Dans quoi l’Univers est-il en expansion ?

L’expansion de l’Univers désigne le phénomène de récession (éloignement) des objets lointains et est interprétée comme une dilatation de l’espace entre ces objets sur de grandes distances (galaxies et amas de galaxies). Solution aux équations de la relativité générale, mise en évidence par le physicien Alexandre Friedmann en 1922, l’expansion est observée en 1929 par Edwin Hubble. Le phénomène suscite encore beaucoup de questions dont l’une des plus courantes est : dans quoi l’Univers est-il en expansion ?

La dynamique de l’Univers est décrite, en cosmologie, par la métrique de Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW). La métrique FLRW est une solution exacte aux équations d’Einstein qui, dans le cadre de la relativité générale, décrit un univers homogène, isotrope et en expansion. En se basant sur les équations de Friedmann — équations décrivant un univers homogène et isotrope en expansion —, l’expansion de l’univers s’interprète comme une dilatation de l’espace au cours du temps.

Sur le même sujet :

Expansion de l’univers : son accélération est trop rapide pour être expliquée par la physique actuelle

Au cours de cette dilatation, l’espace « enfle » entre les objets astrophysiques qui s’éloignent alors les uns des autres (récession). Ce ne sont donc pas les objets qui se déplacent d’eux-mêmes, mais l’espace entre eux qui s’étend et qui les emporte donc dans son mouvement. L’expansion n’a d’effets mesurables que sur les grandes échelles ; localement, la gravité est plus forte et permet donc de conserver une cohésion gravitationnelle.

L’espace-temps dans le cadre de la relativité générale

En 1916, lorsqu’Albert Einstein publie ses travaux sur la relativité générale, il démontre l’intime relation liant l’espace et le temps. Contrairement à la physique newtonienne où l’espace et le temps sont absolus, rigides et immuables, la relativité générale décrit un espace-temps relatif et dynamique sur lequel l’énergie et la matière peuvent influer. L’équation d’Einstein décrit ainsi la relation directe qui existe entre la géométrie de l’espace-temps et son contenu en matière-énergie.

L’espace-temps de la relativité générale possède trois dimensions d’espace et une dimension temporelle (3+1). Il s’agit d’un espace-temps courbe quadridimensionnel, mathématiquement décrit par une variété pseudo-riemannienne lorentzienne, une classe particulière de variété différentielle. En géométrie, une variété de dimension n (avec n un nombre entier naturel) est un objet topologique généralisant.

Dans ce cadre, la dimension d’une variété désigne le nombre de paramètres nécessaires pour positionner un point localement sur la variété. Dans le cadre de la relativité générale, un événement, pour être décrit dans l’espace-temps, requiert trois paramètres de position (x, y, z) et un paramètre temporel (t). C’est pourquoi l’espace-temps de la relativité générale est une variété à 4 dimensions, car la description d’un événement nécessite ces 4 paramètres.

Sur cette variété pseudo-riemannienne lorentzienne, c’est une métrique pseudo-riemannienne qui s’applique. Cela signifie qu’un paramètre de courbure est nécessaire pour décrire l’espace-temps. L’espace-temps de la relativité générale est donc un espace-temps courbe.

Il est important de noter que la courbure est une propriété locale de l’espace-temps ; elle ne requiert aucun espace extérieur pour être décrite et mesurée. La courbure est donc une propriété intrinsèque de la surface de la variété espace-temps.

Une description de l’Univers indépendante de toute référence extérieure

Les propriétés de l’espace-temps sont entièrement décrites par les équations d’Einstein, notamment par le tenseur de courbure qui exprime les propriétés dynamiques de l’espace-temps.

Cette description de la dynamique de l’Univers est totalement auto-suffisante ; la relativité générale est entièrement contenue dans cet espace-temps courbe à 4 dimensions. Les calculs est les mesures y sont strictement réalisés de manière interne et ne nécessitent aucunement d’être intégrés dans un espace plus grand.

La description mathématique et physique de l’Univers est ainsi parfaitement autonome, elle ne requiert aucune référence extérieure pour être effectuée.

L’expansion est un phénomène prenant place dans notre univers, soutenu par des observations et des mesures menées dans ce dernier. C’est donc un phénomène purement interne, indépendant de toute notion de contenant ou d’extérieur. De ce fait, la réponse à la question initiale est la suivante : l’Univers ne s’expand dans rien, il s’expand en lui-même, et de lui-même.

Toutefois, cela ne signifie pas qu’il n’y a pas d’extérieur ou d’espace dimensionnel plus grand dans lequel notre univers évolue. Cela signifie simplement qu’une telle hypothèse n’est pas nécessaire pour décrire ou appréhender l’expansion.

À moins que de futures observations démontrent l’existence d’un espace extérieur à plus de 4 dimensions dans lequel notre univers serait contenu, et que cet espace influe effectivement sur l’expansion, cette dernière demeure un phénomène strictement interne.