Données clés
- La NASA explique que l’expansion de l’Univers étire la lumière et augmente sa longueur d’onde, ce qui la décale vers le rouge.
- Le décalage se mesure en comparant les caractéristiques connues du spectre observé à leurs positions de référence ; l’ESA précise que l’on utilise des raies atomiques d’émission ou d’absorption et des spectres de laboratoire.
- L’ESA distingue le décalage Doppler, associé au mouvement relatif dans l’espace, du décalage cosmologique, provoqué par l’expansion de l’espace.
- La NASA indique que la lumière des objets les plus éloignés met plus longtemps à nous parvenir et permet d’observer des époques antérieures de l’Univers.
- Selon la NASA, l’expansion a commencé à accélérer il y a environ cinq milliards d’années, sous l’effet de l’énergie noire.
Fiches associées
La lumière d’une galaxie lointaine peut nous parvenir avec une longueur d’onde plus grande que celle qu’elle avait au moment de son émission. Comme les longueurs d’onde les plus grandes se situent vers l’extrémité rouge du spectre visible, ce phénomène s’appelle le décalage vers le rouge. Dans le cas cosmologique, la lumière s’étire tandis qu’elle traverse un univers en expansion.
Comment le mesurer
Les astronomes analysent le spectre de la lumière reçue et y recherchent des caractéristiques dont la position de référence est connue. La NASA cite, par exemple, les raies d’absorption : en comparant leur emplacement observé à leur position normale dans le spectre, on détermine le décalage cosmologique.
L’Agence spatiale européenne explique que les raies d’émission et d’absorption des atomes apparaissent à des longueurs d’onde connues. Le spectre d’une galaxie ou d’un quasar lointain peut donc être comparé à un spectre de référence obtenu en laboratoire afin de mesurer le déplacement de ces raies.
Expansion de l’espace et effet Doppler
Le décalage cosmologique est lié à l’effet Doppler, qui déplace lui aussi les ondes lorsqu’une source et un observateur se déplacent l’un par rapport à l’autre. Mais l’ESA distingue les deux phénomènes : le décalage Doppler ordinaire est dû au mouvement relatif dans l’espace, tandis que le décalage cosmologique résulte de l’expansion de l’espace lui-même. Ainsi, deux objets au repos l’un par rapport à l’autre dans leur environnement local peuvent observer un décalage vers le rouge si l’espace qui les sépare s’étend.
L’ESA propose l’image d’une pâte à pain contenant des raisins secs. Avant la cuisson, les raisins sont au repos dans la pâte ; lorsqu’elle gonfle, la distance entre eux augmente. Cette comparaison illustre l’accroissement des distances pendant l’expansion, mais ne décrit pas tous les détails de l’Univers.
Ce qu’il révèle sur l’Univers
La page de la NASA consacrée au télescope spatial Hubble indique qu’en général, plus une galaxie est éloignée, plus son décalage vers le rouge est important. La relation entre la distance d’une galaxie et la vitesse à laquelle elle s’éloigne est appelée loi de Hubble. La spectroscopie — l’étude de la lumière décomposée en ses composantes — a permis à Edwin Hubble de confirmer que les galaxies s’éloignent ; le télescope spatial qui porte son nom a contribué à améliorer la précision des mesures du taux d’expansion.
Le décalage ouvre aussi une fenêtre sur l’histoire cosmique. La lumière des objets lointains met plus longtemps à nous parvenir ; nous les observons donc tels qu’ils étaient au moment où ils l’ont émise. En s’étirant, la lumière peut passer du domaine visible à l’infrarouge. Hubble est doté de détecteurs sensibles aux ultraviolets, à la lumière visible et à l’infrarouge. Le télescope spatial James Webb, qui observe dans l’infrarouge, étend les observations à des galaxies plus anciennes et permet d’étudier à nouveau certaines galaxies lointaines.
L’expansion au fil du temps
Selon l’explication de la NASA, l’expansion initiale de l’Univers a commencé à ralentir presque immédiatement sous l’effet de la gravité, puis a recommencé à s’accélérer il y a environ cinq milliards d’années. La NASA attribue cette accélération à l’énergie noire. La même page présente le décalage vers le rouge et les mesures de l’expansion réalisées avec Hubble comme des outils permettant d’étudier l’évolution de l’Univers.
Ensemble, les mesures des spectres relient un signal observable — le déplacement de caractéristiques de la lumière — à l’expansion de l’espace et à l’époque où cette lumière a commencé son voyage.