1. Frontières de la science | Et l’inflation fut | L’univers a une préhistoire | Cet espace qui nous chiffonne |Calendrier de l’univers | Un siècle d’avancées scientifiques Les énigmes qu’il reste à élucider Du big-bang à l’éternité George Ellis, professeur de mathématiques appliquées à l’université du Cap (Afrique du Sud), auteur de Before the Beginning (Bowerdean/Marion Boyard, 1993). Un écho du passé de l’univers: cette image satellite montre le fond diffus cosmologique. Un siècle d’avancées scientifiques 1905: Albert Einstein expose la théorie de la relativité. 1912: Ernest Rutherford découvre le noyau de l’atome. 1924: Les équations fondamentales de la mécanique quantique sont établies. 1929: Edwin Hubble révèle que l’univers est en expansion. 1950: L’astronome Fred Hoyle lance, par dérision, l’expression «big-bang». Elle va pourtant s’imposer. 1965: Découverte du fond diffus cosmologique (rayonnement d’ondes millimétriques). 1981: Alan Guth présente la première version de la théorie de l’inflation cosmique. 2000: Première preuve expérimentale du champ de Higgs — la force qui donne une masse aux particules. «Toute la théorie de l’univers s’adresse à un individu particulier: vous-même.» Walt Whitman, poète américain (1819-1862) L’explosion d’étoiles a disséminé dans l’espace des éléments organiques à l’origine du vivant La science ne parviendra jamais à apporter des réponses définitives Qu’est-ce que la cosmologie, comment remonte-t-elle jusqu’aux premiers instants de l’univers et qu’est-ce qui lui permet d’affirmer que le cosmos est en expansion? George Ellis l’explique, même aux non-physiciens. La cosmologie a deux objectifs: déterminer la nature de l’univers aux plus grandes échelles observables et expliquer son histoire. Aussi longtemps qu’elle s’appuyait sur des observations sporadiques, la cosmologie ressemblait à une démarche philosophique. Mais depuis 50 ans, elle connaît une transformation radicale. Elle se fonde aujourd’hui sur un solide corpus de connaissances, et elle a partie liée avec les recherches de pointe en physique nucléaire et en physique des particules. Son outil de prédilection? Le télescope. Combiné aux instruments de mesure et aux ordinateurs, il amplifie et analyse le rayonnement1 presque imperceptible qui nous parvient d’une matière très éloignée. Aujourd’hui, on peut observer la taille apparente, l’intensité du rayonnement, et quantité de galaxies et de quasars à des distances inouïes. En associant ces données à des théories physiques, la cosmologie parvient à établir un «modèle physique standard» qui nous ramène aux premières secondes de l’univers, quand se sont formés les noyaux atomiques. Il paraît même possible aujourd’hui, par une démarche plus spéculative, de remonter au seuil de la création. A l’échelle la plus grande, la structure élémentaire de l’univers visible est désormais bien comprise: ce sont de vastes étendues d’espace vide, occupées de façon à peu près uniforme par des amas de galaxies. Chacune de ces galaxies se compose d’un ensemble dynamique d’environ cent milliards d’étoiles, ainsi que de poussières et de gaz. On connaît aussi le mouvement fondamental du cosmos. Ces amas de galaxies obéissent à une expansion régulière, si bien que la distance qui les sépare augmente dans toutes les directions. Si l’on remonte le cours du temps, on doit alors supposer que la densité et la température de la matière et du rayonnement s’élèvent constamment, jusqu’au moment où, dans des conditions de chaleur extrême, ils sont étroitement couplés. L’expansion commence voici environ 10 milliards d’années. Exposée aux températures extrêmes (plus d’un milliard de degrés centigrades), la matière n’existe que sous la forme des particules les plus élémentaires, en équilibre avec le rayonnement. Les niveaux de chaleur et les bombardements du rayonnement excluent la mise en place de structures complexes. Mais, à mesure que l’univers s’étend et se refroidit, des unités plus grandes et plus complexes se constituent. Dans les toutes premières secondes du cosmos, protons et neutrons se forment à partir des quarks, des unités de matière parmi les plus fondamentales connues à ce jour. Puis, quelques minutes après la naissance de l’univers, protons et neutrons s’associent pour former des noyaux atomiques légers. C’est la nucléosynthèse. 300 000 ans plus tard, au cours d’un épisode baptisé recombinaison, des atomes complets se construisent à partir des noyaux et des électrons. Le rayonnement, piégé jusque-là par les électrons flottants, peut alors se découpler de la matière pour circuler librement pendant des milliards d’années-lumière, en se refroidissant constamment à cause de l’expansion de l’univers. Ce rayonnement, qu’on appelle aussi le fond diffus cosmologique, nous offre la meilleure carte des premiers instants de l’univers. Une fois des atomes complets constitués — essentiellement d’hydrogène et d’hélium —, la force gravitationnelle peut rassembler la matière pour former la première génération d’étoiles qui se groupent en galaxies, lesquelles, à leur tour, se réunissent en amas de galaxies. Certaines étoiles de première génération ont disparu dans de formidables explosions de supernovae, disséminant dans l’espace les éléments de vie organique, qui s’étaient constitués en leur sein à la faveur de réactions nucléaires successives. Ces nuages de poussières ont alors servi de berceau aux étoiles de seconde génération, entourées par les planètes — sur lesquelles les molécules organiques ont pu trouver des milieux hospitaliers pour engendrer les premières cellules vivantes, qui seront à l’origine des êtres vivants complexes (voir aussi p. 26 -27). Trois grandes raisons accréditent cette histoire de l’univers. Premièrement, on peut corréler les distances estimées des galaxies (obtenues, par exemple, grâce à leur luminosité) et la vitesse à laquelle elles s’éloignent (déduites de la mesure de leur décalage vers le rouge2). Ces données montrent que les plus lointaines s’éloignent plus vite: c’est la preuve de l’expansion de l’univers. Deuxièmement, l’existence même du rayonnement du fond diffus cosmologique nous prouve qu’il a existé un état antérieur extrêmement chaud de l’univers: son spectre précis — que décrit avec exactitude une formule théorique déduite par Max Planck, il y a cent ans — montre que la matière et le rayonnement étaient en équilibre aux époques primitives. Et cet équilibre ne peut exister qu’à des températures extrêmement élevées. L’abondance d’éléments légers dans l’univers (hydrogène, hélium et lithium) constitue une troisième preuve. Notre théorie de la constitution des noyaux atomiques dans l’univers primitif incandescent, fondée sur les acquis de la physique nucléaire et l’hypothèse d’un univers en expansion, concorde avec toutes les mesures à la condition que la densité de matière reste dans une fourchette aux limites bien précises. Or, l’observation confirme remarquablement la théorie. Pour ces diverses raisons, la communauté scientifique admet la véracité de cette histoire du cosmos. Il est clair que l’univers a jailli d’une boule de feu initiale, bien que l’éloignement de cet événement et l’immensité de l’espace laissent d’innombrables questions sans réponse. Des observations récentes ont néanmoins permis de préciser de nombreux détails sur la structure et l’histoire du cosmos. Nous avons réussi à évaluer la quantité de matière dans l’univers. A partir de là, on a pu déduire la présence, en grande quantité, d’une mystérieuse «matière sombre», que la lumière ou d’autres rayonnements similaires sont incapables de détecter. En comparant les estimations quantitatives de la matière sombre (environ 95% de la masse de l’univers) à celles que donnent les calculs sur la nucléosynthèse, nous pouvons déduire que cette matière n’est pas constituée, pour l’essentiel, de protons et de neutrons. Bref, elle est entièrement différente de la matière ordinaire. On évalue mieux que jamais la distance de galaxies très éloignées, notamment en observant en leur sein les explosions de supernovae et en mesurant l’affaiblissement de la lumière issue de l’agonie de ces étoiles. Cela a conduit à une découverte inattendue. On pensait que l’expansion de l’univers ralentissait, en raison de l’attraction gravitationnelle. Or, elle semble s’accélérer. Il faut bien attribuer ce phénomène à une forme d’énergie sombre, qui agit, à la différence de la matière sombre, comme un champ gravitationnel négatif, accélérant l’éloignement de toute matière. Il paraît donc établi que l’univers va s’étendre indéfiniment. Les théories de la naissance des galaxies et des amas de galaxies ont également fait l’objet de recherches intensives. En liant les données sur les effets gravitationnels et la répartition des galaxies avec les minuscules fluctuations de température dans le rayonnement du fond diffus cosmologique, nous sommes parvenus à nous représenter l’émergence des grandes structures à partir de petites variations de densité dans l’univers primitif. Reste une grande question: comment expliquer que l’univers soit si homogène (ou uniforme) dans toutes les directions, alors qu’il contient aussi, et très tôt, les petites différences de densité qui seront les semences des futures galaxies? Le remarquable concept d’inflation — période d’expansion extrêmement rapide et s’accélérant dans la toute première fraction de seconde de la vie de l’univers — rend compte des deux caractéristiques. Une expansion aussi prodigieuse a dû d’abord rendre l’espace entièrement lisse, après quoi les fluctuations quantiques3 au sein de cette force primitive ont créé des zones de densités marginalement différentes. Le mouvement expansionniste, dans ses phases d’inflation puis de décélération, a pu alors étendre ces minuscules variations à des régions de la taille des amas de galaxies. Et la force gravitationnelle a ensuite attiré la matière, pendant des milliards d’années, dans les étoiles et les galaxies telles que nous les connaissons. Enfin, les travaux actuels sur les spectres lointains sont très prometteurs. Ils suggèrent que la nature même de la physique pourrait être différente dans les régions éloignées dont nous recevons les rayonnements plusieurs milliards d’années après leur émission. Cela signifie-t-il que les constantes de la nature varient avec le temps? S’il en était ainsi, ce serait une découverte fondamentale. Au cours des prochaines années, les observations cosmiques vont considérablement progresser. On comprendra mieux comment la matière s’est concentrée en galaxies et l’on pourra avancer dans l’exploration de la gravitation. Ces progrès nous aideront à définir le modèle le plus adapté à la zone observable de l’univers. Quand ce modèle sera établi, il restera d’innombrables énigmes à résoudre. Comment lier ce que nous comprenons de la gravitation quantique4 à la théorie cosmologique — notamment à la naissance de l’univers? Et si les lois de la nature n’étaient pas les mêmes dans l’univers primitif? La vie est-elle répandue dans le cosmos? Est-il possible de créer un univers autorisant la vie intelligente? C’est à partir de ces acquis que se poursuivra le questionnement philosophique. La science ne parviendra jamais à apporter des réponses définitives, mais elle peut continuer à affiner le cadre de représentation dans lequel nous continuerons à nous interroger. 1. Le rayonnement est le flux d’énergie porté par des particules subatomiques. Ce terme englobe les ondes radio, les micro-ondes, les rayons infrarouges, la lumière visible, les rayons X et les rayons gamma. 2. Lorsque sa source s’éloigne, la lumière se déplace vers l’extrémité rouge du spectre visible. On appelle ce phénomène le «décalage vers le rouge». 3. Suivant la mécanique quantique — science de l’énergie et des particules au niveau subatomique —, les ondes d’énergie fluctuent de façon aléatoire. 4. La gravitation quantique est la théorie, encore hypothétique, du fonctionnement de la gravitation au niveau quantique. On estime qu’elle était à l’œuvre à l’instant de la création de l’univers. Les énigmes qu’il reste à élucider Quels grands problèmes reste-t-il à résoudre? En premier lieu, nous voulons en savoir plus sur la géométrie de l’univers, à l’intérieur comme à l’extérieur de la zone observable. Cette région paraît remarquablement simple aux grandes échelles, puisqu’elle est homogène et isotrope (de même apparence dans toutes les directions). Mais ses grands paramètres ne sont connus qu’approximativement. Une marge d’incertitude d’environ 20% pèse sur notre estimation de l’âge de l’univers. Il faut l’améliorer, tout comme il est nécessaire d’améliorer notre connaissance de l’énergie «sombre» qui provoque l’expansion accélérée de l’univers. De même, la question se pose de savoir si des sections de l’espace se referment sur elles-mêmes et si, dans ce cas, l’échelle de fermeture est telle que nous vivons dans un «petit univers», où nous percevons de multiples reflets des mêmes galaxies (voir p. 24-25). Deuxièmement, nous voulons savoir de quoi l’univers est fait: nous ignorons quel type de matière sous-tend la quasi-totalité de sa densité et de quelle nature est la force qui provoque son expansion. Le lien est étroit entre les progrès de nos connaissances sur ces points et sur la création des grandes structures. Troisièmement, nous souhaitons mieux comprendre les premiers instants de l’univers. Qu’est-ce qui a déclenché la puissante inflation cosmique? Qu’est-ce qui l’a précédée? Quelle a été la nature de la création, et peut-on envisager d’autres hypothèses que la création? Toute une série de thèses rivales existent, mais les vérification expérimentales sont très difficiles. On progressera dans ce domaine si l’on approfondit nos connaissances de la physique des particules, afin de vérifier les interactions en jeu à l’instant de la création et immédiatement après. Mais nous ne pourrons jamais atteindre les niveaux d’énergie requis pour percer, expérimentalement, les secrets de la gravitation quantique. Tout n’est donc pas «vérifiable» dans les lois qui sous-tendent l’analyse cosmologique de la création. L’objectif consiste à élaborer une théorie physique cohérente et convaincante, que confirment les expériences tant qu’elles sont réalisables. Une dernière question se pose: comment relier théorie et observation dans le contexte exceptionnel d’une science qui n’a qu’un seul objet d’étude: l’univers existant? Nous n’avons aucune analyse des limites de la preuve scientifique dans ce cas. L’hypothèse d’un «ensemble d’univers» (un «multivers») a été proposée pour franchir cet obstacle. Il reste à voir si elle est physique ou métaphysique.