renomenadas galaxias, probant atal l'expansion de l'univèrs. S'aqueste astronòm decobrís fenomèn brut, demora perplèxe al subjècte de son interpretacion.

Autres ensags d'interpretacion

La realitat de l'expansion de l'Univèrs foguèt pas acceptada d'en primièr per totes los scientifics. Aquesta expansion implicava en efièch que l'Univèrs èra nascut del Big Bang e aqueste « començament » absolut semblava a sis denegaires en contra de la posicion racionalista e materialista de la sciéncia que podava, dins lor esperit, servir d'argument a l'idèa d'una creacion divina. Aquestes adversaris del Big Bang preferissián, per aquesta rason, un modèl estatic e eternal, sens pas cap d'origina. D'explicacions alternativas, coneguda jol nom de lutz cansièra (tèrme prepausat per Richard Tolman en 1930), foguèron prepausadas per reconciliar univèrs estatic e desencalatge cap al roge dempièi la descobèrta de l'expansion de l'Univèrs en 1929, e aquò fins a las annadas 1970.

Pas cap de teoria solida satisfasenta amb dilatacion del temps avent jamai podut èsser bastida dins aqueste sens, aquestas explicacions foguèron abandonadas per la comunautat scientifica.

Acceleracion de l'expansion?

L'expansion de l'Univèrs es modelizada per la teoria de la relativitat generala. Aquesta mòstra que l'Univèrs dins son ensemble es somesa a de fòrça impausadas per las diferentas formas de matèria que lo compausan, e que pòt pas demorar estatic: o es mogut per una fòrça centrifuga qu'o fa s'espandre (expansion consecutiva al Big Bang e que poiriá menar al Big Rip), o, desprovesit d'una tal fòrça, aquestas fòrças centripètas de gravitacion o fan s'agropar (Big Crunch).

Reciprocament, l'expansion de l'Univèrs exercís una influéncia sus la densitat e la pression d'aquesta matèria. Atal, es la coneissença de las proprietats fisicas d'aquestas formas de matèria (subretot lor equacion d'estat) que permet de predire lo comportament de l'expansion. Las equacions que la descrivon son conegudas jol nom d'equacions de Friedmann. Las observacions permeton en mai de conéisser lo taus d'expansion actual de l'Univèrs (la constanta de Hubble a l'instant present), tanben aqueste de l'Univèrs pel passat, provesissent atal indirèctament de las informacions sus las formas de matèria qu'emplisson l'Univèrs.

Dins l'encastre dels modèls d'univèrs mai classics, e per exemple dins aqueste dels univèrs de Friedmann, l'expansion alentís amb lo temps. Dins unas escasenças, l'expansion acaba quitament par s'arrestar e se cambiar en contraccion, precipitant l'Univèrs dins lo Big Crunch.

Pasmens, en 1998, doas equipas d'astronòms, lo Supernova Cosmology Project e lo High-Z supernovae search team respectivament dirigits per Saul Perlmutter e Brian P. Schmidt, capitèron al resultat inesperat que l'expansion de l'Univèrs semblava s'accelerar. Aqueste resultat es susprenent qu'existís pas cap de teoria per l'interpretar. Implica en efièch l'existéncia d'una forma desconeguda de matèria que la pression seriá negativa, amb un comportament repulsiu e non pas atractiu al respècte de la gravitacion. Aquesta forma ipotetica e inabituala de matèria, de natura desconeguda, comunament nomenada energia escura o a vegada constanta cosmologica, representa a l'ora d'ara un dels problèmas non resolgut de la cosmologia modèrna. En 2011, lo prèmi Nobèl de fisica es atribuit a S. Perlmutter, B. P. Schmidt et A. G. Riess per aquesta descobèrta.

Vejatz tanben

Articles connèxes

• Equacions de Friedmann
• Lei de Hubble