par
Marilou Ratelle-Valade
et
Marie-Ève Cormier
 
 

L’univers fascine les astronomes depuis le tout début des temps. Une nouvelle branche de l’astronomie est apparue depuis quelques années, la cosmologie. Celle-ci traite de la structure et de l’évolution de l’univers dans son ensemble. Récemment, certains astronomes ont émis l’hypothèse que l’univers est en expansion. Quatre différentes théories ont été développées :
 
 

Le modèle original d’EINSTEIN (1917) :
 

La première théorie d’Einstein ne comportait aucun facteur d’expansion (H). Son modèle d’univers était donc statique. Cependant, il amena un nouveau paramètre dont personne n’avait parlé auparavant, la constante cosmologique (r_v). Mais qu’est-ce que la constante cosmologique ? Il s’agit en fait de la masse volumique du vide. Or, le vide n’est pas, comme nous avons l’habitude de le croire, une absence de matière, mais plutôt l’infrastructure qui tient l’univers et sa matière ensemble. La masse du vide n’est toutefois pas directement identifiable, elle se mesure à partir d’observations ou d’une théorie des particules et des interactions fondamentales. De plus, Einstein amena le paramètre de la courbure globale de l’espace (C). Cette courbure n’est pas observable selon trois dimensions. Elle n’existe que si l’on considère l’existence d’une quatrième dimension; l’espace-temps. Einstein considérait que cette constante était positive ce qui lui donnait un univers à courbure positive représenté par la forme d’une selle de cheval.

 

Les modèles ouvert et fermé de FRIEDMANN (1922) :
 
 

Pour Friedmann, l’expansion de l’univers est une chose bien réelle. De plus, d’après lui, la constante cosmologique n’existe pas. Par contre, il développe deux modèles différents qui tiennent compte de la courbure globale de l’espace. Tout d’abord, il imagina un univers fermé avec une courbure positive, donc, en forme de sphère à quatre dimensions. Cet univers subirait une expansion faible suivie d’une recontraction qui mènerait au Big Crunch (le grand écrasement), c’est-à-dire que l’univers se recourberait sur lui-même jusqu’à sa disparition. Ensuite, il imagina un univers ouvert avec une courbure globale de l’espace négative, qui donnerait une forme de selle à cheval à l’univers. Ce modèle suggère une expansion infinie de l’univers.
 
 

Le modèle d’EINSTEIN-DE SITTER (1932) :
 
 

Einstein s’allia à Willem de Sitter pour développer une deuxième théorie concernant l’univers. Ils proposèrent un modèle sans constante cosmologique, c’est-à-dire qu’ils considéraient que la masse volumique du vide était inexistante. De plus, la courbure globale de l’espace de ce modèle est nulle, donc cela représente un univers plat. Par contre, contrairement au premier modèle d’Einstein, les deux scientifiques émirent l’hypothèse que le facteur d’expansion (H) n’est pas nul, ce qui donna un modèle dont le facteur d’expansion tendrait vers zéro pour un temps infini. Concrètement, cela veut dire que l’univers sera toujours en expansion, mais celle-ci tendra un jour vers zéro, sans devenir nulle.
 
 

Le NOUVEAU MODÈLE STANDARD ( 2000…) :
 
 

Les astronomes imaginent aujourd’hui un modèle de l’univers quelque peu différent, mais beaucoup plus compliqué (!!!!). Ils ont découvert après observation, que l’univers comportait réellement une constante cosmologique. Einstein avait donc raison au tout début. Cette masse volumique du vide est , fait consternant, constante peu importe l’expansion de l’espace. Elle vaudrait environ 3 fois la masse d’un proton (donc, 3 fois 1,67x10^-27 kg) pour chaque mètre cube d’espace. Finalement, ils considèrent qu’il n’y a aucune courbure globale de l’espace, donc que l’univers est plat. L’expansion de l’univers selon ce modèle est infinie, mais H tendra un jour vers une valeur constante qu’on calcule comme étant 55 (km/s)/Mpc. Ce qui est compliqué, c’est que même si le facteur d’expansion tendra un jour vers une constante, puisque la masse volumique du vide est constante ( et qu’elle a pour effet d’accélérer l’expansion de l’univers) l’univers sera en expansion exponentielle indéfiniment. 

 
 

Quelques applications graphiques des deux derniers modèles :
 
 

Modèle Einstein-de Sitter original :

 

Quatre formules servent à trouver les valeurs nécessaires pour illustrer graphiquement l’expansion de l’univers selon ce modèle :

 

FORMULES	UNITÉS
H = 2 / 3t	H est en a-1 t est en a
H = 30 ( rm )½	H est en (km/s)/Mpc rm est en mp/m³
rm = rmA/e³	rmA = 4,8 mp/m³
H =(De / Dt)/e ou De = H * e * Dt	Dt est en s H est en s-1

Lors de nos calculs, nous avons eu quelques problèmes puisque, pour que le tableau de données soit cohérent, il faut que toutes les unités soient transformées en unités SI. Nous avons donc dû établir des facteurs de changement d’unités.

 
 

Pour simplifier notre graphique, nous l’avons commencé à 0,5 Ga, qui est égal, en unités SI, à 1,58x10¹⁶ s.

 

C’est cette valeur qui nous a permis de trouver nos valeurs de départqui sont :
 

t = 2/3H donc nous avons trouvé H = 4,22x10^-17 s^-1.

H = 2,36x10^-5 x (r_m)^½ donc nous avons trouvé r_m = 3,19x10^-24 kg/m³

r_m = r_mA/e³ donc nous avons trouvé e = 0,1358

 

Les valeurs soulignées sont donc nos valeurs de départ pour la confection de notre graphique du modèle d’Einstein-de Sitter.
 
 

Table des valeurs du modèle d'Einstein-de Sitter

 

Modèle d’Einstein-de Sitter contenant 30% 

de la masse volumique de l’original :

 

Le graphique du nouveau modèle standard débute de la même façon qu’un modèle d’Einstein-de Sitter qui contiendrait 30% de la masse volumique de celui-ci.Nous avons donc gardé les mêmes valeurs de base que pour le modèle précédent sauf pour la masse volumique qui devient 9,57x10^-25 kg/m³, soit 30% de la masse précédente.
 

Table des valeurs du modèle d'Einstein-de Sitter à 30% de l'original

 
 

Nouveau modèle standard :

 

Ce dernier graphique a servi de base pour trouver les valeurs de départ du graphique du nouveau modèle standard.La plus grande différence entre ces deux modèles, c’est que nous devons tenir compte de la masse volumique du vide qui est constante.Ainsi, notre formule de la masse volumique totale varie quelque peu et devient :
 

r_tot = (r_mA/e³)+5,01x10^-27
 

où 5,01x10^-27 est la masse volumique du vide qui est constante et où r_mA devient 1,5 m_p/m³ qui est égal à 2,505x10^-27 kg/m³.
 

Table des valeurs du nouveau modèle standard

L’âge de l’univers…

 

1.Certains scientifiques utilisent des marqueurs radioactifs (par exemple, des isotopes de l’uranium ou du thorium)produits en proportions calculables dans l’explosion d’une étoile en supernova (fin de la vie d’une étoile).La proportion de ces isotopes varie à travers les années et on estime ainsi que la formation des étoiles les plus anciennes daterait de 10 à 11 milliards d’années.Cette estimation confirmerait la validité du modèle d’Einstein-de Sitter.
 

2.La composition chimique des étoiles des amas globulaires de notre galaxie indiquerait que les plus anciennes auraient un âge de 14 à 18 milliards d’années.Cette estimation confirmerait la crédibilité du nouveau modèle standard.
 

3.L’absence apparente de naines blanches de luminosité inférieure à 3x10^-5 luminosités du Soleil dans notre galaxie indiquerait que ces naines blanches n’ont pas eu le temps de refroidir en-dessous de cette valeur.Cela donnerait au disque de notre galaxie un âge maximal de 8 à 12 milliards d’années.Cela laisse croire que c’est encore le modèle d’Einstein-de Sitter qui est impliqué.

 
 

La physique terrestre et la physique cosmologique…

 

En feuilletant la documentation sur l’expansion de l’univers, nous avons découvert que l’univers ne suivrait pas les lois de la physique que nous connaissonssur Terre actuellement. En effet, l’univers viole le principe de conservation de la masse : la masse volumique du vide est constante malgré l’expansion de l’univers, tandis que sur Terre, un objet dont le volume augmente diminue de masse.De plus, l’univers contredit le principe de la thermodynamique : celle-ci veut que tout système tend à devenir de plus en plus homogène.Contrairement à ce principe, l’univers, qui a débuté dans un amas homogène de quarks, de photons et de leptons, s’est aujourd’hui organisé en systèmes solaires, en galaxies et en amas de galaxies.Ceci prouve que l’univers ne tend pas à devenir homogène et qu’il viole plusieurs principes de la physique terrestre, qui est une physique à petite échelle.C’est pourquoi les scientifiques ont autant de difficultés à décrire de façon certaine les réactions de l’univers.

 
 

Quelques élucubrations…
 

Les voyages lointains dans l’univers seraient peut-être possibles grâce à la théorie du nouveau modèle standard. Prenons comme exemple un vaisseau partant de la Terre et voulant voyager à plus de quelques années-lumière. Puisque nous sommes incapable de nous déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière, ce voyage serait beaucoup trop long pour la vie des astronautes. Plusieurs hypothèses un peu folles ont été lancées par des astronomes, dont la possibilité de contracter l’espace-temps (la quatrième dimension). De cette manière, nous pourrions voyager dans cet espace contracté. Le voyage serait donc beaucoup moins long pour les astronautes, même si le temps continuerait à s’écouler normalement sur la Terre. Nous pourrions faire une analogie avec un tube où le temps et la distance seraient raccourcis entouré d’un univers où le temps et la distance restent inchangés. La deuxième partie de l’hypothèse est plus difficile à avaler. En effet, une fois rendus à destination, les astronautes reviendraient vers la Terre à travers le même tube à rebrousse temps, c’est-à-dire qu’à mesure qu’ils avanceraient vers la Terre, le temps reculerait. Donc, pour un observateur terrestre, le voyage aurait une durée extrêmement minime.Il est difficile de concevoir cette théorie, mais c’est là qu’intervient le nouveau modèle standard.Cette théorie qui croit en l’existence d’une constante cosmologique (donc d’une masse volumique du vide plus grande que zéro) nous amènerait à croire que des forces mystérieuses hantent le cosmos.En effet, ces forces permettraient de déformer l’espace-temps, ce qui serait la meilleure façon de voyager dans l’espace.Nous savons que nous pouvons contracter l’espace-temps avec énormément de masse, donc énormément d’énergie (en fait, beaucoup trop!).Or, si nous ne pouvons pas physiquement le contracter, il nous serait possible de le dilater. Pour cela, il faudrait tenir compte des forces étranges de la constante cosmologique, donc possiblement d’un facteur qui serait l’inverse de la gravitation (de l’anti-matière : l’inverse de la masse).
 
 

Mais évidemment, tout ceci est très très très hypothétique…

 

Conclusion…

 

L’univers est un sujet complexe à étudier.En effet, puisqu’il est impossible d’y appliquer les règles de la physique terrestre, règles qui sont directement observables, il est difficile d’émettre des hypothèses certaines. Le nouveau modèle standard semble crédible, mais la question reste mitigée au sein des cosmologistes.Certains pensent même que le modèle d’Einstein-de Sitter serait le plus réaliste.Ainsi, il ne serait pas étonnant que de nouvelles théories apparaissent d’ici quelques années.La cosmologie est une science jeune qui a l’éternité pour aller jusqu’au fond de la question de l’univers.Puisqu’elle n’a aucune base certaine sur laquelle s’appuyer, cette branche de l’astronomie est excessivement hypothétique… or, parfois les idées les plus folles sont les plus véridiques!

BIBLIOGRAPHIE

 

SEGUIN, Marc et VILLENEUVE, Benoît .- Astronomie et astrophysique .- St-Laurent :Éditions du renouveau pédagogique, 1995 .- 550 p. (+ annexe cosmologie)
 

Adresses internet :
 

Http://cdfinfo.in2p3.fr/Culture/Cosmologie/Cosmodyn.html
 

Http://hometown.aol.com/drfatalis/astro.html
 

Http://www.iap.fr/users/roukema/etalon.html
 

Http://www.dstu.univmontp2.fr/GRAAL/ENSEIGNE/COSMOLOGIE/UniversFL/Principes.html
 

Http://astro.u-strasbg.fr/pnc/pncweb5/node3.html
 

Http://www.ens-lyon.fr/~bgoglin/physique/cosmologie.html
 

Http://astro.geoman.net/fr/astro/actu/astronomie/70/html/valeurs.html