décalage négligeable des motifs lumineux (en bas, solide) par rapport à ce qui était attendu si la relativité galiléenne était vraie (en bas, en pointillés). La vitesse de la lumière était la même quelle que soit la direction dans laquelle l’interféromètre était orienté, y compris avec, perpendiculairement ou contre le mouvement de la Terre dans l’espace. Albert A. Michelson (1881) ; A. A. Michelson et E. Morley (1887)

Ceci nous a appris quelque chose d’incroyablement important : la vitesse de la lumière est indépendante de tout mouvement relatif dans l’espace. Peu importe qui vous êtes, où vous êtes, à quelle vitesse ou dans quelle direction vous voyagez dans l’Univers, vous observerez toujours toutes les ondes lumineuses voyageant dans l’espace à cette même limite de vitesse universelle : la vitesse de la lumière dans le vide. Si vous et la source vous éloignez l’un de l’autre, la longueur d’onde de la lumière est décalée vers le rouge ; si vous vous rapprochez l’un de l’autre, la longueur d’onde est décalée vers le bleu. Mais la vitesse de la lumière elle-même ne change jamais à travers le vide de l’espace.

Cette idée était révolutionnaire quand Einstein l’a proposée, de nombreux physiciens professionnels y ont résisté (à tort) pendant des décennies. L’opposition ne la rendait pas moins vraie, cependant. Mais le grand prix restait toujours : incorporer la gravitation dans l’équation.

théorie de la relativité ont été effectués, soumettant l’idée à certaines des contraintes les plus strictes jamais obtenues par l’humanité. La présence de matière et d’énergie dans l’espace indique à l’espace-temps comment se courber, et cet espace-temps courbé indique à la matière et à l’énergie comment se déplacer. Collaboration scientifique LIGO / T. Pyle / Caltech / MIT

Avant Einstein, la gravitation était un phénomène newtonien. Selon Newton, l’espace et le temps étaient des entités absolues, plutôt que relatives. La force gravitationnelle d’attraction entre deux masses quelconques devait se propager infiniment vite, plutôt que d’être limitée par la vitesse de la lumière.

La plus grande révolution qu’Einstein a apportée à la physique a été le renversement de cette image de la gravitation. Bien sûr, vous pouviez utiliser la gravité newtonienne comme une très bonne approximation pour presque toutes les conditions, mais dans les situations où la matière ou l’énergie passait à proximité d’une grande masse, Newton ne vous donnerait pas les bonnes réponses.

L’orbite du Mercure précède plus que ce que Newton avait prévu. La lumière passant près du Soleil pendant une éclipse se courbait d’une quantité plus importante que ce que Newton pouvait expliquer.

a montré, de manière concluante, que la théorie générale de la relativité décrivait la courbure de la lumière des étoiles autour des objets massifs, renversant l’image newtonienne. Il s’agissait de la première confirmation observationnelle de la relativité générale d’Einstein, et elle semble s’aligner sur la visualisation du  » tissu de l’espace plié « . The Illustrated London News, 1919

Comme les preuves le montraient clairement, la relativité générale d’Einstein – où la masse et l’énergie courbent l’espace et où cet espace courbé détermine le mouvement de la masse et de l’énergie – avait supplanté la gravité newtonienne. Cette nouvelle conceptualisation de la gravitation et du tissu de l’espace et du temps lui-même a apporté une autre révélation avec elle : le fait que le tissu de l’Univers, s’il était rempli de quantités à peu près égales de matière et d’énergie partout, ne pouvait pas être statique et immuable.

Au contraire, comme les observations dès les années 1920 ont commencé à le montrer définitivement, il y avait une relation systématique entre la distance d’un objet par rapport à nous et la quantité de décalage vers le rouge de sa lumière observée. Bien sûr, les galaxies se déplacent dans l’espace les unes par rapport aux autres, mais seulement à des vitesses allant jusqu’à quelques milliers de kilomètres par seconde. Pourtant, lorsque nous observons les décalages vers le rouge réels des galaxies lointaines, ils correspondent à des vitesses de récession beaucoup, beaucoup plus grandes que ces valeurs.

objets les plus distants de tous, vus depuis leurs supernovae de type Ia. Les données sont fortement en faveur d’un Univers en accélération. Notez comment l’axe des ordonnées inclut des vitesses qui dépassent la vitesse de la lumière, mais cela ne dit pas tout sur ce qui se passe réellement avec l’Univers en expansion. Ned Wright, sur la base des dernières données de Betoule et al.

La raison pour laquelle nous voyons ces décalages vers le rouge cosmiques s’échelonner avec la distance, comme les scientifiques l’ont rapidement compris, est que le tissu de l’Univers lui-même est en expansion. Comme des raisins secs dans une pâte à pain aux raisins, les galaxies de l’Univers voient toutes les autres galaxies s’éloigner d’elles, les raisins secs (ou galaxies) les plus éloignés semblant s’éloigner plus rapidement.

Mais pourquoi ?

Ce n’est pas parce que les raisins secs se déplacent par rapport à la pâte dans laquelle ils sont intégrés, ni parce que les galaxies individuelles se déplacent dans le tissu de l’espace. C’est plutôt dû au fait que la pâte elle-même – tout comme le tissu de l’espace – est en expansion, et que les raisins secs (ou galaxies) ne font que suivre le mouvement.

Univers, où les distances relatives augmentent à mesure que l’espace (la pâte) s’étend. Plus deux raisins secs sont éloignés l’un de l’autre, plus le décalage vers le rouge observé sera important au moment où la lumière sera reçue. La relation entre le décalage vers le rouge et la distance prédite par l’expansion de l’Univers est confirmée par les observations et correspond à ce que l’on sait depuis les années 1920. NASA / WMAP Science Team

En attendant, parce que ces objets sont des galaxies, ils sont remplis d’étoiles émettant de la lumière. Elles émettent de la lumière en continu dès qu’elles s’allument, mais nous ne pouvons les observer qu’à partir du moment où la lumière arrive pour la première fois à nos yeux après avoir voyagé dans l’Univers.

Pas l’Univers newtonien, attention : l’Univers en expansion, einsteinien.

Cela signifie qu’il existe des galaxies dont la lumière arrive seulement maintenant ici sur Terre pour la première fois, après avoir voyagé dans l’Univers pendant plus de 13 milliards d’années. Les premières étoiles et galaxies se sont formées quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang, et nous avons découvert des galaxies aussi anciennes que l’Univers, qui n’avait que 3 % de son âge actuel. Et pourtant, cette lumière a été si sévèrement décalée vers le rouge par l’Univers en expansion qu’elle était ultraviolette lorsqu’elle a été émise, mais qu’elle est déjà loin dans l’infrarouge au moment où nous pouvons l’observer.

se décale et comment les distances entre les objets non liés changent au fil du temps dans l’Univers en expansion. Notez que les objets commencent plus proches que le temps que met la lumière à voyager entre eux, que la lumière se décale en raison de l’expansion de l’espace et que les deux galaxies finissent par être beaucoup plus éloignées l’une de l’autre que le chemin de voyage de la lumière emprunté par le photon échangé entre elles. Rob Knop

Si nous devions nous demander, de notre point de vue, ce que cela signifie pour la vitesse de cette galaxie lointaine que nous observons seulement maintenant, nous conclurions que cette galaxie s’éloigne de nous bien au-delà de la vitesse de la lumière. Mais en réalité, non seulement cette galaxie ne se déplace pas dans l’Univers à une vitesse relativiste impossible, mais elle se déplace à peine ! Au lieu d’atteindre des vitesses supérieures à 299 792 km/s (la vitesse de la lumière dans le vide), ces galaxies ne se déplacent dans l’espace qu’à ~2 % de la vitesse de la lumière ou moins.

Mais l’espace lui-même est en expansion, et cela explique l’écrasante majorité du décalage vers le rouge que nous observons. Et l’espace ne s’étend pas à une vitesse ; il s’étend à une vitesse par unité de distance : un type de vitesse très différent. Lorsque vous voyez des chiffres comme 67 km/s/Mpc ou 73 km/s/Mpc (les deux valeurs les plus courantes que les cosmologistes mesurent), il s’agit de vitesses (km/s) par unité de distance (Mpc, soit environ 3,3 millions d’années-lumière).

La restriction selon laquelle « rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière » ne s’applique qu’au mouvement des objets dans l’espace. La vitesse à laquelle l’espace lui-même s’étend – cette vitesse par unité de distance – n’a aucune limite physique à sa limite supérieure.

avec la quantité que nous pouvons atteindre (magenta). La limite de l’Univers visible est de 46,1 milliards d’années-lumière, car c’est la limite de la distance à laquelle se trouverait un objet ayant émis une lumière qui nous atteindrait juste aujourd’hui après s’être éloigné de nous en s’étendant pendant 13,8 milliards d’années. Cependant, au-delà d’environ 18 milliards d’années-lumière, nous ne pourrons jamais accéder à une galaxie, même si nous nous déplacions vers elle à la vitesse de la lumière. E. Siegel, d’après les travaux des utilisateurs de Wikimedia Commons Azcolvin 429 et Frédéric MICHEL

Il peut sembler étrange de considérer tout ce que cela implique. Parce que nous avons de l’énergie noire, le taux d’expansion ne tombera jamais à zéro ; il restera à une valeur positive et finie. Cela signifie que même si seulement 13,8 milliards d’années se sont écoulées depuis le Big Bang, nous pouvons observer la lumière d’objets qui se trouvent déjà à 46,1 milliards d’années-lumière. Et cela signifie qu’au-delà d’une fraction de cette distance – environ 18 milliards d’années-lumière – aucun objet lancé aujourd’hui depuis la Terre ne pourrait jamais l’atteindre.

Mais aucun objet ne se déplace réellement dans l’Univers plus vite que la vitesse de la lumière. L’Univers est en expansion, mais l’expansion n’a pas de vitesse ; elle a une vitesse par unité de distance, qui équivaut à une fréquence, ou à un temps inverse. L’un des faits les plus surprenants sur l’Univers est que si vous faites les conversions et prenez l’inverse de la vitesse d’expansion, vous pouvez calculer le « temps » que vous sortez.

La réponse ? Environ 13,8 milliards d’années : l’âge de l’Univers. Il n’y a pas de raison fondamentale à ce fait ; c’est juste une coïncidence cosmique fascinante.

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