Qu’est-ce qui retient les galaxies ensemble? Pourquoi l’expansion de l’Univers se poursuit-elle depuis le Grand Boum? Y aura-t-il un Grand Effondrement (en anglais Big Crunch)? Les cosmologistes - scientifiques qui étudient la structure à grande échelle de l’Univers - se posent ce genre de questions. Voici quelques-unes de leurs réponses et les domaines où ils s’interrogent toujours.

Les mystères de la gravité

La gravité est partout. C’est elle qui nous retient au sol, qui maintient les planètes en orbite autour du Soleil et qui empêche les étoiles et les galaxies de partir dans tous les sens. Fondamentalement, c’est la gravité qui assure la cohésion de l’Univers. C’est aussi la plus mystérieuse des forces de la nature.

L’expansion de l’Univers

En 1929, l’astronome Edwin Hubble découvrit que d’autres galaxies s’éloignent de la nôtre, la Voie lactée. En fait, plus une galaxie est loin, plus elle s&r Pour en lire plus
Qu’est-ce qui retient les galaxies ensemble? Pourquoi l’expansion de l’Univers se poursuit-elle depuis le Grand Boum? Y aura-t-il un Grand Effondrement (en anglais Big Crunch)? Les cosmologistes - scientifiques qui étudient la structure à grande échelle de l’Univers - se posent ce genre de questions. Voici quelques-unes de leurs réponses et les domaines où ils s’interrogent toujours.

Les mystères de la gravité

La gravité est partout. C’est elle qui nous retient au sol, qui maintient les planètes en orbite autour du Soleil et qui empêche les étoiles et les galaxies de partir dans tous les sens. Fondamentalement, c’est la gravité qui assure la cohésion de l’Univers. C’est aussi la plus mystérieuse des forces de la nature.

L’expansion de l’Univers

En 1929, l’astronome Edwin Hubble découvrit que d’autres galaxies s’éloignent de la nôtre, la Voie lactée. En fait, plus une galaxie est loin, plus elle s’éloigne rapidement de nous.

La matière noire et le sort de l’Univers

Seulement 10 pour cent de l’Univers émet de la lumière, et les 90 autres pour cent nous sont invisibles. Cette « matière noire » est essentielle à notre compréhension du sort de l’Univers. Sans matière noire pour agir comme « frein gravitationnel », l’expansion cosmique continuerait de disperser l’Univers à tout jamais.

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

Trou noir

Représentation artistique d'un trou noir.

NASA / Dana Berry (STScI)

© NASA / Dana Berry (STScI)


C’est la gravité qui assure la cohésion de l’Univers. Elle empêche les galaxies de partir dans tous les sens, maintient les planètes en orbite autour du Soleil et nous retient au sol. Mais nous n’avons pas toujours su ce qu’est la gravité. Et elle demeure toujours dans une certaine mesure un mystère.

Le monde selon Newton

En 1687, sir Isaac Newton prouva que la gravité est la force d’attraction mutuelle entre toutes les masses de l’Univers, qu’elle s’exerce à l’infini dans l’espace mais qu’elle s’affaiblit à mesure que la distance augmente.

L’objet le plus massif près de nous est la planète sur laquelle nous vivons. La masse de la Terre est d’environ 6 millions de milliards de milliards de kilos - c’est-à-dire un « 6 » suivi de 24 zéros. Une telle masse exerce une force gravitationnelle énorme, qui nous attire vers le centre de la Terre. C’est pourquoi, où que nous soyons sur la Terre, il est impossible de « tomber » dans l&r Pour en lire plus
C’est la gravité qui assure la cohésion de l’Univers. Elle empêche les galaxies de partir dans tous les sens, maintient les planètes en orbite autour du Soleil et nous retient au sol. Mais nous n’avons pas toujours su ce qu’est la gravité. Et elle demeure toujours dans une certaine mesure un mystère.

Le monde selon Newton

En 1687, sir Isaac Newton prouva que la gravité est la force d’attraction mutuelle entre toutes les masses de l’Univers, qu’elle s’exerce à l’infini dans l’espace mais qu’elle s’affaiblit à mesure que la distance augmente.

L’objet le plus massif près de nous est la planète sur laquelle nous vivons. La masse de la Terre est d’environ 6 millions de milliards de milliards de kilos - c’est-à-dire un « 6 » suivi de 24 zéros. Une telle masse exerce une force gravitationnelle énorme, qui nous attire vers le centre de la Terre. C’est pourquoi, où que nous soyons sur la Terre, il est impossible de « tomber » dans l’espace - la gravité nous attire toujours vers le centre de la Terre.

La gravité attire également la Lune vers la Terre. Mais à cause de sa vitesse, la Lune ne frappe pas la Terre. Elle tourne autour en « tombant » constamment vers la Terre. De la même manière, Newton conclut que la gravité du Soleil attire la Terre vers le centre du système solaire et maintient toutes les planètes en orbite.

La théorie de la relativité générale d’Einstein

Plus de deux siècles plus tard, en 1915, Albert Einstein prédit les effets de la gravité au voisinage d’objets massifs comme les étoiles, dont la gravité est très forte. Il compara l’espace à une feuille de plastique que l’on étire pour qu’elle soit bien horizontale. Une boule assez lourde placée sur cette feuille y fait un creux. Si, au voisinage de cette boule, on en met une autre plus légère, cette dernière roule vers le creux créé par la boule plus lourde. Plus un objet est massif, plus le creux est profond et plus grande est l’attraction gravitationnelle qu’il exerce.

Un trou noir est un objet extrêmement massif, qui crée dans la feuille de plastique un creux tellement profond que même la lumière ne peut s’en échapper.

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

La Terre et la Lune

La force de gravité maintient la Lune en orbite autour de la Terre.

NASA / U.S. Geological Survey

© NASA / U.S. Geological Survey


Voyez comment la gravité déforme l'espace.

Depuis Einstein, on sait que la matière déforme la géométrie de l’espace autour d’elle. Ainsi, un rayon de lumière, qui passe près d’un objet massif, est dévié par celui-ci.

Réseau canadien d'information sur le patrimoine

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003


C’est la gravité qui détermine le poids d’un objet. Tout objet, y compris vous-même, a une certaine masse. Si vous amenez cet objet sur une planète dont la gravité est différente de celle de la Terre, son poids n’est plus le même parce que la force de gravité qui s’exerce sur lui est différente.

Si vous alliez sur la Lune, vous pèseriez moins que sur la Terre, parce que la gravité sur la Lune est environ un sixième de ce qu’elle est sur la Terre. Par exemple, si vous pesez 60 kilos sur la Terre, vous ne pèseriez plus que 10 kilos sur la Lune. Par contre, sur Jupiter, qui est plus massive que la Terre, votre poids serait beaucoup plus élevé - 130 kilos. Et dans l’espace, loin de tout corps céleste, vous ne pèseriez presque rien.
C’est la gravité qui détermine le poids d’un objet. Tout objet, y compris vous-même, a une certaine masse. Si vous amenez cet objet sur une planète dont la gravité est différente de celle de la Terre, son poids n’est plus le même parce que la force de gravité qui s’exerce sur lui est différente.

Si vous alliez sur la Lune, vous pèseriez moins que sur la Terre, parce que la gravité sur la Lune est environ un sixième de ce qu’elle est sur la Terre. Par exemple, si vous pesez 60 kilos sur la Terre, vous ne pèseriez plus que 10 kilos sur la Lune. Par contre, sur Jupiter, qui est plus massive que la Terre, votre poids serait beaucoup plus élevé - 130 kilos. Et dans l’espace, loin de tout corps céleste, vous ne pèseriez presque rien.

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

Force de gravité de Jupiter

La force de gravité de Jupiter est beaucoup plus grande que celle de la Terre. Si votre poids est de 60 kilogrammes sur la Terre, vous pèseriez 130 kilogrammes sur Jupiter.

NASA / CICLOPS / Université de l'Arizona

© NASA / CICLOPS / Université de l'Arizona


En 1924, l’astronome américain Edwin Hubble a commencé à étudier les nébuleuses spirales. À cette époque, les astronomes croyaient que les nébuleuses spirales étaient des tourbillons semblables à des nuages au sein de la Voie lactée. Ils ne savaient pas que ce sont d’autres galaxies de l’Univers et pour eux la Voie lactée n’était qu’un simple ensemble d’étoiles dans un cosmos vide.

Hubble constata la présence d’étoiles dans la « nébuleuse d’Andromède ». En mesurant avec soin leur brillance, il conclut que la nébuleuse est en réalité un immense îlot d’étoiles au-delà de la Voie lactée. La nature exacte de la nébuleuse spirale fut enfin élucidée, et la nébuleuse d’Andromède fut reclassifiée en tant que galaxie.

En 1929, l’observation d’autres nébuleuses spirales amena Hubble à conclure que la Voie lactée est entourée de galaxies, et que Pour en lire plus
En 1924, l’astronome américain Edwin Hubble a commencé à étudier les nébuleuses spirales. À cette époque, les astronomes croyaient que les nébuleuses spirales étaient des tourbillons semblables à des nuages au sein de la Voie lactée. Ils ne savaient pas que ce sont d’autres galaxies de l’Univers et pour eux la Voie lactée n’était qu’un simple ensemble d’étoiles dans un cosmos vide.

Hubble constata la présence d’étoiles dans la « nébuleuse d’Andromède ». En mesurant avec soin leur brillance, il conclut que la nébuleuse est en réalité un immense îlot d’étoiles au-delà de la Voie lactée. La nature exacte de la nébuleuse spirale fut enfin élucidée, et la nébuleuse d’Andromède fut reclassifiée en tant que galaxie.

En 1929, l’observation d’autres nébuleuses spirales amena Hubble à conclure que la Voie lactée est entourée de galaxies, et que ces galaxies s’éloignent toutes de nous. En fait, plus une galaxie est loin, plus elle s’éloigne rapidement de nous.

Le rythme d’expansion de l’Univers

Le rythme d’expansion de l’Univers est une donnée essentielle pour connaître l’âge, la taille et la destinée de l’Univers. Les astronomes cherchent constamment à préciser la constante de Hubble, un rapport de la vitesse sur la distance qui donne une mesure du rythme d’expansion de l’Univers.

Étirement de l’espace

D’après la théorie d’Einstein, les galaxies ne se déplacent pas vraiment dans l’espace, c’est plutôt l’espace entre les galaxies qui s’étire. À titre de comparaison, prenons des lampadaires fixés au bord d’une route. Si l’on pouvait étirer la route, la distance entre les lampadaires augmenterait sans pour autant que les lampadaires ne se déplacent par rapport à la route.

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

Voyez l'expansion de l'Univers.

Elle suppose qu’au départ, il existait déjà de l’espace vide dans lequel il pouvait se produire une explosion. Dans le modèle de l’expansion de l’Univers, on suppose plutôt que c’est le tissu même de l’espace qui est en expansion. Les galaxies ne s’éloignent pas les unes des autres dans l’espace, c’est l’espace lui-même qui les emporte en se dilatant. Comme les lampadaires dans l’exemple de la route qui s’étend.

Réseau canadien d'information sur le patrimoine

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003


Étirement de l'espace

Imaginez que cette route s’étire comme un élastique et qu’elle double sa longueur en une seconde. Deux lampadaires voisins s’éloigneront donc l’un de l’autre de 10 mètres supplémentaires en une seconde. Par contre, dans le même temps, deux lampadaires distants a l’origine de 50 mètres, s’éloigneront l’un de l’autre de 50 mètres supplémentaires. Leurs vitesse d’éloignement l’un par rapport a l’autre sera 5 fois plus grande que pour deux lampadaires voisins.

Réseau canadien d'information sur le patrimoine

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003


La matière noire est détectable par l’effet de sa gravité sur l’Univers visible. Les amas de galaxies se déplacent comme s’ils avaient une masse supérieure à ce que l’on peut voir. Des études par ordinateur montrent que les galaxies sont imbriquées dans de vastes halos dont la masse est 10 fois plus importante que ce que l’on peut voir - cette masse est celle de la matière noire.

De quoi est donc faite la matière noire ? Elle pourrait être constituée d’objets compacts massifs (ou MACHO, pour Massive Compact Halo Objects). Les MACHO sont de gros morceaux de matériau cosmique, peut-être des étoiles consumées, qui se déplacent lentement, ou des objets de la taille de Jupiter qui pullulent dans les halos galactiques. La matière noire pourrait encore être constituée de particules massives à interaction faible (ou WIMP pour Weakly Interacting Massive Particles). Ce sont des particules exotiques qui se déplacent rapidement, des restes d’une époque cosmique primitive.

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La matière noire est détectable par l’effet de sa gravité sur l’Univers visible. Les amas de galaxies se déplacent comme s’ils avaient une masse supérieure à ce que l’on peut voir. Des études par ordinateur montrent que les galaxies sont imbriquées dans de vastes halos dont la masse est 10 fois plus importante que ce que l’on peut voir - cette masse est celle de la matière noire.

De quoi est donc faite la matière noire ? Elle pourrait être constituée d’objets compacts massifs (ou MACHO, pour Massive Compact Halo Objects). Les MACHO sont de gros morceaux de matériau cosmique, peut-être des étoiles consumées, qui se déplacent lentement, ou des objets de la taille de Jupiter qui pullulent dans les halos galactiques. La matière noire pourrait encore être constituée de particules massives à interaction faible (ou WIMP pour Weakly Interacting Massive Particles). Ce sont des particules exotiques qui se déplacent rapidement, des restes d’une époque cosmique primitive.

Jusqu’à maintenant, on a détecté quelques MACHO mais aucun WIMP. Par contre, les neutrinos semblent être des candidats prometteurs au statut de matière noire. Les neutrinos sont des particules subatomiques de très faible masse et dépourvues de charge électrique. Ils sont si nombreux que, même avec une masse 50 000 fois plus faible que celle d’un électron, ils pourraient représenter une masse totale égale à celle de tout l’Univers visible.

En quoi cela change-t-il quelque chose?

La matière noire a vraiment une importance. De fait, elle pourrait déterminer si l’univers va se terminer dans un Grand Effondrement ou s’il va continuer son expansion à tout jamais. Il y a trois scénarios possibles, selon la quantité de masse qui existe dans l’Univers:
Si l’Univers a une masse plus que suffisante, son expansion finira par cesser sous l’effet de la gravité, et tout va finir par retomber dans un Grand Effondrement. Un tel Univers est qualifié de « fermé ».

Si l’Univers a une masse juste suffisante, son expansion se poursuivra éternellement, mais à un rythme de plus en plus lent - sans toutefois cesser. Un tel Univers est qualifié de « plat ».
Voyez à quoi ressemblerait un Univers fermé ou un Univers plat.
Si l’Univers a une masse insuffisante, son expansion se poursuivra éternellement, à un rythme sans cesse accéléré. Un tel Univers est qualifié d’« ouvert ».
Pour l’instant il semble que le troisième scénario soit le plus probable. Même avec les MACHO, les WIMP et les neutrinos, il n’y a pas assez de masse pour contrer l’expansion de l’Univers.

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

L'amas de galaxies Abell 2218

Dans cette image de l'amas de galaxies Abell 2218, la lumière des objets situés derrière l'amas est dispersée par le champ gravitationnel de l'amas en motifs semblables à des arcs. Cela ressemble à ce qui se passe lorsque la lumière traverse une boule de verre. Cependant, la masse requise pour produire une telle distorsion est beaucoup plus considérable que la masse réellement visible. Des images comme celle-ci confirment l'existence de la matière noire.

W.Couch, Université de la Nouvelle-Galles du Sud, R. Ellis, Université Cambridge

© NASA/STScI


L'Observatoire de neutrinos de Sudbury

L'Observatoire de neutrinos de Sudbury (ONS), au Canada, est situé à 2 000 mètres sous terre dans une mine de nickel, près de Sudbury, en Ontario. L'ONS détecte des neutrinos qui proviennent du Soleil et d'autres objets astrophysiques.

E.O. Lawrence Berkley National Lab

© E.O. Lawrence Berkley National Lab


Un Univers fermé ou un Univers plat

Si la densité de l’Univers est égale à une certaine valeur critique, l’expansion s’arrêtera progressivement jusqu’à s’arrêter complètement au bout d’un temps infini. C’est le scénario de l’Univers plat. Par contre, si la densité de l’Univers est supérieure à la valeur critique, la force de gravitation prendra le pas sur l’expansion. Le mouvement d’expansion s’arrêtera, puis l’Univers s’effondrera sur lui-même, pour revenir à son état initial, une sorte de Big Bang à l’envers, qu’on appelle le Big Crunch. C’est le scénario de l’Univers fermé.

Réseau canadien d'information sur le patrimoine

© Le Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003


Objectifs d'apprentissage

L’apprenant va :

  • acquérir un enthousiasme et un intérêt soutenu pour l’étude des sciences;
  • comprendre certaines des questions et des études liées à l’astronomie;
  • comprendre la gravité, la théorie générale de la relativité d’Einstein et son lien avec l’espace;
  • décrire les trous noirs, la matière noire, l’Univers ouvert et l’Univers fermé;
  • discuter des prédictions scientifiques concernant l’avenir de l’Univers.

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