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.

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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.

espace temps variete riemannienne

En relativité générale, l’espace-temps est décrit par une variété pseudo-riemannienne lorentzienne à 4 dimensions. La courbure est une propriété locale et intrinsèque de cette variété. Crédits : GEEK3

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.

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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.

univers expansion interne

La dynamique de l’Univers, et donc son expansion, sont entièrement contenues dans les équations de la relativité générale, qui s’appliquent de manière interne à l’Univers. La description de cette dynamique ne nécessite donc aucun espace extérieur, elle est entièrement autonome et dépendante de l’Univers lui-même. Crédits : WMAP

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.

9 Réponses

  1. Dexter54

    On attend la suite avec impatience la suite de cet article …avec les thèmes de l’énergie noire et de la matière noire.

    Répondre
  2. Juniper

    qu’est-ce qui nous prouve que l’Univers est en expansion? Je connais les réponses mais si le résultat était trompeur? Si, en réalité, ce n’était pas l’Univers qui est en expansion mais la matière qui diminuerait en taille? Ca me semblerait + cohérent qu’une hypothétique énergie sombre qui accélère l’expansion …
    ça résolverait ce mystère. Je trouve ça beaucoup + intuitif cette fuite d’énergie qui a pour effet de rétrécir la matière … comme une énergie qu’on consomme …
    J’ai cherché mais j’ai rien trouvé de semblable dans les théories sur le sujet …

    Répondre
    • Honoré Beka

      Vous avez raison Juniper. Il est possible que, l’expansion de l’univers soit liée à la diminution de la matière ou de l’énergie. Il n’existe à ce jour, une théorie qui traite de cela sauf la mienne et dans laquelle, j’ai mis au point une équation liant l’énergie primordiale au temps t. L’énergie est bien une décroissance exponentielle du temps de la forme.
      Ep= E0.exp[-Hb.t]
      E0 est la valeur critique atteinte par Ep pour, créer l’univers actuel.
      Hb est le facteur cosmologique homologue de H0.

      Répondre
      • f4

        Bonjour Honoré
        Une question m’a toujours occupé l’esprit l’expansion de l’univers n’est elle pas tout simplement une variable temporelle de l’univers. sais t on mettre en évidence une direction d’écoulement du temps dans l’espace ?

        Merci

  3. Fabrice Baraldi

    Et si la totalité de notre Univers se trouvait à l’intérieur d’un trou noir ? Il y aurait probablement d’innombrables autres univers ? Non ?

    Répondre
  4. Lucile SD

    on en revient toujours à la même équation incompréhensible pour l’humain: l’infini 😉

    Répondre
  5. AGUSTY PATRICK

    Je ne suis pas scientifique ni mathématicien mais cette question de l’univers m’interroge je dirais même qu’elle m’obsède et j’aimerais partager ma conception sur ce vaste sujet qui restera certainement sans réponse dans ma petite vie d’humain.
    On pourrais par exemple s’inspirer à plus petite échelle de ce que nous pouvons observer à la surface de notre terre ; L’atmosphère qui nous entoure.
    On va dire que notre atmosphère , composé de particules de poussières , d’eau en suspension et de différents atomes et bien cette atmosphère serait a comparer à notre univers composé des étoiles et des galaxies. On peut donc y observer des dépressions et des anticyclones et dans une dépression les atomes s’éloignent (basse pression)et si on se déplace de quelques milliers de kms nous observons l’anticyclone (haute pression) qui lui rapproche ces même atomes.
    Notre Univers observable serait une dépression dans laquelle se sont les galaxies (à la place des atomes) qui s’éloignent et si l’on se déplace de quelques milliards de milliards d’années lumière nous pourrions être dans un anticyclone dans lequel les galaxies se rapprochent et si on admet que l’univers est infini cela pourrait s’étendre à l’infini. au final on aurait un super univers infini dans lequel il y a des zones d’expansions et des zones de contractions.
    Ce raisonnement est certainement un peu simpliste mais c’est le seul que j’arrive a comprendre car je ne peux imaginer un univers fini au milieu du néant.
    Les différentes théories élaborées avec formules mathématiques a l’appuis par les génies de tout temps sont bien incapables de nous donner une quelconque réponse a ce sujet.
    Je tiens a rester humble sur mes convictions je rappelle que je n’ai aucune prétention à affirmer quoi que se soit mais cette pensée sur cette immense question je veux la partager avec les membres de ce groupe afin d’avoir vos avis en retour.
    Merci a vous tous.

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  6. Philvar

    Et si nous étions les acteurs dans un jeu de rôle dont nous serions également le auteurs selon un scénario qui démare avec une programmation différente pour chacun de nous (nos caractères) et un développement autorisé dans un conception binaire d’opposés dont se serait à nous d’explorer tous les détails ? Par exemple le Bien et le Mal et tous les échelons et développements entre ces deux archétypes d’une même échelle. Hypostadie d’un univers d’idées ?

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