Un univers en expansion : les nouvelles théories

Une théorie principale :La théorie du big bang

La théorie du big bang considère que l’univers est le résultat d’une expansion de l’espace-temps. Big Bang ! Ce mot très évocateur a été employé la première fois par un détracteur de la théorie. On l'associe généralement à une explosion qui aurait engendré l'univers actuel. En fait c'est une idée fausse, il est plus juste de parler d'expansion de l'univers. Ce "Big Bang" est actuellement la limite au delà de laquelle les scientifiques ne peuvent plus (et ne pourront peut être jamais) observer, ou du moins estimer, l'état de l'univers. On ne connaît donc pas la cause de ce Big Bang ni son pourquoi. Cependant la théorie permet de connaître l’histoire de l’univers

Selon cette théorie, l’Univers naquit il y a quelques quinze milliards d’années, à la date t=0, lors du BIG BANG. Sur ce qui s’est ensuite passé jusqu’à la date t=10-43 s, les physiciens n'ont pas de réponse… !

En l'état actuel des choses, la mécanique quantique, nous empêche de remonter à mieux que 10-43 s environ après le big bang.

En effet, cette fraction de temps, dite de Planck, correspond à la transformation de toute la masse de l'Univers en énergie. A cette date ce qui deviendra notre Univers est tout entier confiné dans une sphère de 10-35 m de diamètre ( dix millions de milliards de milliards de milliards de fois plus petit qu’un atome d’hydrogène !) de température 1036 K et de constitution actuellement inconnue. C'est a dire, que toute la masse actuelle de l'Univers était, avant cet infime durée, sous forme d'énergie pure dans une boule de diamètre 10-33 cm ! Ce qui représente une densité infinie !

L’univers subit alors une expansion fulgurante et surgissent les quarks, les électrons, les neutrinos et leurs antiparticules, puis les photons…

A cet instant, on pense que les quatre interactions fondamentales de la physique (gravitationnelle, électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible) étaient unifiées. Après qu'elles se soient singularisées, l'expansion de l'Univers s'est accélérée.

On peut alors distinguer 4 étapes selon les particules qui se forment :

· L'ère hadronique (durée : 10-4 secondes)

A 10-35 s, la force de gravité apparaît et l’univers est aussi grand qu’une balle de tennis. Il grossit des milliards et des milliards de fois plus vite que la vitesse de la lumière.

A 10-32 s, l’inflation cosmique cesse. Les quarks et les antiquarks se divisent , s’annihilent et crées de nouvelles paires. Il y a légèrement plus de matière que d’antimatière.

L'univers se refroidit et grandit encore, et, à 10-4 s (0,0001 seconde) après le BigBang, les quarks s'assemblent 3 par 3 pour former les nucléons (ou hadrons) qui correspondent aux protons et neutrons. Les antiquarks s'assemblent eux aussi 3 par 3 pour former les antiprotons et antineutrons.

· L'ère leptonique (durée : 10 secondes)

La température décroît et, à 109 °K, il ne reste pratiquement plus d’antimatière. La force nucléaire faible agit et conditionne l'interaction des noyaux et des particules. Électrons et neutrinos se forment. Les liaisons entre protons et neutrons commencent à subsister : noyaux de deutérium, tritium et hélium se forment.

· L'ère radiative (durée 1 Ma)

Au bout de 3 minutes , la matière se compose de 77% de noyaux d’hydrogène et de 23% de noyaux d’hélium. La création des éléments légers se ralenti et quelques noyaux de lithium apparaissent.

L’univers continue à se refroidir et son expansion se poursuit. Les électrons ne cessent d’absorber les photons et de les ré émettre. L’univers est opaque.

A 3 105 ans, l’univers s’illumine et devient transparent. Les photons arrêtent d’interagir avec les électrons et libèrent la lumière. C'est l'émission du rayonnement fossile. Ce rayonnement fut prédit en 1948 par G. GAMOW, partisan de la théorie du BigBang. En 1965, par accident, A. Penzias et R. Wilson découvrent un signal radio constant et uniforme. C'est le rayonnement fossile d'une température voisine de 3°K .

Parallèlement, électrons et noyaux atomiques s’assemblent pour former les atomes d’hélium et d’hydrogène.

· L'ère stellaire (jusqu'à maintenant)

Il n'y a plus d'interaction entre rayonnements et matières. De vastes nuages de matières (atomes simples, particules) constituent alors le seul relief de l'univers !

L'expansion et le refroidissement se poursuivent toujours et, à 15.109 années (15 milliards d'années) après le BigBang, nous sommes dans la situation actuelle, c'est à dire une température moyenne de 3°K et un diamètre d'environ 25 Milliards d'années lumière.

Sous l'influence de la force gravitationnelle la matière se rassemble de place en place. Une hiérarchisation va se créer entre étoiles, galaxies, amas de galaxies.

La distribution des étoiles et des groupements d'étoiles dans l'univers est actuellement homogène, on dit que l'univers a une structure isotrope.

Sans être totalement assurée, la théorie du BIG BANG est établie par des calculs et s’appuie sur des hypothèses que la physique des particules de haute énergie s’efforce de confirmer.

La mise en œuvre d’énergies de plusieurs GeV permet d’illustrer, au laboratoire, les événements qui se sont produits 10-10 s après le BIG BANG. Le L.H.C, dont la mise en service est prévue pour 2004 communiquera aux protons des énergies de l’ordre de TeV = 103 GeV ce qui devrait permettre de mieux connaître ce que fut l’Univers 10-15 s après sa naissance.

Ainsi, l’observation de l’infiniment petit par les physiciens des hautes énergies rejoint l’observation de l’infiniment grand par les astronomes avec leurs télescopes qui leur permettent de voir de plus en plus loin, c’est à dire de plus en plus tôt dans l’histoire de l’Univers….

En 1917, Albert Einstein proposa un modèle de l'Univers fondé sur sa nouvelle théorie de la relativité. Il considérait le temps comme une quatrième dimension et montra que la gravitation était équivalente à une courbure de l'espace-temps. Ainsi, il montra que l'Univers n'était pas statique mais était en expansion ou en contraction. L'expansion de l'Univers n'avait pas encore été découverte. Einstein supposa donc l'existence d'une force de répulsion entre les galaxies qui contrebalancerait la force d'attraction gravitationnelle. Mais pour cette hypothèse, il introduisit une "constante cosmologique" dans ses équations, qui conduisirent alors à un Univers statique.

Des modèles non statiques de l'Univers furent introduits en 1917 par l'astronome hollandais Willem de Sitter, en 1922 par le mathématicien russe Alexandre Friedmann, et en 1927 par l'abbé belge Georges Lemaître. L'Univers de de Sitter résolvait les équations relativistes d'Einstein pour un univers vide et les forces gravitationnelles n'étaient alors pas considérées. La solution de Friedmann dépendait directement de la densité de matière dans l'Univers et constitue le modèle actuellement accepté. Lemaître détermina également une solution de l'équation d'Einstein. Cependant, il est plus connu pour son idée d'"atome originel". Selon lui, les galaxies sont des fragments qui ont été projetés par l'explosion de cet atome, d'où l'expansion de l'Univers. Ce fut le début de la théorie du big bang sur l'origine de l'Univers (voir ci-dessous).

D'après Friedmann, si l'Univers contient relativement peu de matière, l'attraction gravitationnelle mutuelle entre les galaxies diminuera légèrement les vitesses d'éloignement et l'Univers sera indéfiniment en expansion. L'Univers serait alors un Univers ouvert de taille infinie. Cependant, si la densité de matière est supérieure à une valeur critique, actuellement estimée à 5!×!10-30 g/cm3, l'expansion ralentira jusqu'à s'arrêter et s'inverser en contraction et l'Univers s'effondrera totalement. Il serait alors "fermé", d'étendue limitée. Le destin de l'Univers effondré est incertain, mais selon une théorie, il exploserait à nouveau, engendrant un nouvel Univers en expansion, qui s'effondrerait à nouveau, et ce modèle présente un Univers oscillant.

La théorie du big bang

Elle fut introduite en 1948 par le physicien russo-américain George Gamow, qui modifia la théorie de Lemaître sur l'atome originel. Gamow supposa que l'Univers était né d'une explosion gigantesque et que les différents éléments observés aujourd'hui ont été générés juste après cette explosion appelée big bang, à un moment où la température et la densité extrêmement élevées de l'Univers permettaient la fusion des particules subatomiques pour créer les éléments chimiques. Des calculs plus récents indiquent que l'hydrogène et l'hélium seraient les deux premiers éléments nés du Big Bang, les éléments plus lourds étant produits seulement plus tard au sein des étoiles. La théorie de Gamow fournit une base pour comprendre les tout premiers stades de l'Univers et l'évolution de ce dernier. Du fait de sa densité extrêmement élevée, la matière existant dans les tout premiers instants de l'Univers se serait dilatée extrêmement vite. L'hydrogène et l'hélium auraient alors été refroidis et condensés dans les étoiles et les galaxies. Cela expliquerait l'expansion de l'Univers et les fondements physiques de la loi de Hubble.

L'Univers se dilatant, le rayonnement résiduel issu du big bang aurait continué à se refroidir, jusqu'à aujourd'hui où sa température devrait être d'environ 3 K (environ 270°C). Ce rayonnement ambiant fut détecté par les radio astronomes en 1965, apportant ainsi ce que la plupart des astronomes considèrent comme une confirmation de la théorie du big bang.

L'évolution de l'Univers

Le modèle de l'Univers en expansion pose un problème non résolu : l'Univers est-il ouvert ou fermé? C'est-à-dire se dilatera-t-il indéfiniment ou se contractera-t-il à nouveau?.

Pour donner une solution, il faut déterminer si la densité moyenne de matière dans l'Univers est supérieure à la valeur critique du modèle de Friedmann. La masse d'une galaxie peut être mesurée en observant le mouvement de ses étoiles. On calcule la densité de matière de l'Univers en multipliant la masse de chaque galaxie par le nombre de galaxies. On trouve alors une densité de seulement 5 à 10 p. 100 de la valeur critique. La masse d'un amas de galaxies peut être déterminée de façon analogue en mesurant le déplacement des galaxies dans l'amas. La multiplication de cette masse par le nombre d'amas de galaxies donne une densité moyenne supérieure, approchant la limite critique qui indiquerait que l'Univers est fermé. Le désaccord entre ces deux méthodes suggère la présence d'une matière invisible non négligeable, la matière noire, située à l'intérieur de chaque amas mais hors des galaxies visibles. Tant que le phénomène de la masse manquante ne sera pas expliqué, déterminer l'évolution de l'Univers restera impossible.

Comme la lumière émise par les galaxies les plus lointaines a voyagé pendant des milliards d'années avant de nous parvenir, l'Univers que nous observons est celui d'un lointain passé.

Les cosmologistes actuels s'attachent à mieux comprendre le processus du big bang. La théorie de l'inflation, formulée dans les années 1980, résout les difficultés majeures de la formulation originelle de Gamow, en utilisant la physique des particules élémentaires. Le modèle inflationniste a également conduit à d'audacieuses hypothèses, comme la possibilité d'une infinité d'Univers. Aujourd'hui, la plupart des cosmologistes s'attachent à localiser l'emplacement de la matière noire, alors qu'une minorité, à la suite du physicien et prix Nobel suédois Hannes Alfvén, pensent que la gravité des phénomènes liés aux plasmas sont la clé de la compréhension de la structure et de l'évolution de l'Univers.

La théorie des cordes

Cette théorien'est pas une modification de la théorie du Big Bang, mais une amélioration. En effet, la théorie du Big Bang considère les particules élémentaires comme des objets ponctuels. Lors d'interaction entre particules, toute l'énergie impliquée se concentre alors en un point unique et sa densité devient donc infinie. Dans le cadre de la théorie quantique de l'électromagnétisme, comme dans les théories des interactions forte et faible ces infinis sont sans conséquence puisqu'ils peuvent être compensés par d'autres infinis agissant en sens contraire. Mais il n'en est pas de même avec l'interetion gravitationnelle ce qui est inacceptable pour la physique dont l'objet est d'établir des relations entre quantités mesurables, et donc finies.

La solution pourrait alors être de remplacer les particules ponctuelles par des cordes. Ces cordes sont des objets étendus, linéaires et très petits. Lorsqu'on considère l'interaction entre deux cordes, leur extension spatial rend impossible la définition du lieu et de la date de lévénement. L'énergie, au lieu de se concentrer à un point de taille nulle, est alors diluée et sa densité trouve une limite.

Cependant, le modèle standard n'est pas une théorie tout à fait juste : il n'inclut pas la gravité. C'est pourquoi cette théorie s'est vu imposer une propriété bien spéciale : la supersymétrie. Certes, rien ne dit que le monde réel s'y accorde. Mais si l'univers dans lequel nous vivons s'avérait supersymétrique, beaucoup de ses mystères s'éclairciraient. Les cordes peuvent avoir différents modes de vibration. L'idée majeur serait alors d'associer à chaque mode de vibration un type de particule. De plus, la supersymétrie dicte l'existence d'une particule dont les propriétés sont celles qui sont attendues du graviton. La gravitation deviendrait alors la conséquence des autres interactions.

Par ailleurs, l'existence de cette supersymétrie implique un univers à 11 dimensions, dont 6 dimensions d'espaces encore inobservables. Théoriquement, ces dimensions supplémentaires sont enroulées sur elle-mêmes sur de très courtes distances de l'ordre de l'échelle de Planck, soit 10-33 cm.

La théorie M

En fait, il existe plusieurs manières de rendre les cordes supersymétriques. Au total, cinq se détachent, mais aucune ne convinet si les cordes sont soumises à des interactions fortes entre elles, comme ce fut le cas lors du Big Bang. En effet, chaque théorie repose sur des approximations valables uniquement dans le cas d'interactions faibles des cordes entre elles. Edward Witten a alors expliqué que si aucune théorie prise séparément n'est satisfaisante, la situation s'améliore lorsqu'on les considère toutes ensemble. Au delà de ces cinq formulations approchées, il y a donc une unique théorie exacte des cordes, la théorie M.

Bien que les outils mathèmatiques capables d'aborder cette théorie n'existent pas encore, celle-ci a dejà révélé certaines de ses caratéristiques. Par exemple, onsait quelle restitue les onze dimensions nécessaires à la supersymétrie. Onsait également que la théorie M ne fait pas intervenir que des cordes.

Elle implique également des sortes de sacs à deux dimensions aussi appelés membranes qui flottent et vibrent dans det espace à onze dimensions et plus généralement des p-branes dans un espace à p dimensions; les cordes seraient alors des 1-branes et les particules ponctuelles des 0-branes.

De Copernic à la théorie du big bang : un univers statique

C'est Copernic (1473-1543), chanoine polonais, qui va ressusciter le système d'Aristarque de Samos. Il place en effet le Soleil au centre, la Terre, comme les autres planètes, tourne autour. La Lune quant à elle, tourne autour de la Terre qui est en rotation sur elle-même. Copernic conserve néanmoins le dogme platonicien du cercle et de la vitesse uniforme. Les idées de Copernic circulent en sous main pendant des années. Par peur du ridicule, il est très réticent à la publication de ses travaux et c'est seulement sous l'impulsion de Rhéticus ( 1514-1574 ) qui corrigera et imprimera l'ouvrage du maître que ses théories seront exposées au grand jour. Le fougueux étudiant présentera la première édition de "De Revolutionibus Orbium Coelestium" à Copernic sur son lit de mort.

Ticho Brahé (1546-1601), né au Danemark, peut être considéré comme le premier astronome moderne, ( Hipparque (190-120) avait repéré et catalogué près de 1000 étoiles ). Les données astronomiques amassées par cet observateur hors pair sont sans précédent. Mais Tycho Brahé rejette le système de Copernic. Il penche pour un système intermédiaire où la Terre occupe, immobile, la place centrale, et où les autres planètes tournent autour du Soleil, qui lui-même, comme la Lune, tourne donc autour de la Terre. Impressionné par ses premiers travaux, il fera venir Kepler auprès de lui pour l'aider, pense-t-il, à valider sa thèse.

Mais Kepler (1571-1630), né en Allemagne, a une autre conception du monde et la méfiance s'installe entre les deux hommes. C'est seulement après sa mort que Kepler pourra utiliser les données astronomiques de Tycho Brahé.

Ce brillant mathématicien et astrologue réputé est persuadé que l'on doit pouvoir rendre compte des phénomènes observés par des formes géométriques simples comme le carré et la sphère. Après des années de recherche où il tente de faire concorder les observations avec la théorie, il finit par se résoudre à l'inéluctable vérité :

Les planètes ont des orbites elliptiques et leur vitesse n'est pas uniforme.

Il pub lie en 1609 ses deux premières lois dans l'"Astronomia Nova". Puis, en 1618, il publie sa troisième loi dans son "Harmonie du Monde".

Kepler pressent également que "le Soleil exerce une force sur les planètes", mais il ne pourra pas l'établir scientifiquement.

Galilée (1564-1642), savant italien reconnu pour ses travaux sur la dynamique et l'inertie, découvre en 1610, quatre satellites de Jupiter, puis les phases de Vénus. Il opte donc ouvertement pour le système copernicien, en conservant également le dogme du cercle ( il combattra toujours Kepler et ses lois... ).

Il clame tellement haut et fort que la Terre tourne autour du Soleil qu'il sera contraint de se rétracter publiquement à l'issue de son procès mené par l'Inquisition, car c'était contraire aux Saintes Ecritures !.

Giordano Bruno (1548-1600), philosophe italien, a eu moins de chance que Galilée.

Parce qu'il a osé penser l'impensable, l'infinité et la pluralité des mondes en mouvement dans un espace sans limite, parce qu'il véhiculait les idées de Copernic et qu'il pensait que les étoiles étaient d'autres soleils, il a été condamné et brûlé vif par l'Inquisition.

Descartes (1596-1650), ce grand philosophe scientifique français, est parti s'installer en Hollande où régnait une plus grande liberté d'expression. Avec son "Discours de la méthode", il va poser les fondements du rationalisme.

Dans son désir d'ôter de la physique toute force "occulte", il va rejeter et combattre Newton en expliquant que les planètes se meuvent grâce à des " tourbillons de l’étendue " ( l'éther d'Aristote ), et non pas à cause d'une force agissant à distance et dont on ignore la cause.

Newton (1642-1727), l'alchimiste anglais, est considéré encore de nos jours comme l'un des plus grands génies de l'humanité. Sa découverte de l'attraction universelle est en effet majeure. Ce grand génie s'est opposé aux grands esprits de son époque, de Descartes à Leibniz en passant par Huygens. Il faudra attendre près d'un siècle pour qu'il soit enfin quasi unanimement reconnu. Même si la cause de cette force reste mystérieuse, les applications de sa loi ne connaissent que des succès ( notamment avec la comète de Halley d'une périodicité calculée et observée de 76 ans ).

Désormais, le monde est régi par des lois mathématiques que tous peuvent éprouver. La Terre n'est plus qu'une planète parmi les autres, orbitant autour du Soleil...

L'univers est "globalement stationnaire" et l'idée de l'infini va faire son chemin.

Hershel (1738-1822), musicien d'origine allemande naturalisé anglais, est le père de l'astronomie stellaire. Alors qu'il travaillait sur les "mouvements des étoiles", ( phénomène mis en évidence par sir Edmund Halley, par comparaison avec les travaux d'Hipparque ), il découvrit la planète Uranus. Pour cela, il fut nommé astronome royal. Hershel, tout comme Messier en France, étudie les nébuleuses et pense que les étoiles sont groupées en univers-îles. Il pense que le Soleil est au centre de l'un d'eux, ( on sait maintenant que le Soleil se trouve en périphérie de notre galaxie, la Voie Lactée ).

Il se consacra ensuite à l'étude des étoiles doubles (80% des étoiles sont des systèmes binaires ).

Fraunhofer (1787-1826), établit le premier spectre solaire en 1814.

En 1842, Doppler (1803-1853) énonce son principe concernant les ondes acoustiques, qui sera étendu aux ondes lumineuses par Fizeau (1819-1896), ( le premier à avoir mesuré la vitesse de la lumière en 1849 ).

En 1868, Huggins sera le premier à appliquer cet effet Doppler-Fizeau pour découvrir que Sirius s'éloigne de nous à 50 km/s.

Ce type d'observation va devenir le pilier central de l'astronomie moderne.

En 1905, un obscur employé de l'Office fédéral des brevets suisses de Berne publie 4 articles. Dans les deux derniers, Albert Einstein , ( 1879-1955 ) va jeter les bases d'une nouvelle révolution scientifique qui va transformer notre vision du monde. Les lois de la physique sont similaires dans tous les repères inertiels, la vitesse de la lumière est invariante et enfin, il y a équivalence entre masse et énergie, le fameux E= mc2, la Relativité Restreinte était née.

L'esprit cartésien devient relativiste.

Après avoir montré les lois pour deux observateurs en mouvement non accéléré, Einstein exposera, en 1916, dans sa Relativité Générale les lois pour deux observateurs soumis à des accélérations.

L'espace-temps est variable ! La gravitation est causée par la courbure de l'espace...
L'éclipse solaire de 1919 apporte la preuve éclatante de la justesse de ses théories.
L'avance du périhélie de la planète Mercure est enfin expliquée

En 1912, Slipher (1875-1969), astronome américain, découvre que la nébuleuse d'Andromède se rapproche de nous à 200 km/s. Poursuivant ses travaux il découvrira que la plupart des galaxies s'éloignent de nous. En 1921, il évoque l'idée d'un univers en expansion.

Des équations fondamentales de sa théorie de la Relativité Générale, Einstein déduira un modèle d'univers stationnaire, homogène et isotrope, illimité mais de "Rayon spatial" fini ( à courbure positive ).

En 1917, De Sitter (1872-1934), l'astronome hollandais, allait en déduire, lui, un espace infini ( à courbure négative ).

En 1922, Friedmann (1888–1925), mathématicien russe, montre que les deux modèles précédents sont instables. Le "Rayon spatial" de l'univers doit évoluer avec le temps

En 1924, Hubble (1889-1953), va découvrir dans les nébuleuses spirales proches, des étoiles particulières, extrêmement importantes pour l'astronomie, les céphéides.

Ces indicateurs de distance vont permettre à Edwin Hubble d'énoncer en 1930 sa fameuse loi, élément central de la théorie de Big Bang : Les galaxies s'éloignent de nous à une vitesse proportionnelle à leur distance

George Le Maître (1894-1966), ecclésiastique belge, avait publié dès 1927, un modèle d'univers en expansion à partir d'un "unique atome primordial", extrêmement dense et chaud. Sa paternité sera reconnue plus tard.

La théorie du Big Bang est née...

La théorie du big bang est définitivement énoncé par Georges Gamov en 1948. Il prédit dans cette théorie la présence d’un rayonnement de fond cosmologique qui fut découvert en 1964 par Arno Penzias et Robert Wilson et qui permet aujourd’hui de connaître les variations de température entre les différents endroits de l’univers vers 300000 ans après le Big Bang.