Décrypter l’expansion de l’univers : le rôle clé de la relativité générale

Regardons ensemble le ciel nocturne. Imaginez que chaque point lumineux, chaque galaxie, s’éloigne de nous… et de toutes les autres, à une vitesse qui semble défier le bon sens. C’est ce que révèle l’expansion de l’univers, découverte au début du XXème siècle. Mais comprendre cette danse cosmique demande un outil théorique robuste, capable de traduire l’étrange réalité de l’espace en mouvement. C’est là que la relativité générale entre en scène.

Pour bien mesurer le pourquoi du choix de la relativité générale, il faut avant tout saisir ce que cette théorie a révolutionné, mais aussi les limites des approches précédentes.

Remontons à Newton. Selon lui, l’univers ressemble à une scène de théâtre : l’espace est un vaste décor inerte et absolu, le temps file gentiment en coulisses, et la gravité agit comme un fil invisible tirant les acteurs-célestes les uns vers les autres. Cette description fonctionne parfaitement pour expliquer les mouvements des planètes, des pommes ou même des comètes.

Mais à l’échelle cosmique, cette vision commence à grincer. D’abord, la gravitation newtonienne ne prend pas en compte la vitesse de la lumière. Or, à grande échelle, c’est précisément cette limite physique — rien ne dépasse la lumière, même pas l’information gravitationnelle — qui devient cruciale. Ensuite, Newton ne prévoit ni l’expansion de l’espace, ni sa courbure, deux concepts essentiels mis en lumière au XXème siècle.

• Espace absolu : Chez Newton, rien n’altère l’espace lui-même. Il est statique.
• Instantanéité : La gravitation s’exerce sans délai, ce qui contredit la relativité.
• Aucune expansion : L’idée même d’un espace qui se dilate n’existe pas.

En 1915, Albert Einstein propose sa relativité générale. Pour lui, l’espace-temps n’est pas une toile de fond figée, mais une sorte de “tissu” souple qui peut se courber ou se déformer sous l’effet de la matière et de l’énergie. Cette toile cosmique façonne le mouvement des objets, qui suivent la “courbure” créée localement.

La relativité générale pose deux idées radicales :

• L’espace-temps courbe : La présence de masse ou d’énergie courbe l’espace et ralentit le temps. Les objets suivent alors les chemins tracés par cette courbure (les géodésiques).
• Dynamique de la gravité : La gravité n’est plus une force à distance, mais l’expression de la géométrie de l’espace-temps, qui elle-même peut évoluer dans le temps.

En d’autres termes, imaginez une boule de pétanque sur un trampoline : elle crée une déformation que d’autres objets ressentent. L’univers entier réagit selon ce principe – à condition de prendre en compte quatre dimensions (trois d’espace, une de temps).

Revenons maintenant à la question centrale : pourquoi les cosmologistes utilisent-ils la relativité générale, et non la mécanique de Newton, pour modéliser l’expansion de l’univers ? Plusieurs raisons très concrètes expliquent ce choix, issues à la fois de la théorie et des observations.

1. L’expansion de l’espace, pas le mouvement des galaxies

La mécanique newtonienne peut expliquer des galaxies “en fuite” les unes des autres, comme des bateaux qui s’écartent sur un lac. Mais elle reste muette lorsqu’il est question de l’espace lui-même qui s’étire, à la manière d’un gâteau aux raisins gonflant au four (cette fameuse image provient du physicien E. Milne).

Dans la relativité générale, l’espace n’est ni rigide ni indépendant du contenu de l’univers ; il s’étend lorsque la matière et l’énergie le permettent (et selon son contenu exact). Cela correspond à la description qu’a donnée Edwin Hubble en 1929 en observant que plus une galaxie est éloignée, plus sa vitesse d’éloignement est grande : la fameuse loi de Hubble (source : NASA).

2. Les équations qui dessinent le destin de l’univers

La manière de prédire l’évolution de tout l’univers repose sur des équations issues directement de la relativité générale : les équations de Friedmann (prononcer “fridmanne”), établies en 1922 par le mathématicien russe Alexandre Friedmann.

Elles relient la vitesse d’expansion de l’univers à sa densité de matière, d’énergie, et même à une mystérieuse “constante cosmologique” qui pourrait agir comme une force d’accélération (ce que l’on attribue aujourd’hui à l’énergie noire). Sans relativité générale, impossible d’obtenir ces résultats qui collent aux observations.

• La constante de Hubble aujourd'hui : environ 67,4 km/s/Mpc selon le satellite Planck (2018, ESA), soit une expansion à 67,4 kilomètres par seconde par mégaparsec de distance.
• Âge de l’univers : environ 13,8 milliards d’années, un chiffre obtenu principalement… en résolvant justement ces équations !

3. Prévoir les grandes étapes de l’histoire cosmique

La relativité générale ne se contente pas d’être théorique : elle permet de retracer chaque chapitre de l’histoire de l’univers. De l’ère inflationnaire (expansion ultra-rapide juste après le Big Bang), aux grandes transitions comme la recombinaison (formation des premiers atomes), jusqu’à l’accélération actuelle liée à l’énergie noire… Tous ces épisodes sont décrits précisément par des modèles fondés sur les équations d’Einstein.

Un modèle purement newtonien ignore (ou ne rend pas correctement compte) :

• La création de la lumière du fond diffus cosmologique (cosmic microwave background) mesurée par les satellites COBE, WMAP puis Planck;
• L’existence d’horizons : des régions de l’univers qui ne peuvent pas échanger d’informations car la lumière ne s’y diffuse pas assez vite ;
• L’accélération moderne de l’expansion détectée à la fin des années 1990 (Prix Nobel 2011) ;
• La formation des grandes structures : amas, filaments, “mousse” cosmique.

J’aime rappeler qu’une théorie physique n’est jamais acceptée seulement parce qu’elle est élégante. Elle doit coller à la réalité, c’est-à-dire passer le cap des observations.

• Déviation de la lumière : Dès 1919, l’éclipse solaire observée par Arthur Eddington confirme la prédiction de la relativité : la lumière des étoiles “dévie” au passage près d’un gros objet (le Soleil) car l’espace lui-même est courbé (Encyclopaedia Britannica).
• Horloges décalées : Les GPS, que nous utilisons chaque jour, corrigent leurs satellites en fonction de la distorsion du temps prévue par Einstein, sans quoi ils perdraient rapidement toute précision.
• Fond diffus cosmologique : Sa structure révèle l’empreinte “prévue” par la relativité sur la répartition de la matière et de la lumière 380 000 ans après le Big Bang.
• Ondes gravitationnelles : Détectées pour la première fois en 2015 (LIGO, Virgo), elles sont l’un des phénomènes les plus spectaculaires prédits par la relativité, preuve de la nature dynamique de l’espace-temps lui-même.

Toutes ces preuves montrent que la relativité générale décrit remarquablement bien l’évolution et la structure de l’univers… jusqu’à ses frontières les plus lointaines.

La science avance toujours à coups de questions. Aujourd’hui encore, la relativité générale pose des défis : elle ne s’accorde pas avec la physique quantique (celle de l’infiniment petit), et elle bute sur les “singularités” : points de densité infinie, comme au centre des trous noirs ou au tout début du Big Bang.

Des théories cherchent à étendre ou dépasser la relativité : la gravité quantique à boucles, la théorie des cordes… Pour l’instant, aucune n’a fourni d'alternatives capables d’expliquer aussi bien que la relativité l’expansion et la géométrie de notre univers observable.

Nous avons parcouru ensemble la raison profonde pour laquelle la relativité générale est l’outil fondamental des modèles cosmologiques : c’est la seule théorie qui fait de l’espace et du temps des acteurs à part entière, capables de se dilater, de se courber ou de s’étirer, au gré de la densité de matière, d’énergie et des mystères encore à explorer.

Je trouve fascinant que la physique du XXème siècle, fondée sur les idées disruptives d’un jeune père de famille suisse, nous permette aujourd’hui de déchiffrer les “battements de cœur” de l’univers, à des milliards d’années-lumière de distance. Ce tissu de l’espace-temps, imaginé par Einstein, continue de livrer ses secrets… et, qui sait, peut-être réserve-t-il encore quelques surprises aux prochaines générations de curieux.

Si vous souhaitez creuser ce sujet : le site de l’Institut Langevin propose des ressources accessibles et fouillées. Et si une question vous titille, n’hésitez pas à l’écrire ici : explorer, c’est toujours plus riche ensemble.