Dans ce chapitre :
Comment serait né l’univers : le Big – Bang à la sauce actuelle .
Les galaxies . Notre galaxie .
Que peut – on dire de la forme, de la taille , de l’âge et de l’évolution de l’univers
Dans les prochains chapitres nous poursuivrons par ...
À quoi ressemble notre galaxie ?
Les étoiles, leur formation, leur évolution.
Les planètes. Le système solaire.
Avant d’aborder la mécanique céleste.
Les scientifiques ont échafaudé un scénario cohérent de 3 minutes au cours desquelles l’énergie a accouché de la matière en commençant par ses constituants élémentaires que sont les QUARKS.
Ils se sont inspirés de ce qui se passe au sein des accélérateurs de particules où il est courant de créer ou de modifier la constitution de la matière en mettant en jeu des quantités d ‘énergie phénoménales à l’échelle humaine .
On a écrit plusieurs livres d’une passable complexité pour raconter les trois premières minutes de l’histoire de l’Univers et il n’est pas dans notre propos de les décrire ici, dans le détail . On va se contenter des grandes lignes du dernier scénario à la mode . Ouvrez grands vos yeux et vos oreilles .
Qu’est ce qu’un vide fondu ?
Selon une étude récente, dans le vide, il se forme en permanence des velléités de matière (particules et antiparticules) qui se neutralisent instantanément . Cela permet de doter le vide (est –ce bien le mot qui convient ?) de propriétés matérielles, bien qu’il ne contienne pas à proprement parler de la matière mais de l’énergie ,et de lui faire occuper un espace . Au dessus de 1027°, le vide est complètement homogène , (les particules sont indiscernables les unes des autres) . On dit qu’il est fondu .
Dans le vide fondu, trois des forces fondamentales (électromagnétique, forte et faible) sont unifiées en une seule : la superforce et la gravitation fonctionne à l’envers ce qui provoque l’inflation de l’espace qui grandit à une vitesse folle . Cela a pour résultat de le refroidir .
L’âge de l’univers est 10-35 secondes.
Probablement au moment où la superforce se scinde en force forte et force électrofaible, la symétrie entre particules et antiparticules est rompue . Il y a un milliardième de matière excédentaire par rapport à l’antimatière .
La force électrofaible se scinde en force électromagnétique et force faible .
Des flots de photons sont libérés mais ils sont captifs des électrons qui les utilisent pour se repousser mutuellement .
Un peu plus tard, vers 10 –5 secondes, ce sera au tour des électrons et des positons de se neutraliser et il ne restera finalement plus aucune antimatière . En une minute, seule subsiste une infime partie de la matière initiale (un milliardième) qui va former l’Univers tout entier .
Les premiers noyaux voient le jour . Ils associent protons et neutrons en petit nombre (1, 2 , 3, 4) .
Les plus stables sont le noyau de l’hydrogène et de l’hélium (1 et 4 nucléons) .
C’est le signal qu’attendaient les photons pour se libérer. La première lumière émise par l’Univers part à l’assaut de toutes les directions de l’Espace . C’est l’une des raisons pour lesquelles il est impossible d’espérer voir l’Univers avant sa 300.000e année .
Si l’Univers est âgé aujourd’hui de 15 milliards d’années, nous ne verrons jamais plus loin que 14.999.700.000 années lumières . C’est ce qu’on appelle l’horizon cosmologique
A cette époque, la température de l’univers est de l’ordre de –263° C (10 degrés KELVIN ou 10 °K).
Aujourd’hui , d’après les calculs, cette température devrait être de 3°K.
Les étoiles s’agglutinent en galaxies . Il semble que les galaxies elles mêmes se concentrent le long des mailles d’un immense filet dans lequel sont emprisonnées d’énormes bulles de vide.
Il se pourrait que l’énergie encore prisonnière de ce vide soit à l’origine de l’expansion actuelle de l’Univers.
Le terme de « Big bang », évoquant un début qui ressemble à une explosion monstrueuse, a été emprunté à FRED HOYLE , astronome renommé et adversaire de cette théorie qui l’a employé pour la tourner en dérision , lors d’une émission à la BBC .
l En 1929 , EDWIN HUBBLE , découvre que toutes les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance (V = H.D où H est la constante de HUBBLE). Deux galaxies distantes de 3,2 millions d’années lumière s’éloigneraient l’une de l’autre à la vitesse de 65 km/s . C’est assez peu, mais c’est un argument de poids en faveur d’un Univers en expansion et si on essaie de reconstituer à l’envers le film de son histoire, on n’a aucune peine à l’imaginer plus petit et plus chaud quand il était plus jeune .
l La théorie nous apprend aussi que l’Univers primordial était gazeux, composé à 76% d’hydrogène et à 24% d’Hélium avec des traces d’isotopes (variation du nombre de neutrons) plutôt instables: deutérium (hydrogène + 1neutron) , hélium 3 (hélium - 1 neutron), lithium 7.Or, c’est à peu prés les proportions que l’on trouve encore de nos jours quand on cherche à déterminer la fréquence des éléments qui le composent.
l En 1960 , PENZIAS et WILSON construisent une antenne radio très sensible qui capte un signal ressemblant à un bruit de fond venu de toutes les directions de l’espace .
A l’analyse, il s’avère que ce rayonnement serait en fait le fossile du premier flash , la première lumière émise en profusion lorsque l’Univers avait 300.000 ans et que les premiers atomes se sont formés .
On lui trouve en effet une température de 3°K conforme à ce qu’on attend d’une émission à 3000°K quand elle parvient jusqu’à nous déformée par la vitesse de notre éloignement par rapport à la source.
Les objections
Il ne fait aucun doute que ce sont des preuves bien minces pour justifier un scénario aussi complexe .
C’est tout juste si elles permettent d’esquisser une trame grossière à l’intérieur de laquelle l’imagination et la connaissance ont encore beaucoup de grain à moudre .
En effet, la notion de vide fondu a été inventée pour les besoins du scénario. La notion de vide, d’ailleurs est – elle même sujette à caution dans ce contexte. On connaît le vide en tant qu’espace et donc en tant que propriété de la matière mais pourquoi ce vide primordial possèderait – il les mêmes propriétés ?
Pourquoi devrait – on le concevoir en tant qu’espace et pourquoi le doterait – on d’une énergie alors que, dans sa version familière, c’est peut être la matière qui le dote d’une énergie (par exemple parce qu’il s’oppose aux force de gravitation) ?
Mais ce qui nous choque, surtout c’est qu’on utilise les notions de temps d’espace et de température alors que la matière n’existe même pas. Or, la relativité nous dit que les notions d’espace et donc de temps sont liées à l’existence de la matière. Quant à la notion de température, elle traduit en principe l’agitation d’un milieu matériel.
Il est possible qu’on puisse lier température et énergie dans un milieu matériel mais l’amalgame reste suspect dans un milieu immatériel, d’autant que le terme de « milieu » lui-même, semble supposer la construction d’un espace.
Par ailleurs, en ce qui concerne l’espace et le temps, présents dans la notion de vide en expansion et d’instant rapporté à une origine mystérieuse, la physique qui les lierait à l’énergie pure n’est pas encore née et on attend son avènement avec une certaine impatience.
Mais on peut toujours imaginer, par exemple, que l’espace , en ce qu’il s’oppose à la gravitation est le fruit d’un boson dont l’existence reste à démontrer : l’antigraviton. Si l’univers primordial est composé exclusivement de ces particules, il n’est pas étonnant qu’il y ait un espace, qu’il soit en expansion et qu’il soit doté d’une énergie. Là on est dans le domaine de la spéculation pure et il reste beaucoup de chemin à faire notamment dans la connaissance de la matière avant de prétendre résoudre les problèmes cosmologiques.
On voit que finalement, les cosmologistes n’hésitent pas quelquefois à employer des procédés qui n’ont rien à envier à la main de Dieu quand il s’agit d’expliquer les mystères de la création. Ils extrapolent à l’absence de matière des notions qui n’ont cours qu’en sa présence, exactement comme les théologiens extrapolent notre intuition de l’effet précédant la cause pour justifier l’existence de Dieu là où s’arrête la connaissance.
Donc, on ne s’étonnera pas si les adversaires du Big bang ont eux aussi des arguments à faire valoir, mais peut être sont – ils pour l’instant moins solides que ceux de leurs adversaires .
En tous cas, c’est déjà bien d’essayer d’imaginer un scénario cohérent (du moins, en ce qui concerne ses étapes finales) pour essayer de percer à jour un mystère aussi prodigieux que complexe car ce n’est pas en admettant l’infaillibilité des cosmogonies divines que notre compréhension de l’univers pourra progresser.
Dieu n’est jamais que le fruit d’un manque d’imagination.
Maintenant, il est temps de retourner à la rassurante réalité d’aujourd’hui.
L’Univers se structure : LES GALAXIES
Même si les galaxies semblent regroupées en amas ou super amas au lieu d’être réparties de façon homogène dans l’Univers, elles constituent la plus grande structure matérielle dont la forme et l’organisation semblent obéir à des lois physiques familières à notre imagination.
Elles sont classées selon leur apparence : en spirales , elliptiques , lenticulaires et irrégulières.
Si l'on se borne aux objets les plus brillants les proportions respectives de chaque classe sont 60%, 20%, 15% et moins de 5% . Mais il semble que si l'on ajoute les galaxies naines, les elliptiques deviennent les plus nombreuses car il n'existe pas de spirale naine .
Les spirales ont un noyau central , très dense et apparemment structuré autour d'un énorme trou noir .
C'est leur rotation autour du noyau qui donne leur forme aux bras, plus ou moins nombreux .
La présence d'amas (d’étoiles) globulaires dans une sphère circonscrite à la spirale , semble suggérer que cette sphère s'est effondrée pour donner naissance au disque galactique.
Dans le corps anarchique des irrégulières, on trouve quelquefois des velléités de spirale ou un embryon de noyau.
Les elliptiques et les lenticulaires (qui ont un bulbe central à l'instar des spirales) sont remarquablement stables, dépourvues de gaz et d'étoiles jeunes . Par contre, les spirales et les irrégulières sont riches en nuages de gaz (la photographie en infrarouge de M31, ci-dessous, les rend perceptibles) , ce qui veut dire qu'elles sont encore actives et créent chaque jour de nouvelles étoiles .
La galaxie d' ANDROMEDE (M31) est l'objet le plus éloigné que nous puissions voir à l'œil nu (un point parmi les étoiles). C'est une galaxie spirale dont la taille est voisine de la nôtre. Comparée à d’autres galaxies, elle est relativement proche (2,5 millions d'années lumière) et fait partie de l'amas local (celui auquel nous appartenons).
On pense que les galaxies évoluent suite à une explosion du noyau, pour franchir plusieurs stades: d'abord quasars (très fort rayonnement, très éloignées dans l'espace et donc dans le temps), ensuite radiogalaxies (rayonnement et éloignement moyens) , enfin galaxies traditionnelles. Mais le processus reste mystérieux . Il n'est pas impossible que les tribulations des galaxies, au cours de leur jeunesse et l'influence de leurs voisines explique leurs différentes formes, ou que les lois physiques imposent à l’ellipsoïde de précéder la spirale.
Notre galaxie est une galaxie spirale qui mesure autour de 100.000 années lumières de diamètre .
En comparaison, il faut savoir que notre soleil et toutes ses planètes , même les plus lointaines, tiennent largement dans une sphère dont le diamètre est largement inférieur à une année lumière et que l’étoile la plus proche de la nôtre se situe à environ 4 années lumières .
Ces dernières (qui sont visibles à l’œil nu mais seulement depuis l ‘hémisphère sud de la TERRE) ont été découvertes par le navigateur dont elles portent le nom au cours de son voyage autour du monde.
Comme leur nom de « nuage » l'indique, ce sont des galaxies irrégulières, beaucoup plus petites que la nôtre, qu’on voit comme des taches diffuses.
On a pu mettre en évidence les effets gravitationnels (marées) que notre galaxie exerce sur elles . On pense même qu’elle leur arrache de la matière.
Il ne faut pas confondre galaxie et amas d’étoiles . On peut comparer leur forme mais pas leur dimension.
Les premières comptent des milliards, voire des centaines de milliards d’étoiles et les seconds tout au plus quelques millions. Sur la photo ci dessus , on peut voir l’amas sphérique 47 (ou amas globulaire 47) de la constellation du Toucan . Le même qui apparaît comme un simple point lumineux sur la photographie du petit nuage de Magellan vue à travers un petit télescope.
Les amas sont toujours liés à une galaxie et gravitent dans sa proche banlieue alors que les galaxies , outre qu’elle sont bien plus grandes sont en général éloignées et indépendantes les unes des autres.
Que peut – on dire de la forme et du destin de l’Univers ?
Notre galaxie occupe le centre de ce cube de 1 milliard d’années lumière d’arête .
Depuis, d’autres dispositifs et d’autres équipes de chercheurs ont produit d’autres images qui confirment que les amas et superamas de galaxies n’ont pas une distribution homogène .
La matière (ou du moins la matière visible) semble répartie le long de filaments englobant d’énormes bulles de vide.
Sur certaines de ces cartes en 3 dimensions, les filaments semblent plus fins encore et dessinent une structure arachnéenne évoquant les mailles d’un filet .
Evidemment les spéculations vont bon train pour tenter de produire un modèle qui expliquerait cette géométrie bizarre où curieusement ce sont les bulles (c’est à dire les espaces perçus comme vides) qui semblent jouer un rôle essentiel .
Effet répulsif du vide ? Concentration de matière obscure (donc indécelable) qui constituerait la majeure partie de la masse de l’univers ? Comme pour tout le reste, on en est réduit aux hypothèses .
Et pourtant, on se situe à une échelle relativement réduite par rapport à l’Univers tout entier.
Imaginer la forme de l’Univers dans son ensemble est impossible dans le cadre des concepts familiers que sont la géométrie Euclidienne et la dissociation de l’espace et du temps .
En effet, l’Univers est la seule échelle qui nous offre un espace dont les composantes visibles peuvent appartenir à la fois au présent et à un passé révolu depuis des milliards d’années .
Quand on imagine l’univers en expansion, on se dit que le jeune univers devait être circonscrit à une sphère d’autant plus petite qu’il était jeune et qu’il doit nous être possible d’observer cette sphère : le centre de l’univers. Mais cela se heurte à une contradiction : la matière qui nous forme faisait partie de cette sphère, aussi petite soit elle, et tout se passe comme si chaque point matériel était le centre de l’expansion. Si bien qu’on peut considérer que le centre de l’Univers est partout autour de nous .
Par ailleurs, tout se complique si on admet que l’Univers , à l’instar de l ‘espace sous l’influence de la matière , peut présenter une courbure . Ou tout au moins que certaines de ses parties sont courbes.
D’ailleurs , l’Univers, la matière et l’espace ne sont ils pas une seule et même chose ?
Si c’est le cas, il n’est pas interdit aux rayons lumineux d’adopter , par exemple, des trajets en forme de spirales qui nous leurrent sur la situation exacte des objets les plus lointains . Dans un tel contexte, la notion de direction (surtout si l’on veut tracer une carte de l’univers) ne veut pas dire grand chose.
Mais il est possible aussi que la structure de l’Univers soit tellement complexe qu’il n’ait ni centre ni bord , à l’image d’une bande de papier (appelée « bande de MOEBIUS ») dont on retourne une extrémité avant de la coller à l’autre, ce qui nous donne une surface dont l’extérieur et l’intérieur sont indiscernables .
Les scientifiques se sont bien sûr intéressés au rayon de courbure de l’Univers dont la formulation obéit à des calculs complexes.
Mais qu’est –ce que le rayon de courbure d’un espace ?
Pour comprendre cette notion, il faut admettre que chaque petite portion de ligne ou de surface peut être assimilée à un petite portion de cercle ou de sphère dont on peut évaluer le rayon . C'est ce rayon qu'on définit comme le rayon de courbure de la ligne ou de la surface . Sur le dessin ,ci contre on voit que plus son rayon de courbure grandit , plus une surface ressemble à un plan . Prés de la Terre , le rayon de courbure de l'espace est très grand , théoriquement infini . Mais il existe dans le cosmos des corps si denses que si l'on y découpait un volume de la taille d'un morceau de sucre , il pèserait plusieurs millions de tonnes !
Dans leur voisinage , l'espace est doté d'un rayon de courbure très faible et on a vu que les rayons lumineux qui s'y déplacent en épousent le galbe .
.Il n’est donc pas étonnant que l’Univers lui même soit courbé en fonction de sa propre densité de matière (et que sa courbure soit différente selon son âge qui voit sa densité évoluer s’il est en expansion) .
Disons que la courbure et l’évolution de l’Univers dépendent , comme on pourrait s'y attendre, de la répartition de la matière et en particulier de sa densité D. Si sa densité est nulle, l'univers est stationnaire. Si ce n'est pas le cas , l'univers est actuellement en expansion. Mais la suite du scénario dépend de la valeur de D par rapport à une valeur critique Dc: l'expansion sera infinie si D < Dc , et elle laissera place à une contraction si D > Dc.
Bien sûr , le rayon de courbure de l'univers , de l'espace considéré dans sa globalité , n'est qu'une valeur moyenne .
Localement , autour d'une étoile massive, d'un trou noir ou d'un amas de galaxies particulièrement dense , le rayon de courbure peut prendre des valeurs extrêmement différentes de la valeur moyenne .
En gros, le big - bang peut être comparé à l'explosion d'un pétard dans un paquet de lentilles. Plus le pétard est puissant, plus la densité des lentilles, rapporté à l'espace qu'elles occupent, se rapproche d'une valeur nulle. Si l'explosion est faible, les lentilles ne vont pas trop se disperser, leur densité restera élevée (supérieure à Dc) et elles vont retomber pour recomposer le tas initial. Si l’explosion est très forte, la densité des lentilles va tendre vers 0 , elles peuvent échapper à la gravité et ne jamais retomber .
Pour l'instant , les évaluations donnent une densité de l'ordre de 0,1Dc en accord avec l'expansion constatée mais en désaccord avec l'estimation de la courbure. Les observations incitent les chercheurs à penser que l'univers n'est pas tellement singulier et ressemble aux bons vieux volumes de nos livres de géométrie des classes élémentaires, ce qui correspond à un rayon de courbure infini , c'est à dire à une densité égale à Dc ou proche de cette valeur . Mais quelle confiance faut – il accorder à l’observation d’un milieu dont seul l’observateur appartient au présent et le reste à un passé d’autant plus révolu que la portée de ses investigations augmente ? Et si nos prévisions sont justes, où est donc passée la masse manquante? Sous quelle forme se dissimule-t-elle à nos sens, pourtant affûtés par une technique très perfectionnée ?
Il y a donc, partout dans le monde, des scientifiques très sérieux qui cherchent la masse manquante .
Certains essaient de piéger les NEUTRINOS , (ces particules émises en très grand nombre à la création de l’Univers et dans de nombreuses autres réactions ) , dont on connaît l’existence mais dont on ignore la masse qu’on sait de toute façon très petite et peut être nulle . D’autres essaient de traquer le WIMPZILLA ou le NEUTRALINO, plus massifs mais très discrets puisqu’ils n’ont pas encore franchi le stade théorique .
Pour cela , ils ont installé de grands réservoirs d’eau truffés d’appareils ,au fond de mines désaffectées, pour essayer de détecter l’oiseau rare qui traverse notre planète de part en part sans dévier d’un iota .
D’autres cherchent à évaluer la masse et le nombre des naines brunes, ces étoiles obscures dont on a détecté récemment l’existence et qui pourraient considérablement faire pencher la balance si elles étaient très nombreuses. D’autres, enfin, cherchent à localiser les trous noirs .
Ceci dit il nous faut bien admettre qu’avec la Cosmologie, nous touchons à l’un des domaines les plus contestables de la connaissance scientifique . Le mot de connaissance lui même est un peu présomptueux quand on parle de l’Univers et si on analyse sous l’angle critique les méthodes plus ou moins sulfureuses qui permettent de mesurer les distances de l’ordre du millier d’années lumières (ce qui est relativement peu) et les masses des objets qui s’y trouvent , on ne peut qu’être pris de vertige devant l’ambition d’évaluer la densité de l’Univers, d’imaginer son histoire ou de déterminer sa forme.
Si la distance de la galaxie voisine d’Andromède est passé de 900.000 années lumière en 1920 à 680.000 années lumière vers 1930 et enfin à 2.200.000 années lumière en 1952 , il ne faut pas s’étonner que les savants actuels s’évertuent à multiplier par 10 la densité de l’Univers pour essayer de résoudre une irritante contradiction.
Mais c’est ainsi que procède la connaissance scientifique . Elle propose des méthodes, des estimations , des scénarios, cohérents avec les certitudes du moment . La communauté des savants les valide comme plus utiles ou plus probables que les résultats précédents et aussitôt , elle se rue sur ses instruments et ses calculs pour en démontrer la fausseté , l’insuffisance ou … la pertinence.
Contrairement à ce que pensent certains, la Science n’est pas ce monstre péremptoire qui impose ses certitudes à tous les systèmes de pensée . Au contraire de la religion, elle recherche l’infaillibilité de ses prédictions mais admet la faillibilité de ses interprétations .
L’interprétation n’est pas dogmatique . Elle n’est importante que par la cohérence des mesures et des prévisions qui découlent de son application , c’est à dire par son aptitude à faire coïncider l’Univers modèle inhérent à ses théories à l’Univers réel inhérent à nos perceptions . De ce point de vue, il n’est pas anormal que lorsque la portée de nos perceptions augmente, par exemple lorsqu’on invente le microscope ou le télescope, notre interprétation du monde s’en trouve bouleversée .
Et puis, qu’est –ce que l’infaillibilité ? Une vertu absolue et intemporelle ou une notion relative aux besoins humains et à l’acuité de notre perception , c’est à dire relative à deux paramètres qui varient avec l’époque et le lieu ?
L’interprétation relativiste de la gravitation a supplanté l’interprétation Newtonienne parce qu’elle permet de prévoir certains phénomènes (comme la déviation de la lumière dans un espace courbé par la masse) ou de préciser leur ordre de grandeur mais au dix huitième siècle , compte tenu des instruments et des connaissances de l’époque, la mécanique de Newton s’avérait infaillible pour expliquer et prévoir, par exemple, la ronde des planètes autour du Soleil avec toute la précision dont on était capable.
Encore faut – il remarquer que d’un point de vue scientifique, l’estampille d’infaillibilité appelle une validation par l’épreuve des faits . Une proposition, une théorie, n’est examinée que lorsqu’on peut imaginer une expérience pour la confirmer ou l’infirmer et elle n’entre dans le domaine pratique de la « connaissance » qu’une fois qu’elle a démontré la cohérence de toutes ses implications avec ce que le système a produit de « certitudes » validées par l’expérience .
Par contre, si une proposition (comme l’existence de Dieu ou l’interprétation de rêves à partir de l’inconscient) ne peut être éprouvée par l’expérience, elle n’entre pas dans le champ scientifique et elle n’est recevable que par les interlocuteurs qui possèdent en elle une foi commune . Ni l’attribut de « vérité », ni celui de « fausseté » ne sont applicables à de telles propositions . Les théories sur l’Univers, elles, sont en partie contrôlables puisqu’on devrait pouvoir apprécier sa forme et examiner son passé, mais pour l’instant ni la précision de nos mesures, ni la portée de notre perception ne sont suffisantes pour valider les modèles proposés. Il faut le savoir .
