Comment sait-on que l'univers est en expansion ?

Parce que presque toutes les galaxies lointaines s'éloignent de nous, et que plus elles sont loin, plus elles s'éloignent vite. Ce schéma, qu'on appelle aujourd'hui loi de Hubble-Lemaître, dit que les galaxies s'éloignent de la Terre à une vitesse proportionnelle à leur distance, et il a été la première base observationnelle de l'expansion de l'Univers. Les astronomes obtiennent la vitesse d'une galaxie en mesurant son décalage vers le rouge, un changement de fréquence de la lumière qu'elle émet.

Le mérite revient à Edwin Hubble, pour des travaux publiés en 1929. Grâce aux étoiles variables appelées céphéides, il a calculé la distance de « nébuleuses spirales » et découvert, à la surprise générale, qu'elles se trouvaient bien au-delà de la Voie lactée. Mais il s'appuyait sur d'autres : Vesto Slipher avait mesuré dès 1912 le premier décalage spectral d'une nébuleuse spirale sans en saisir la portée, et c'est en combinant les vitesses de Slipher avec la méthode de mesure des distances d'Henrietta Swan Leavitt que Hubble a pu calculer un taux d'expansion.

Le coup de théâtre vient d'un prêtre et astronome belge, Georges Lemaître, qui avait établi la même relation deux ans plus tôt, en 1927, et en avait même estimé le rapport, qu'on appellera plus tard la constante de Hubble. Son article était écrit en français et paru dans une revue peu lue. Dans la traduction anglaise de 1931, publiée dans une grande revue, une équation essentielle a été modifiée et la future constante de Hubble a disparu : on sait aujourd'hui que c'est Lemaître lui-même qui a fait ce changement.

Aujourd'hui, cette loi est l'une des preuves le plus souvent citées en faveur du Big Bang. Elle s'écrit v = H₀D, où la constante de Hubble H₀ vaut environ 70 km/s par mégaparsec de distance : une galaxie deux fois plus lointaine s'éloigne environ deux fois plus vite.