Le big-bang

Les radiotélescopes installés dans les observatoires reçoivent les ondes qui nous parviennent de sources à plusieurs milliards d'années-lumière de distance de la Terre. Leur déchiffrage permet donc d'avoir connaissance d'événements qui ont eu lieu  il y a plusieurs milliards d'années dans le passé, car ces ondes n'arrivent pas  instantanément mais à la vitesse limite de 300 000 km à la seconde. Cette réception d'images du passé  nous ramène ainsi à la naissance de l'Univers. Son histoire a  été retracée grâce aux connaissances acquises sur la structure de l'atome, aux expériences réalisées avec les accélérateurs de particules qui peuvent leur fournir des énergies proches des conditions  de l'Univers primitif, à l'étude des informations transmises par les radiosources. Et ausi, grâceà la réflexion de génies scientifiques, physiciens et astronomes, qui ont  permis l'exploit d'appréhender  la reconstitution de cette vaste fresque dans une théorie, le big-bang

La formation de l'Univers vue par  les scientifiques

 En 1931, l'abbé mathématicien Georges Lemaître avait eu l'idée de réunir les équations d'Einstein et les observations de l'astronome Hubble. Celui-ci avait remarqué que les galaxies s'éloignaient les unes des autres à une vitesse d'autant plus élevée qu'elles sont lointaines.  Cette étude de Georges Lemaître aboutit déjà à l'idée d'un atome primitif  qui aurait explosé pour former  l'Univers.

 Le physicien George Gamow explique, en 1948  comment, à partir de cette explosion de l'atome primordial,   on peut déduire l'apparition de l'Univers entier. Au cours d'une émission de radio, le britannique Fred Hoyle, partisan d'un Univers statique, baptise  "big-bang" l'hypothèse de Gamow, dans l'espoir de la ridiculiser. Plusieurs observations venant par la suite la confirmer, cette théorie  est aujourd'hui acceptée par la grande majorité des scientifiques et le mot "big-bang" lui reste attaché.

 Dans les accélérateurs, on ne peut atteindre l'énergie colossale qui régnait tout au début de l'Univers mais il est possible, pendant des fractions de seconde extrêmement brèves, de l'ordre du milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de  seconde,  d'observer le résultat des collisions et de comprendre les interactions entre particules comme elles ont eu lieu au cours de ces premiers instants. Les simulations numériques réalisées par ordinateur se substituent à l'expérience pour les conditions extrêmes.

 A l'origine, il n'aurait existé qu'un point ultra chaud (quelques dizaines de milliards de milliards de degrés) où se trouvait condensée une énergie colossale. Pendant une brève période d'indétermination, d'une durée de un cent millionième de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde. le temps, l'espace et toutes les grandeurs physiques actuelles sont indifférenciées. Tout est inextricablement mêlé. Il n'existe qu'une Force : la Force Fondamentale.  Peut-être y avait-il également de minuscules trous noirs, points où la densité est si énorme que la lumière même ne peut s'en échapper. On observerait aujourd'hui des trous noirs dans la constellation du Cygne et au centre de plusieurs galaxies. Leur étude laisse entrevoir aux physiciens des mondes où les lois de la physique, les notions de temps et d'espace sont très différents des nôtres.

 Si l'on pouvait reproduire les conditions de température et de densité de l'atome primordial, les quatre forces qui forment actuellement le ciment de l'Univers -la force électromagnétique, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la gravité- pourraient se retrouver confondues comme à l'origine. Cette union a été obtenue pour les forces électromagnétiques et nucléaires faibles en 1967. On est sur le point d'y joindre la force nucléaire forte mais la gravité résiste à toute proposition d'union. Si c'était possible, cela signifierait que les principes de la mécanique quantique lui seraient applicables. Cette difficulté a été signalée au début du siècle par le physicien allemand Max Planck. C'est pourquoi ce temps est appelé "l'ère de Planck". Einstein a travaillé sur ce problème durant les trente dernières années de sa vie sans réussir à le résoudre.         

 Tant que cette énigme ne sera pas éclaircie, il sera impossible de remonter plus loin que le temps de Planck pris actuellement comme origine chronologique de l'histoire de l'Univers.

 Brutalement, l'atome primordial explose. Son expansion provoque la diminution progressive de sa densité et de sa température. En se refroidissant, il perd aussi sa simplicité.  C'est le début d'une ascension vers la complexité. Le couple espace-temps se forme. Ce couple est profondément lié comme l'explique la théorie de la Relativité : quand l'espace augmente en dimensions, le temps s'écoule plus rapidement. La Force primordiale se scinde en deux et donne naissance à la force électronucléaire et à la force gravitationnelle. Les physiciens supposent que des "défauts" de structure  auraient fait apparaître des objets exotiques, disparus à notre époque. Ceux-ci pourraient avoir donné naissance à la matière qui manquerait aujourd'hui à notre Univers et  appelée la matière noire. 

 Le refroidissement consécutif à l'expansion a  libéré l'énorme énergie du vide. Celle-ci provoque une expansion fulgurante que le physicien Alan Guth, auteur de cette hypothèse en 1980, a qualifiée d'inflationnaire. En un temps infinitésimal, l'accroissement vertigineux se propage partout à la fois à une vitesse supérieure à celle de la lumière. L'Univers se dilatant se refroidit davantage. Avec la gravité   omniprésente depuis le temps de Planck, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible, la force électromagnétique se manifestent. L'Univers  devient une soupe  formée de quarks, les plus petites particules connues, d'électrons, de  neutrinos et de photons. Avec les particules se forment également les antiparticules de masse égale aux particules mais de charges électromagnétiques opposées. Les photons, quant à eux, sans masse, n'ont pas d'antiparticules. Les quarks s'associent pour former les protons et les neutrons mais les photons, très énergétiques leur interdisent encore toute liaison durable.

 La température étant encore très élevée, particules et antiparticules se rencontrent mais s'annihilent dès leur formation pour devenir des photons de lumière qui disparaissent à leur tour pour redonner naissance à des couples particules-antiparticules. Mais pour 1 milliard de particules d'antimatière, il y a un milliard et une particules de matière. Ce léger excédent donnera naissance à notre Univers.

 Trois minutes après le temps de Planck, la température étant suffisamment basse, les particules, légèrement supérieures en nombre aux antiparticules se regroupent pour former les premiers noyaux atomiques les plus simples : l'hydrogène, l'élément le plus abondant de l'Univers (1 proton), le deutérium (1 proton et 1 neutron), l'hélium (2 protons et 2 neutrons).

 10 000 ans après le big-bang, les électrons restés jusque-là libres s'associent aux noyaux pour former les premiers édifices électriquement neutres, les atomes. Parmi eux l'hydrogène, élément le plus abondant de notre Univers. Les photons n'ont plus assez d'énergie pour  briser les atomes formés. La lumière se propage librement. L'Univers devient transparent.

 A ce stade, l'Univers est âgé de trois cent mille ans. Les atomes d'hélium n'ont plus l'énergie suffisante pour former des atomes plus complexes. L'évolution semble devoir s'arrêter et l'Univers s'être engagé dans une impasse.

 La gravité va permettre de poursuivre l'ascension vers la complexité.

 La gravité est une force très faible qui a peu d'importance à l'échelle atomique. Elle ne se fait sentir qu'à l'échelle astronomique où les masses visibles et invisibles sont considérables. Dans la soupe primitive d'atomes simples et de particules existaient des irrégularités de densités. La gravité va les amplifier, freinant des atomes qui fuyaient, entraînés par le mouvement d'expansion. Piégés, ces atomes s'effondrent  sur eux-mêmes et donnent naissance aux étoiles.

 Dans l'Univers âgé d'un milliard d'années il y a des milliards d'étoiles qui forment de vastes agglomérations, les galaxies, groupées en amas et en superamas. La formation de ces galaxies  demeure cependant  un mystère que les dernières découvertes astronomiques n'ont pas dissipé. Après quelques milliards d'années d'existence, les étoiles perdent leur énergie. Leurs éléments légers s'effondrent sur eux-mêmes et forment des éléments lourds qui se trouvent projetés dans l'espace. Ces éléments lourds ne constituent que 1% des atomes de tout l'Univers. La gravitation les rassemble. Ainsi se forment les planètes et  parmi ces planètes, la Terre où la vie, sous la forme que nous lui connaissons, apparaîtra. Toutes les molécules de notre corps sont constituées d'atomes d'hydrogène formés à l'origine de la création et d'éléments lourds, poussières d'étoiles qui ont explosé. Mais dans notre corps, comme dans l'Univers entier, ces éléments lourds sont en très faible proportion. L'hydrogène représente 99,9% de l'ensemble des éléments existants

A-t-on des preuves qui confirment cette théorie ?

 Le big-bang est la théorie de la création de l'Univers que les astrophysiciens, dans leur majorité, admettent aujourd'hui comme modèle standard. Mais cette théorie est-elle fondée sur des preuves ?  Il existe des indices majeurs qui  permettent de la confirmer.

 Le premier est l'âge des étoiles. Les mesures portant sur les plus anciennes d'entre elles indiquent un âge de 12 à 15 milliards d'années, ce qui est cohérent avec la durée de l'Univers calculé par la théorie du big- bang.

 En 1924,  l'astronome américain Edwin Hubble démontre que notre galaxie n'est pas unique et qu'il y en a beaucoup d'autres, des centaines de milliards, avec de grandes zones de vide entre elles. Quatre ans après, il découvre, en analysant la lumière qu'elles émettent, que ces objets galactiques  s'éloignent  les uns des autres à une vitesse  d'autant plus élevée qu'ils sont lointains. Ceci suggère que l'Univers est en expansion et que les galaxies étaient autrefois rassemblées dans une région unique de l'espace, au sein d'un nuage primordial vieux de 15 milliards d'années. Cette observation est un  second argument en faveur de la théorie du big -bang.

 En 1965, une observation  apporte un troisième argument. Deux astronomes Arno Penzias et Robert Wilson détectent par hasard un rayonnement cosmique très peu intense, venant des étoiles, analogue à celui d'un corps à très basse température, 3 degrés au-dessus du zéro absolu  ( 273 degrés au-dessous de zéro centigrade). Pour les scientifiques, ce rayonnement n'est autre qu'une sorte de fossile des torrents de chaleur et de lumière des premiers instants de l'univers.

 Le satellite COBE de la NASA, lancé le 18 novembre 1989, a enregistré ce bruit de fond cosmique. Il aurait dû cependant enregistrer des variations de la distribution de ce rayonnement qui auraient expliqué les perturbations, origine de la gigantesque fresque d'amas galactiques de l'Univers dont nous avons un aperçu en regardant le ciel étoilé.  Au début des observations, il n'en était rien. L'Univers primordial semblait lisse.  Ne pas pouvoir expliquer comment il a pu passer d'un état à l'autre apportait quelque espoir aux opposants de la théorie du big-bang. Mais de nouvelles observations ont fait ensuite apparaître de légères différences de densité de la matière. Ces variations permettraient d'expliquer la matérialisation des étoiles et des galaxies. La théorie redevenait plausible.

Autres hypothèses

 Le big-bang n'explique pas cependant  tous les problèmes posés par l'observation. La contradiction essentielle porte sur l'âge de l'Univers. Des observations ont établi que des amas d'étoiles étaient âgés de 12, 17 voire 20 milliards d'années. Or l'âge de l'Univers, calculé sur la base de  la fuite des galaxies, oscille entre deux milliards et 14 milliards d'années. Ces chiffres soulèvent un paradoxe : un  Univers ne peut  avoir donné naissance à des amas globulaires plus âgés que lui. Pour échapper à cette contradiction, quelques astrophysiciens avancent  d'autres théories plus complexes.

 Pour Alfen, physicien suédois et prix Nobel de physique en 1970, le paysage du cosmos, à l'origine, était constitué d'un vaste nuage gazeux de matière et d'antimatière. Ce nuage était animé d'un lent mouvement de contraction jusqu'à ce que particules et antiparticules finissent par se rencontrer. Leur brutale annihilation dégagea une énergie suffisante pour inverser son mouvement  et provoquer son expansion. Cet événement se serait produit il y a environ dix milliards d'années dans un Univers qui n'avait que le dixième de sa taille actuelle. Au laboratoire de Los Alamos, des expériences ont montré en effet que deux nuages de plasma entrant en collision forment des spirales rappelant, en miniature, celles des galaxies semblables à la nôtre. Cette théorie permet aussi d'expliquer leur rotation  et le mystère de la masse manquante.

 D'autres théories ont été proposées. Certaines sont  parfois meilleures que le big-bang sur un point particulier. Mais elles doivent admettre la totalité des faits observés. Il faudrait qu'un jour toutes les valeurs des paramètres paraissent incompatibles pour que cette théorie soit rejetée. Pour la majorité des scientifiques, la cause est entendue. Personne ne nie plus l'expansion de l'Univers. Il y a eu big-bang parce que c'est la seule théorie qui cadre actuellement avec les faits observés depuis un siècle.

Big-bang et création

 L'évolution de l'Univers dépend de quelques nombres appelés "Constantes fondamentales de l'Univers"  Combien en faut-il  pour le décrire ? Les connaissances actuelles disent qu'il en faut un peu plus d'une dizaine. Parmi elles, la force gravitationnelle, les forces nucléaires forte et faible, la vitesse de la lumière, le nombre h, appelé constante de Planck qui dicte la taille des atomes, les masses des particules élémentaires, la charge de l'électron. Ces nombres n'ont pas varié dans le temps. Ils sont partout dans l'espace rigoureusement identiques. Ils font que l'Univers est tel qu'il est. A l'aide de puissants ordinateurs, des physiciens ont créé des univers fictifs en modifiant les conditions initiales et les constantes d'une valeur décimale infiniment petite. Leur conclusion est que la vie n'avait aucune chance de surgir dans des univers légèrement différents du nôtre. Son existence dépend d'un équilibre très précaire et d'un concours de circonstances extraordinaires. Modifier un tant soit peu les paramètres numériques ou les conditions initiales et l'Univers serait complètement différent et nous n'existerions plus. Les conditions initiales sont si particulières que dans son livre la Mélodie secrète, l'astrophysicien Trinh Xuan Thuan compare la précision de ce réglage "à l'habileté d'un archer qui réussirait à planter sa flèche au milieu d'une cible carrée de 1 centimètre de côté, éloignée de 15 milliards d'années-lumière, la taille de l'Univers." L'Univers, infiniment improbable est réel. Ces constatations  conduisent Hubert Reeves à énoncer le principe suivant :

L'Univers possède depuis les temps les plus reculés accessibles à notre exploration les propriétés requises pour amener la matière à gravir les échelons de la complexité. 

 Mais cette constatation, dit son auteur, ne veut pas être une explication.

 L'évolution de notre Univers semble avoir été soigneusement réglée pour mener jusqu'à nous. Les recherches et les connaissances actuelles  ne permettent pas cependant d'expliquer la Création de l'Univers, au sens propre du terme. Il faudrait pour cela comprendre comment celui-ci s'est formé à partir de Rien, c'est-à-dire à partir du Vide absolu. L'atome originel, par quoi l'hypothèse de l'évolution commence dans la théorie du big-bang, n'est qu'un objet mathématique inaccessible à la physique appelé une singularité, point où certaines quantités deviennent infinies. Les astrophysiciens supposent condensée dans ce point une densité d'énergie colossale.

 L'énergie est un concept de base de la physique. Elle se manifeste aujourd'hui sous sept formes principales : énergie mécanique, thermique, hydraulique, électrique, chimique, rayonnante et nucléaire. Il peut y avoir, dans l'Univers actuel,  transformation d'une forme en une autre,  transfert d'un système à un autre ou, en physique des hautes énergies. transformation réciproque d'énergie en matière. A l'origine, l'Energie de l'atome primitif était indifférenciée. C'était, en potentialité, tout le devenir des transferts et des transformations qui aboutiront à la formation de la matière, de l'Univers et du vivant.

 Le vide de l'atome primitif, riche de cette Energie, est un vide vivant, peuplé d'une multitude de particules et d'antiparticules qui ne sont que virtuelles : la température est si élevée qu'elles apparaissent en empruntant de l'énergie au vide et disparaissent aussitôt en la restituant. Le vide de l'atome originel n'est donc pas le Vide absolu. C'est le vide quantique des astrophysiciens, un vide si plein qu'on l'a qualifié de "faux vide".

Le devenir de l'Univers

 L'Univers est né d'une expansion fulgurante. Les particules fondamentales se sont d'abord formées, puis les atomes, les molécules. La gravité, très faible lorsqu'elle agissait sur ces éléments, a accru progressivement sa force en les assemblant.  Etoiles, planètes, galaxies, groupes de galaxies, amas de galaxie, l'Univers entier est soumis à cette force et son évolution est déterminée par la lutte entre celle-ci et la force résultant de l'explosion initiale responsable de son expansion.

 Si la densité totale de l'Univers est inférieure à une certaine valeur, les tendances à la dispersion, libérées par le big-bang sont plus grandes que les forces attractives entre les masses. L'Univers ouvert continuera à s'étendre indéfiniment. Les étoiles s'éteindront. La matière se métamorphosera en boules de fer car le noyau de fer, avec ses 26 protons et ses 30 neutrons, est le plus stable qui soit. Puis tout s'effondrera en trous noirs qui s'évaporeront en lumière. Tout cela dans diverses étapes complexes et si lentes qu'elles se dérouleront pendant une durée inimaginable.

 Si la densité est suffisante, l'expansion peut ralentir, puis cesser et l'Univers fermé  se contractera sur lui-même pour aboutir à un phénomène inverse du big-bang, le bing-crunch. Que se passera-t-il ensuite ? Peut-être un autre univers pourra-t-il renaître avec de nouvelles lois physiques ? Nul ne le sait. Mais que l'Univers soit ouvert ou fermé, pour les terrestres, l'avenir sera identique. Leur planète sera dévorée par le soleil devenu une géante rouge avant de se transformer en cadavre stellaire perdu dans l'immensité cosmique.

 Alors, à quoi bon s'interroger sur l'avenir de l'Univers ?

Une première raison est que la curiosité de l'intelligence humaine est sans limites. L'homme veut savoir. Une deuxième raison est que la connaissance de  la fin de l'Univers pourrait aider à comprendre sa naissance. Cette recherche aboutit pour l'instant à un fait intrigant. Pour connaître la résultante des forces d'expansion et de gravité, il faut connaître la masse de l'Univers. Les mouvements des corps galactiques permettent aux astronomes de la calculer : celle au  voisinage de notre Soleil,  celle de la Voie lactée, notre galaxie, celle du Groupe local, ensemble de galaxies auxquelles appartiennent la Voie lactée et Andromède, celle du superamas de galaxies, ensemble de dizaines de milliers de galaxies assemblées en groupes et en amas. Conclusion surprenante : une matière invisible, baptisée matière noire,  omniprésente, représente 90% de la masse totale de l'Univers. Cette masse manquante pourrait être logée dans des objets cosmiques massifs et obscurs comme les trous noirs, d'immenses nuages d'hydrogène moléculaire, indécelables par nos instruments actuels ou, autre piste, des objets physiques de l'infiniment petit formulés dans de récentes hypothèses comme les cordes, les monopôles, les gravitons et les neutrinos. Ces dernières particules sont neutres, interagissent très rarement avec la matière et leur masse est extrêmement faible mais,  par leur nombre, elles forment la deuxième population de l'Univers derrière les photons. La valeur de cette masse permettrait peut-être de connaître l'évolution de l'Univers.

 Les dernières observations montrent que l'expansion se fait à un rythme accéléré depuis 4 milliards d'années, avec un fait surprenant : actuellement l'action répulsive de l'énergie du vide a une grandeur du même ordre que celle de la force attractive (Le Monde, 7 avril 2001).

D'autres modèles d'univers

 En 1927, Niels Bohr avait suggéré que l'idée d'un monde unique, celui que nous connaissons, est peut-être fausse. A côté de notre réalité existeraient des mondes infinis qui ne différeraient que par une matérialisation différente de particules-ondes qui n'offrent que des probabilités d'existence. Inutile d'imaginer que ces mondes sont infiniment éloignés. Ils seraient en nous, ce qui nous semble visible, palpable, n'étant que le vide où se manifestent des forces. Mais ces mondes différents sont déconnectés les uns des autres. Aucune communication n'est possible entre eux.

 Le britannique Hoyle, l'un des pionniers de l'astrophysique nucléaire,  avance un autre modèle où le monde serait éternel et sans cesse en train de se créer. Il y aurait une infinité de mini big-bang créateurs ponctuels de matière et responsables de l'expansion localisée de l'espace. Lorsqu'une étoile s'effondre à la fin de sa vie, au moment de se transformer en trou noir elle explose et éjecte dans l'espace de gigantesques quantités de matière. Ces épisodes locaux s'échelonneraient  sur des intervalles de temps de plusieurs milliards d'années. Toutes les régions de l'Univers n'auraient pas forcément le même âge. Ce modèle expliquerait également le comportement étrange de certains quasars, objets les plus éloignés et les plus lumineux de l'Univers.

Pour d'autres chercheurs, l'évaluation de l'énergie totale de l'Univers devrait aboutir à une valeur nulle, la valeur positive de l'énergie de la matière et du rayonnement étant compensée par la valeur négative de l'énergie de la gravité. Pour ces scientifiques, dans un passé extrêmement reculé, l'Univers pouvait être simple, statique, et ne contenir ni matière ni rayonnement. La complexité qui se développa ensuite  peut s'expliquer  par des processus purement physiques. Des états de transition quantique  ont pu être franchis  pour parvenir de l'Univers presque vide à l'Univers actuel. Et si l'on admet que le vide, par fluctuations, a pu produire une fois un univers comme le nôtre, on peut supposer que cela a pu se produire plusieurs fois.

 Pour George Ellis, de l'Université du Cap, en Afrique du Sud, notre Univers ne serait qu'une petite bulle perdue dans un méta-univers beaucoup plus grand. Celui-ci pourrait côtoyer d'autres bulles du même type. Dans ce vaste ensemble, nous occuperions une place privilégiée. Au début des années 1980. le cosmologue russe Andreï Linde avança l'hypothèse que le modèle de Ellis est censé se poursuivre indéfiniment. Des mini-univers  naîtraient et disparaîtraient constamment. La création serait perpétuelle.

 Dans les divers modèles d'univers multiples, tous ont des lois différentes. Leur existence ne pourra donc jamais être vérifiée car ils échappent à nos observations. Si l'on accepte cette théorie, l'extrême précision des paramètres et des conditions initiales qui ont abouti au nôtre n'est plus surprenante. Il y a eu de nombreux univers où les conditions nécessaires pour aboutir à la vie n'étaient pas satisfaisantes. 

C'est parce que notre Univers avait à ses débuts des paramètres "fertiles", appropriés, que les particules ont pu se former et la complexification conduire ces particules  à former la matière, les étoiles, les planètes et parmi elles, la Terre, à donner sur celle-ci naissance à la Vie, à l'Homme et à la conscience.

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