Le blog de cepheides

Publié le 13 Avril 2014 par cepheides

Publié dans : #astronomie

DE L'ASTRONOMIE : l'Univers, passé et avenir

Le sujet – immense s’il en est – de cet article est en réalité déjà contenu dans le blog puisque les différentes phases de la vie de l’univers ont été abordées les unes après les autres, à l’aune, évidemment, de nos connaissances actuelles. Récemment, toutefois, un lecteur me faisait remarquer que, à travers des articles parfois relativement spécifiques, il n’était pas si aisé que cela d’obtenir une vue d’ensemble de l’histoire de cet univers dont nous sommes une infinitésimale partie : il n’est donc pas vain de proposer une nouvelle approche plus globale, étant entendu que seront mentionnés chaque fois que possible les approfondissements présents dans les textes déjà publiés.

Le Big bang

La question du début de notre univers passionna et divisa les scientifiques jusqu’à il y a peu, opposant les tenants d’un point originel, le Big bang, suivi d’une expansion à ceux qui croyaient à un univers stationnaire et en équilibre permanent. Aujourd’hui, grâce à des preuves indirectes indiscutables (la présence d’un rayonnement fossile et la preuve du caractère expansionniste de cet univers), la théorie du Big bang n’est plus réellement remise en cause, confortant ainsi la géniale intuition de l’abbé Lemaître. Mais comment comprendre que la matière puisse provenir… de rien ? C’est la raison pour laquelle, nombre de cosmologistes imaginent volontiers que le début de notre univers correspond probablement à la fin d’un autre, voire à des univers multiples : c’est la théorie des multivers. Dans cette optique, il n’y a ni début, ni fin et le temps est éternel. Mais comment savoir puisque que notre physique ne s’applique plus aux tous premiers instants du Big bang ? La réponse n’est probablement pas à notre portée.

Revenons à notre univers et à son début. Les équations nous le disent : son commencement est celui d’une sorte de minuscule soupe quantique où n’existe qu’une obscurité totale et où il n’y a encore ni gravité, ni espace, ni temps. Il subit tout d’abord une extraordinaire phase d’expansion, appelée « inflation cosmique », probablement très tôt, vers 10^-35 seconde, lui permettant de grossir énormément d'un seul coup (une très sérieuse preuve indirecte du phénomène semblait avoir eté apportée par de nouvelles observations le 17 mars 2014 mais il s'agissait d'une fausse alerte comme on pourra le lire en fin de cet article ¹). L’univers du début est dans un état étrange où se mêlent matière (ou ce qui en tient lieu), espace et temps mais cela dure peu : jusqu’à 10^-11 seconde car l’univers grossit en se dilatant. Qui dit expansion, dit refroidissement et se forment alors les premiers photons (les particules de lumière) que la densité de ce magma empêche néanmoins d’être libérés : de ce fait, la lumière reste intimement liée à la matière et l’obscurité toujours totale. La conséquence en est que la matière ne peut s’effondrer sur elle-même tandis que la lumière, prisonnière de cette matière, n’éclaire rien et, plus encore, empêche l’organisation de cette dernière qui n’aboutira donc que beaucoup, beaucoup plus tard aux étoiles et aux galaxies...

Cet univers opaque et hyperdense continue néanmoins son expansion et donc son refroidissement. Signalons au passage que notre esprit a toujours tendance à se référer à ce qu’il connaît or nous vivons dans un monde matériel où l’espace-temps est l’élément principal. Difficile donc de comprendre que cette expansion de l’univers puisse se faire dans… rien. Pas dans du vide – il est fondamental de le souligner - mais dans rien… puisque l’univers crée l’espace au fur et à mesure qu’il grossit…

Cette expansion dans l’obscurité va durer exactement 380 000 ans.

Pour en savoir plus :

* Big bang et origine de l’Univers

* avant le Big bang

* l’expansion de l’Univers

Et la lumière fut

L’Univers s’étendant, il se refroidit. Lorsque sa température tombe aux alentours de 3000 degrés, un événement immense se produit : l’agitation des particules due à la chaleur ralentit et les électrons jusque-là englués dans la soupe primitive peuvent enfin se lier aux noyaux atomiques dans ce que l’on appelle la « recombinaison », libérant par contrecoup les photons dans une espèce de flash gigantesque qui provient de partout et va dans toutes les directions. L’Univers est devenu transparent et sort de l’obscurité totale. Longtemps, cette vision des prémices de l’Univers fut contestée, ses détracteurs arguant du fait qu’il ne s’agissait que d’une belle théorie sans l’ombre d’une preuve. Jusqu’en 1965, date à laquelle deux ingénieurs américains, Penzas et Wilson (prix Nobel en 1978 pour fond diffus cosmologique 2 leur découverte) mirent en évidence (totalement par hasard comme souvent en science) le fond diffus cosmologique, résidu lumineux correspondant à ce flash de début. Du coup, les autres théories devinrent caduques, incapables d’expliquer le phénomène observé. Ajoutons que les progrès techniques se développant, les derniers satellites d’observation spécialisés nous ont donné d’extraordinaires images de ce flash, jusqu’à espérer, en analysant ses moindres variations, pouvoir interpréter visuellement ce qu’il s’est passé avant (notamment l’inflation évoquée plus haut) !

Après être sorti brutalement de l’obscurité complète, l’Univers va y retourner quelque temps puisque, une fois dissipée cette première émission de photons, il n’existe pas encore de sources de lumière dans cet Univers déshabité. C’est la matière, elle aussi « libérée », qui va peu à peu s’organiser et sortir progressivement l’ensemble de la nuit. En effet, suite à cette première seconde d’existence, la soupe primordiale du début, mélange d’atomes, d’électrons et de photons agglomérés, a forcément présenté quelques irrégularités, des grumeaux d’origine quantique. La matière une fois libérée, ces grumeaux vont former des pôles d’hyperdensité qui vont attirer le reste de cette matière (en fait d’immenses filaments de gaz) et entraîner par concentration de celle-ci la formation des premières étoiles, les étoiles « primordiales » (dites de population III). Nous sommes alors à environ + 600 000 ans.

Cette première génération d’étoiles n’est pas semblable à celle que nous connaissons aujourd’hui. Ce sont des géantes monstrueuses pouvant atteindre jusqu’ 1000 fois la taille du Soleil (alors que, de nos jours, les plus grosses dépassent difficilement 80 fois sa taille). Ces étoiles n’ont qu’une vie très courte en raison même de leurs dimensions : quelques millions d’années au plus, ce qui explique pourquoi elles ont complètement disparu de nos cieux actuels. Toutefois, ces étoiles primordiales sont d’une importance capitale car c’est en leur sein que furent fabriqués les premiers éléments lourds comme le fer, l’oxygène ou le carbone alors que l’univers ne contenait jusque là que de l’hydrogène et de l’hélium : sans elles, aucune chance de voir apparaître nos mondes actuels et donc la Vie.

En explosant, les étoiles primordiales vont ensemencer l’Univers et provoquer la création de myriades d’étoiles plus petites mais aussi plus durables.

Les étoiles primordiales ont un autre rôle très important : la réionisation. De quoi s’agit-il ? Nous avons dit que d’énormes quantités de gaz stagnaient dans l’univers. Les photons provenant des toutes nouvelles étoiles vont, en les heurtant, entraîner l’ionisation de ces nuages gazeux épars (c'est-à-dire que les atomes de gaz vont perdre ou gagner des électrons devenant ainsi des ions) et conduire à un univers parfaitement transparent. Ce nouvel état de clarté, une fois la réionisation terminée, se situe vers 1 milliard d’années.

Les premières galaxies s’organisent, riches en étoiles nouvelles au point que, quelques milliards d’années plus tard, l’Univers, encore jeune, sera au sommet de son éclat.

Pour en savoir plus :

* fonds diffus cosmologique

* juste après le Big bang

* les premières galaxies

* les étoiles primordiales

* HD 140283, retour sur les étoiles primordiales

Une brillance maximale

Après 5 milliards d’années de son existence, l’univers va se trouver au maximum de sa lumière. En effet, la naissance d’étoiles, sous l’effet de la gravitation dans les nuages de gaz galactiques, bat son plein. Des galaxies encore jeunes, riches en étoiles bleues, il va s’en créer des milliards, chacune contenant plusieurs centaines de milliards d’étoiles plus ou moins semblables à notre Soleil. Mais où va-t-il, cet univers ?

L’univers, on l’a déjà dit, est en expansion mais en expansion jusqu’où, ou plutôt, jusqu’à quand ? Les astronomes en étaient persuadés : cette expansion allait se ralentir et peut-être même s’arrêter. Un peu comme un véhicule dont on a lancé puis coupé le moteur et qui continue sur sa seule force acquise. D’ailleurs, c’est bien ce qu’explique la théorie de la relativité générale d’Einstein. Arrêtons-nous-y un bref instant. Avec cette théorie (en réalité, plus qu’une théorie car démontrée par des preuves directes), l’univers est plat et soumis aux forces de la gravitation qui fait s’attirer les objets, des plus petits vers les plus grands. Einstein pensait que l’univers était stable et homogène. Du coup, pour que son modèle soit ainsi, il lui fallait introduire dans ses équations une force s’opposant exactement à la gravitation, une force qu’il appela « constante cosmologique » : alors, son univers était en équilibre. Plus tard, il jugea cette introduction comme « la plus grande erreur de sa carrière » mais il n’avait pas totalement tort. En effet, les scientifiques cherchèrent par la suite à « mesurer » le ralentissement de l’expansion de l’univers dû aux forces de gravitation et là, patatras ! Ils eurent beau faire et refaire leurs calculs, tous aboutirent à la même conclusion : non seulement, l’expansion de l’univers ne ralentit pas mais, au contraire, elle s’accélère ! Mais comment est-ce possible ? Quelle est donc cette force qui s’oppose et même semble prendre le dessus sur la gravitation ?

Pour en savoir plus :

* théorie de la relativité générale

* les galaxies

* pulsars et quasars

Matière noire et énergie sombre

A vrai dire, l’incohérence de certaines constatations ne date pas d’aujourd’hui. En réalité, en 1933, un astronome américain du nom de Zwicky qui étudiait des galaxies bien spécifiques trouva que celles-ci tournaient beaucoup trop vite sur elles-mêmes compte tenu de leur masse lumineuse observée. Il en avait conclu qu’il existait autre chose, une sorte de matière invisible seule à même d’expliquer le paradoxe en question. Comme souvent en science, il eut tort d’avoir raison trop tôt et ses observations furent négligées par la communauté scientifique. Ce n’est que bien plus tard, dans les années 70, qu’on se replongea dans les chiffres et ceux-ci sont formels : 23% de la matière sont concernés par des éléments sur lesquels nous ne savons rien et on appelle cette inconnue « matière noire ». Pis encore, les équations nous révèlent que 73% de l’univers sont représentés par une « énergie » que, faute de savoir ce qu’elle est, on appelle énergie sombre. Du coup, la matière telle qu’on la connaît (du plus petit grain de sable à la plus gigantesque des étoiles) ne représente que 4% de l’univers. Voilà une notion qui fait désordre pour des scientifiques qui veulent « décrypter » le monde qui les entoure… mais qui explique parfaitement l’accélération de l’expansion de l’univers, l’énergie sombre contrebalançant avec succès les forces gravitationnelles.

Pour en savoir plus :

* matière noire et énergie sombre

Le retour vers la nuit

Aujourd’hui, l’univers est âgé de 13,8 milliards d’années et notre Soleil brille dans notre galaxie, la Voie lactée, depuis environ 4,5 milliards d’années. L’univers s’étant beaucoup dilaté depuis les 5 à 7 milliards d’années où nous expliquions qu’il était à son maximum de lumière, nos cieux nocturnes sont probablement un peu moins lumineux qu’à cette époque. Il est néanmoins possible d’observer, grâce à des instruments performants comme le télescope spatial Hubble, des milliards de galaxies dans toutes les directions. Et ces galaxies sont d’autant plus jeunes qu’elles sont plus lointaines. Par exemple, dans ce que l’on appelle le « ciel lointain de Hubble », on peut voir des galaxies bleutées car riches en étoiles jeunes dont la lumière nous parvient seulement maintenant après avoir voyagé des milliards d’années à travers les espaces immenses du cosmos. Ces galaxies n’existent plus ou du moins pas comme nous les voyons aujourd’hui. D’ailleurs, si un habitant de ces galaxies pouvait observer la nôtre, il la verrait en ce moment comme elle était lors de sa prime jeunesse. Cela parce que l’espace est si étendu et que la lumière ne voyage qu’à environ 300 000 km/s.

L’univers, a-t-on dit, est en expansion et celle-ci s’accélère. De ce fait, les galaxies s’éloignent donc de nous de plus en plus vite. Toutes ? Non, car il en existe certaines qui sont proches (relativement) de nous et pour celles-là la gravitation prédomine. Elles forment le « groupe local », un ensemble d’une cinquantaine de galaxies dont les deux plus grosses sont la nôtre et la galaxie d’Andromède située à environ 2,5 millions d’années-lumière de nous (la proche banlieue en termes galactiques). Cette dernière fusionnera avec la Voie lactée dans un peu plus de 3 milliards d’années. Mais les autres, celles qui ne font pas partie de notre groupe local ? Eh bien, elles s’éloignent inéluctablement, d’autant plus vite qu’elles sont plus loin comme en témoignent leurs spectres lumineux décalés vers le rouge par l’effet Doppler. Viendra un temps où l’univers sera si vaste et son expansion si rapide que la lumière de ces galaxies qui s’éloignent ne nous parviendra même plus !

Dans un temps incommensurablement lointain, 100 milliards d’années, l’univers 7 fois plus vieux qu’aujourd’hui verra les galaxies des groupes locaux (le nôtre et ceux des galaxies plus lointaines) fusionner pour ne plus former à chaque fois qu’une gigantesque supergalaxie. La Terre aura depuis longtemps disparu mais s’il existe un observateur sur une planète de ce temps là, il verra dans son ciel à peu près autant d’étoiles que nous en voyons aujourd’hui. En revanche, ses instruments d’optique auront beau scruter au-delà de sa supergalaxie, ils ne distingueront rien de plus : les autres supergalaxies seront hors de portée. Cet observateur se retrouvera alors dans la situation dans laquelle nous étions vers les années 1920 : il aura l’impression que rien n’existe en dehors de sa galaxie mais lui n’aura plus aucun moyen de rectifier son jugement. Comment pourra-t-il alors interpréter l’univers alors que le fond diffus cosmologique ne sera pratiquement plus perceptible tant il aura été atténué par l’éloignement ?

Puis viendra ensuite le temps où les étoiles n’auront plus suffisamment de matière pour se former si ce n’est, exceptionnellement, qu’à partir de la fusion de quelques naines brunes qui ne sont que des étoiles avortées. L’espace continuant à se dilacérer, même la matière disparaîtra ou sera absorbée par les derniers trous noirs centraux des dernières supergalaxies… Ne subsistera plus que le vide immense d’un espace sans matière.

Il existe pourtant un scénario alternatif dont nous ne savons pas s’il est envisageable puisque nous n’avons aucune idée de ce qu’est et ce que pourrait devenir cette matière noire. Effectivement, si la force de cette dernière venait à diminuer, la gravitation reprendrait certainement son influence. Dans cette éventualité, l’expansion de l’univers ralentirait puis stopperait pour, enfin, s’inverser : les galaxies se rapprocheraient à nouveau les unes des autres jusqu’à peut-être, après des milliards et des milliards d’années, finir par fusionner avant que la matière se condense et se replie sur elle-même dans ce que l’on appelle le « Big crunch », exact décalque inversé du Big bang. Nous ne pouvons donc pas encore savoir ce que sera ce lointain avenir mais que l’on se rassure toutefois : il s’agit de projections théoriques qui, en aucun cas, ne peuvent nous concerner. Nous parlons en effet de dizaines de milliards d’années alors que, de toute façon, l’espérance de vie d’une espèce de mammifères comme homo sapiens ne se compte – au mieux – qu’en quelques dizaines de millions d’années. S’il ne s’est pas, d’une manière ou une autre, autodétruit auparavant.

Pour en savoir plus :

* la fin de l'univers

¹ les ondes gravitationnelles mises en évidence en mars 2014 :

... Les théoriciens prévoient que les ondes gravitationnelles primordiales, si elles existent, ont perturbé la lumière originelle, émise il y a 13,8 milliards d'années, en lui imprimant une polarisation particulière, c'est-à-dire une façon d'osciller extrêmement caractéristique. Comme nous baignons toujours dans ce rayonnement, qui s'est considérablement refroidi avec le temps, il est possible de l'étudier. Nous avons donc braqué un radiotélescope au pôle Sud sur une petite portion de ciel très propre afin d'étudier avec précision la polarisation de ce rayonnement fossile. Et nous avons trouvé le signal que nous espérions ...

... Leur origine (des ondes gravitationnelles, ndlr) est liée à un moment clé de la naissance de l'Univers. Une fraction de seconde après le big bang, l'Univers a connu une phase d'expansion extrêmement rapide. Pendant un milliardième de milliardième de milliardième de seconde, l'Univers a grossi d'au moins un million de milliards de milliards de fois. Ce sont des chiffres qui échappent totalement à l'imagination. La plupart des physiciens, moi y compris, peinons à nous représenter de telles échelles. Nous comprenons ce que nous disent les mathématiques, mais cela reste difficile à appréhender avec nos sens. Pendant cette période, appelée «inflation», les paires de particules et d'antiparticules qui apparaissent et s'annihilent en principe instantanément dans le vide quantique ont été séparées par cette dilatation extrêmement brutale de l'espace-temps. Cela s'est notamment produit pour le graviton, la particule hypothétique qui véhicule la gravité, et son antiparticule, l'antigraviton. C'est ce mécanisme d'arrachement qui serait à l'origine des ondes gravitationnelles ...

(extraits de l'interview accordée le 18 avril 2014 au journal le Figaro par Clement Pryke, un des deux codécouvreurs des ondes gravitationnelles résiduelles le 17 mars 2014)

Non, les ondes gravitationnelles n'ont pas été détectées !

Contrairement à ce qui avait été annoncé en mars 2014 par la collaboration américaine Bicep2, les traces laissées par les ondes gravitationnelles émises à l'issue du Big Bang n'ont pas été détectées, révèle aujourd'hui la collaboration européenne Planck.

En réalité, ces "traces" de ces ondes gravitationnelles détectées dans le rayonnement fossile par l'équipe Bicep2 n'en sont pas : il s'agit simplement de signaux générés par la poussière galactique, cette poussière qui circule en permanence dans notre Voie Lactée. Un résultat obtenu grâce à une analyse poussée des données qui avaient conduit à cette annonce, augmentées et enrichies par les observations réalisées par le satellite Planck.

(le Journal de la Science, 20 avril 2015 / extraits)

(http://www.journaldelascience.fr/espace/articles/non-ondes-gravitationnelles-big-bang-nont-pas-ete-detectees-4525)

... Mais elles le seront quelques mois plus tard, le 14 septembre 2015 : voir le dossier dédié ICI

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science & Vie, Hors Série n°266, mars 2014

3. Encyclopediae Universalis

4. Encyclopediae Britannica

Images :

1. l'Univers (source : favim.com)

2. carré noir (source : www.cocqsida.com/mediatheque)

3. expansion de l'univers et inflation (source : drericsimon.blogspot.com)