L’Univers
La naissance de l'Univers
En l’état actuel des connaissances scientifiques en
astrophysique, on estime que l’Univers «est né» il y a presque 14 milliards
d’années (13,7 milliards d’années ± 2%). La théorie acceptée
aujourd’hui par la plupart des astrophysiciens est celle du «Big Bang»,
selon laquelle l’Univers est en expansion depuis une gigantesque «explosion
initiale».
Cette théorie résulte des découvertes de l’astronome
américain Hubble, qui a tiré parti de la mise en service de grands télescopes
dans les années 1920 en Californie. Elle se fonde aussi sur les travaux
d’Einstein, qui énonça en 1917 la théorie de la relativité générale. Grâce aux
observations rendues possibles par les grands télescopes dont il disposait,
Hubble découvrit que les galaxies se déplacent dans l’espace et s’éloignent les
unes des autres. A la suite de cette découverte, il remarqua aussi que plus les
galaxies sont distantes les unes des autres, plus la vitesse à laquelle elles
s’éloignent est élevée.
Les découvertes de Hubble ont complètement bouleversé la
conception que l’on se faisait de l’Univers, qui, au début du XXe
siècle encore, était celle énoncée par Aristote il y a 2500 ans, selon laquelle
l’Univers est immuable : «L’Univers est toujours le même, dans le passé
comme dans l’avenir». Avec ses mesures, Hubble constate que l’Univers est en
permanence en train de changer.
Au début des années 1930, un chanoine astronome belge,
Georges Lemaître, fait le lien entre les travaux de Hubble et la théorie de la
relativité générale d’Einstein : il propose l’idée d’un «atome primitif»,
extrêmement dense et chaud, à partir duquel l’Univers se serait développé en se
refroidissant et en se diluant progressivement. Mais cette hypothèse ne
recueille guère d’appui dans la communauté scientifique de l’époque, qui peine
à admettre le phénomène d’une explosion initiale.
En 1948, le physicien d’origine russe George Gamow publie
avec un de ses étudiants (Ralph Alpher) un article qui aura une importance
capitale : il est consacré à la formation des éléments au cours des
premières phases de l'expansion de l'Univers. Gamow et Alpher décrivent
l'univers d'origine comme une «soupe dense de neutrons et de protons» et sont
les premiers à démontrer que les quantités actuelles de l'hydrogène et l'hélium
dans l'univers peuvent être expliquées par les réactions nucléaires qui ont eu
lieu durant le Big Bang. Gamow a également une intuition géniale : partant
du principe que plus une substance est chaude, plus elle émet de lumière et
donc plus elle est brillante, il affirme que dans le passé, l’Univers devait
être «plus brillant». Plus on recule dans le temps, plus la matière du cosmos
doit être chaude et lumineuse. «Si on remonte suffisamment loin, on doit
arriver à un moment où la quantité de lumière est prodigieuse, un flash
superéblouissant. Tout l’Univers est lumière» (H. Reeves). Si cette «lumière
initiale» n’a pas complètement disparu du cosmos avec le refroidissement
progressif de l’Univers, alors il devrait en rester une trace encore observable
de nos jours, sous la forme d’ondes radio.
Cette «trace» sera découverte, un peu par hasard, en 1965.
Deux ingénieurs travaillant avec des radio-télescopes pour suivre le mouvement
des satellites captent, de manière inattendue, un rayonnement provenant de
toutes les directions de l’Univers. A. A. Penzias et R. W. Wilson, les auteurs
de cette découverte capitale pour prouver l’existence du Big Bang, montrent que
ce rayonnement correspondait à celui d’une sorte de «corps noir» à – 270,5°C.
Cette température est à 2,7°C du zéro absolu, qui est la température courante
de l’espace cosmique. Ce rayonnement fossile à 3K représente les derniers
«reflets» du Big Bang.
Le mécanisme du Big Bang est difficile à imaginer. L’idée
d’explosion, la comparaison la plus couramment utilisée, conduit à penser que
tout est parti d’un seul endroit, d’un seul point. Mais, comme l’indique Hubert
Reeves, cette comparaison «est à prendre avec beaucoup de réserves. Elle
implique l’existence de deux espaces différents. Un premier espace rempli de
matières explosives [..] où va se produire la détonation. Et tout autour de ce
premier espace, un second grand espace vide où la matière éjectée va se
répandre. Tout cela décrit bien les explosions terrestres […], mais ne
s’applique pas du tout à l’Univers. La différence c’est que l’Univers est un
seul espace ! Aujourd’hui, il est rempli de galaxies qui s’éloignent les
unes des autres. Au début, c’était un magma incandescent en expansion partout à
la fois.»
(H. Reeves, L’Univers expliqué à mes petits-enfants, éd. Seuil, 2011, p. 60)
Malgré les explications et le talent d’écrivain du grand
astrophysicien qu’est Hubert Reeves, il reste très difficile pour un
non-spécialiste de co le mécanisme du Big Bang. En plus, les
connaissances scientifiques actuelles permettent de «remonter» jusqu’à quelques
dizaines de secondes après le «moment zéro», mais pas jusqu’à ce moment
lui-même. Tout ce que l'on peut en savoir, c'est que l’Univers était extrêmement chaud et extrêmement dense.
Les atomes d’hydrogène et d’hélium présents dans l’Univers
«nous ramènent à une période où l’Univers était âgé d’une minute. Sa
température était alors d’un milliard de degrés. Comme dans le Soleil
aujourd’hui, des réactions nucléaires ont eu lieu dans tout l’espace cosmique.
Elles ont transformé une partie de l’hydrogène initial en hélium. La théorie du
Big Bang prévoit que seulement 10% de l’hydrogène s’est tranformé en hélium et
90% est resté intact. Ces atomes d’hydrogène et d’hélium, on les retrouve
aujourd’hui dans les étoiles et les nébuleuses. Leurs quantités respectives
sont bien celles que prévoit la théorie. Ces atomes, reliquats du Big Bang,
sont des fossiles du passé tout comme le rayonnement fossile. Ils sont les
vestiges du grand brasier primordial. Cet accord entre les observations et les
prévisions de la théorie du Big Bang est une bonne raison de la prendre au
sérieux. […] [Mais] il y a encore place pour beaucoup d’observations et de
théories. La prudence est toujours de mise. Ce doit être une constance chez
tout scientifique.»
(H. Reeves, L’Univers expliqué à mes petits-enfants, éd. Seuil, 2011, pp. 54-55)
Les mystères de l'Univers
L’Univers réserve encore beaucoup de travail aux
astrophysiciens pour progresser dans la connaissance de ses mécanismes et même
de ce qui le compose. Par exemple, on sait aujourd’hui que la matière visible
(celle qui émet des photons, donc de la lumière) ne représente que 4 à 5% de
l’ensemble de la matière du cosmos. Tout le reste est encore très mystérieux.
L’un des constituants de l’Univers est appelé «matière sombre» et représente
environ 24% de toute la matière de l’Univers. Son existence est déduits de
l’observation de la vitesse des étoiles de notre galaxie : comme les
planètes tournent autour du Soleil, les étoiles tournent autour du noyau de la
galaxie. Si on connaît la vitesse d’une étoile, on peut évaluer la masse des
étoiles et des nébuleuses qui sont situées entre elle et le centre de la
galaxie. Or, on a constaté que cette masse était bien trop faible pour retenir
les étoiles dans la galaxie. Cela implique qu’il y a de la matière invisible
dans la galaxie, et que sa masse est considérable : selon les calculs les
plus récents, elle serait environ six fois plus importante que la masse de
toutes les étoiles et nébuleuses de la Voie Lactée. En étendant le calcul à
l’Univers, on estime donc que cette matière invisible, la «matière sombre»
(appelée aussi «masse manquante»), constitue environ 24% de l’Univers.
Quant au reste, il est encore plus mystérieux. 72% de
l’Univers serait constitué de ce que les scienfifiques appellent aujourd’hui
l’«énergie sombre». Cette idée résulte de découvertes récentes (années 1990),
lorsque les astrophysiciens ont constaté que les galaxies s’éloignaient plus
vite les unes des autres que ce que prévoyait la théorie. Ils pensent que ce
mouvement «trop rapide» est dû à une substance invisible, qui exerce un effet
de répulsion sur tous les autres constituants de l’Univers et contribue ainsi à
accélérer le mouvement des galaxies.
Pour l’instant, on n’a aucune idée de la nature réelle de
cette «énergie sombre». De même, la «matière sombre» n’est encore qu’une
construction théorique. Et comme bien d’autres phénomènes actuels ou passés de
l’Univers (par exemple les tout premiers instants du Big Bang, l’antimatière,
les exoplanètes, la vie ailleurs que sur la Terre…), la matière sombre et
l’énergie sombre ouvrent d’immenses possibilités de recherche.
Cette page de mon site consacrée à l’Univers a été rédigée
sur la base d’informations tirées de deux livres de Hubert Reeves :
Chroniques des atomes et des galaxies (éd. du Seuil, coll. Points, 2007), et L’Univers
expliqué à mes petits-enfants (éd. du
Seuil, 2011).
