Le modèle cosmologique où l'univers croît au fil du temps, décrit par des équations analogues à celles d'une machine thermique.Le modèle d'univers en expansion décrit un cosmos qui croît au fil du temps, le facteur d'échelle de l'espace augmentant à mesure que l'univers vieillit. Ce modèle est remarquablement analogue à une machine thermique : l'univers peut être considéré comme un système thermodynamique qui effectue un travail en se dilatant, convertissant l'énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique des galaxies et, en fin de compte, en rayonnement. Cette perspective thermodynamique a conduit à des aperçus sur l'entropie de l'univers, ses conditions initiales et la possibilité de cycles d'expansion et de contraction. Le modèle explique également le rayonnement du fond diffus cosmologique comme une relique de la phase chaude et dense primitive.
L'idée d'un univers en expansion a été développée dans les années 1920 par Alexandre Friedmann et Georges Lemaître, qui ont dérivé des solutions aux équations de champ d'Einstein permettant un univers dynamique. Les observations d'Edwin Hubble en 1929 ont fourni la preuve empirique, et le modèle a été affiné par la suite avec la découverte du fond diffus cosmologique en 1965.
L'expansion est régie par la relativité générale, où la géométrie de l'espace-temps répond à l'énergie et à la matière qu'il contient. Dans le modèle standard, l'univers est homogène et isotrope à grande échelle, et son évolution est décrite par le facteur d'échelle a(t), qui croît avec le temps. Le taux d'expansion est fixé par le paramètre de Hubble, qui dépend de la densité de matière, de rayonnement et d'énergie sombre. L'analogie avec une machine thermique vient du fait que l'expansion de l'univers peut être vue comme un processus adiabatique, où l'entropie par volume comobile est conservée, et la température du fond diffus cosmologique se refroidit à mesure que l'univers s'étend.
Le modèle d'univers en expansion est essentiel pour interpréter les observations astronomiques, du décalage vers le rouge des galaxies aux statistiques du fond diffus cosmologique, et pour tester les théories de l'énergie sombre et de la gravité modifiée.
L'expansion de l'univers n'est pas seulement une construction théorique ; elle affecte directement la lumière que nous recevons, rendant les supernovae lointaines plus faibles que prévu, ce qui a conduit à la découverte de l'énergie sombre.
