L’expansion de l’Univers est aujourd’hui largement acceptée par la communauté scientifique, de nombreuses observations supportant ce phénomène (et son apparente accélération). A l’expansion de l’Univers, on associe souvent l’expansion de l’espace lui-même. Et s’il en était autrement? Le redshift cosmologique pourrait-il être dû uniquement à des effets cinématiques et gravitationnels, et non à l’expansion de l’espace?

Le redshift cosmologique, témoin de l’expansion de l’Univers, rend compte du décalage vers le rouge (l’allongement de la longueur d’onde) du spectre des galaxies lointaines: celles si s’éloignent de nous, d’autant plus vite qu’elles sont distantes. Deux autres propriétés, en plus du redshift cosmologique, sont souvent attribuées à l’expansion de l’espace: la récession des galaxies à des vitesses superluminiques (les galaxies s’éloignent les unes des autres à des vitesses supérieures à celle de la lumière), et des distances à l’horizon supérieures à l’âge de l’Univers (pour faire simple, des objets se trouvant aujourd’hui à une distance supérieure à 13,7 milliards d’années lumières).

Fulvio Melia, du département de physique de l’Université d’Arizona aux Etats-Unis, a réétudié cette interprétation de l’espace en expansion. D’après lui, il s’agirait là d’une mauvaise interprétation due au choix de coordonnées pour effectuer les mesures: le redshift cosmologique pourrait être calculé uniquement à l’aide d’effets cinématiques et gravitationnels, sans qu’aucune expansion de l’espace ne soit nécessaire. Dans ce cas, les différents objets astrophysiques ne sont plus statiques dans un espace en expansion, mais en mouvement dans un espace fixe.

Au centre de la question posée par Melia se trouve le choix de coordonnées utilisées. La cosmologie standard est basée sur ce que l’on appelle la métrique Friedmann-Robertson-Walker (FRW – la métrique est la fonction mathématique définissant la distance entre les différents éléments de l’Univers) pour un espace tridimensionnel homogène et isotrope. Dans son étude, Melia a uniquement pris un compte un sous-ensemble des métriques FRW (six cas différents en tout), des cas particuliers où la courbure de l’espace temps est constante et permet l’écriture de la métrique sous une forme de statique. Comme l’explique Melia, ce choix a été guidé par des raisons de simplicité.

Pour ses calculs, le chercheur a utilisé un nouveau jeu de coordonnées transformées (je ne rentrerai pas dans les détails) et est parvenu à un résultat extrêmement intéressant: le redshift cosmologique peut-être calculé uniquement à l’aide d’effets cinématiques et gravitationnels (plus particulièrement du phénomène de dilatation temporelle). Ainsi, Melia démontre que l’interprétation d’un espace en expansion dépend du choix de coordonnées.

Evidemment, il est impossible de tirer des conclusions définitives: le comportement observé par Melia pourrait très bien ne plus être valide dans le cas de métriques non statiques. Sa démonstration est donc partielle. Cependant, Melia explique qu’il semble peu probable que ce comportement soit différent, étant donné que la définition du redshift en terme de facteur d’expansion est la même dans tous les cas.

Cette observation a plusieurs implications importantes, elle rend par exemple impossible le « transport » de la lumière à des vitesses superluminiques avec l’expansion. D’autres scientifiques sont arrivés à des conclusions similaires tout en utilisant des techniques de calcul différentes, renforçant l’idée suggérée par Melia. Enfin, il sera tout de même nécessaire de confirmer ces résultats dans le cas de métriques non statiques. En attendant, la question demeure: l’espace est-il vraiment en expansion?..

 

Référence

Fulvio Melia – Cosmological Redshift in FRW Metrics with Constant Spacetime Curvature arXiv:1202.0775v1

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