L’histoire de l’Univers

Récemment dans un article nous avons retracé la vie et la mort des étoiles. Ces dernières, sous l’influence de l’interaction gravitationnelle, se regroupent et forment des galaxies de différents types : des spirales, des elliptiques, des spirales barrées, des irrégulières… Et c’est l’ensemble de ces galaxies qui forme l’Univers tel qu’on le conçoit aujourd’hui. Comment est-il apparu ? Que va-t-il devenir ? Nous allons tenter modestement de répondre à ces questions en nous penchant sur les théories aux travers des siècles des astrophysiciens sur le sujet.

Le mot « Univers » vient du latin universum composé de uni (un) et versum (tourner) qui exprime le fait qu’un univers est « uni vers » c’est à dire tourné vers un tout entier. L’Univers représente donc l’ensemble de tout ce qui existe et il est évident que les frontières de l’Univers ont pas mal évolué depuis la préhistoire… En effet, dès l’époque où les Hommes ont commencé à avoir du temps libre, du temps qu’ils pouvaient passer à faire autre chose qu’à tenter de survivre, ils ont essayé de comprendre ce qui les entourait. Leur Univers s’arrêtait probablement au niveau de l’horizon et chaque matin, lorsque l’astre de lumière et de chaleur revenait, ils criaient sans doute au miracle. Puis des petits futés se sont rendus compte que certains points lumineux dans le ciel se déplaçaient de façon erratique dans le ciel et les savants grecs comme Ératosthène, Hipparque ou encore Aristarque de Samos qui vécurent au IIe et IIIe siècle avant JC, construisirent des modèles mathématiques et astronomiques suffisamment complexes pour calculer le diamètre de la Terre et de la Lune ainsi que la distance entre les deux. Les astres errants portent toujours aujourd’hui le nom grec, planètes, et l’Univers à l’aube de l’Histoire a vu ses limites repoussées jusqu’à une sphère sur laquelle sont accrochées les étoiles. Le Soleil, la Lune et les planètes tournant autour de la Terre. Ceci sera mis en forme mathématique, géométrique et astronomique par Claude Ptolémée au début du IIe siècle de notre ère dans un grand livre : L’Almageste.

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Système géocentrique de Ptolémée

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Système héliocentrique de Copernic

 Le modèle géocentrique de Ptolémée fonctionnait suffisamment bien pour prédire les éclipses et les mouvement des planètes mais il était incroyablement compliqué à mettre en œuvre. Pour expliquer la rétrogradation des planètes, il avait mis au point la théorie des épicycles et malgré toute cette complexité, les résultats n‘étaient pas en accord parfait avec les observations.

Néanmoins, il faut attendre 1400 ans et le début du XVIe siècle pour que Nicolas Copernic, un chanoine polonais propose un changement complet de paradigme : ce n’est pas la Terre qui est au centre de l’Univers, mais le Soleil ! Cette idée séduit Galilée, mais l’inquisition qui a tendance à brûler tout ce qui ne va pas dans le sens de penser de la Bible le contraint à abandonner l’idée ; publiquement au moins. Copernic lui même a attendu de mourir pour que son livre De Revolutionibus soit publié.
Notons qu’à ce moment là, l’Univers se limite à notre système solaire et que la révolution copernicienne n’explique pas d’où proviennent les autres étoiles. Un grand pas est franchi et l’heliocentrisme défendu par Copernic va permettre de parfaitement comprendre l’Univers tel qu’il était perçu au XVIIe siècle. Galilée, Kepler puis Newton vont établir des règles et des lois fondamentales qui sont encore aujourd’hui enseignées aux lycéens. C’est au XIXe siècle que Friedrich Bessel, un astronome allemand se rend compte que la Voie Lactée que l’on observe depuis l’Antiquité est en réalité composée de millions d’étoiles semblables à notre Soleil. Les frontières de l’Univers s’éloignent à nouveau un peu plus…

« Les frontières de notre Univers observable ont sans cesse été repoussées »

La mécanique Newtonienne atteint son apogée lorsqu’en 1846, Urbain Le Verrier réussit à découvrir Neptune en se basant sur des irrégularités de l’orbite d’Uranus. Puis les instruments gagnent en précision, les mesures s’affinent, les erreurs diminuent et on se rend compte que des imperfections apparaissent dans la mécanique Newtonienne. Nous sommes au début du XXe siècle, et un génie fait son apparition. Albert Einstein a 26 ans en 1905 lorsqu’il écrit quatre articles scientifiques qui auraient pu lui valoir quatre prix nobel. Il en aura finalement un en 1921 pour ces travaux sur l’effet photoélectrique (qui permettent aujourd’hui de faire fonctionner les panneaux solaires), mais c’est pourtant une autre découverte qui va faire de lui un des savants les plus connus et le plus respecté de l’histoire. Il va finir en 1915 de développer la théorie de la relativité générale qui est, comme son nom ne l’indique pas, une théorie de la gravitation. Dans la théorie de la gravitation de Newton, il est dit que deux objets s’attirent proportionnellement aux produits de leurs masses et de façon inversement proportionnelle à leur distance au carrée. Mais rien n’explique le « pourquoi ? » les deux masses s’attirent. Einstein apporte une réponse en démontrant que la matière et l’espace-temps sont liés. Un corps très massif, très dense va déformer l’espace autour de lui. Si l’espace est déformé autour du Soleil, alors la Terre va  irrémédiablement être attirée par le Soleil. Elle va comme « rouler » dans sa direction. Ceci combiné au fait de posséder une vitesse et on obtient un objet en orbite autour du Soleil. On peut s’imaginer une boule de pétanque sur un lit bien moelleux. Si on pose une petite bille, cette dernière va glisser en direction de la boule de pétanque. Cette analogie n’est pas parfaite, mais elle a le mérite d’être très visuelle.

La théorie est validée dès 1919 lors de l’observation de la déviation de rayons lumineux pendant une éclipse de Soleil. Ce dernier étant caché par la Lune lors d’une éclipse, les astronomes ont pu se concentrer sur les étoiles en arrière plan. Ce sont toujours les équations d’Einstein que l’on utilise pour décrire l’Univers connu. De grandes découvertes vont suivre et toutes vont « s’imbriquer » et se verront confirmées par celle d’Einstein. En effet, la théorie de la relativité générale prédit mathématiquement l’existence des trous noirs, objets observés seulement dans les années 1960, soit près de cinquante ans plus tard ! Mais revenons à l’Univers.

 

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Classification des galaxies par Hubble

 

En 1925, Edwin Hubble utilise le télescope de 250 cm de diamètre du Mont Wilson en Californie et se rend compte que les objets « flous » qu’on observe dans le ciel et qu’on appelle depuis toujours « nébuleuses» sont des objets qui n’appartiennent pas à notre Galaxie. Il effectue une classification de ces objets et c’est donc dans la première moitié du XXe siècle que l’Homme prend conscience de l’existence de milliards de galaxies autres que la notre. Il réussi même à mesurer leurs distances et démontre avec brio que plus ces galaxies sont loin de nous et plus elles s’éloignent vite. La conséquence est énorme : l’Univers n’est pas statique comme on le pensait depuis l’antiquité, il est en expansion.

« l’Univers n’est pas statique, il est en expansion »

C’est de cette observation et de cette constatation d’un Univers en expansion que l’idée de Big Bang va naître. Effectivement, si l’Univers s’agrandit, c’est qu’à un moment donné, il a été plus petit. Et si on pousse encore plus loin l’expérience de pensée, on peut même imaginer qu’il a été suffisamment petit pour n’être contenu que dans un point minuscule… Et puis soudain tout aurait explosé et l’Univers n’aurait fait que croître depuis ce moment là. Cette idée germe dans l’esprit de l’abbé Lemaître et le terme de Big Bang sort de la bouche de l’astronome Fred Hoyle lors d’une émission à la BBC pour dénigrer l’idée. C’est aujourd’hui la théorie la plus répandue parmi les astronomes.

Forcément, lorsqu’on évoque un début, on attend une fin. Mais que nous réserve l’avenir exactement ? Plusieurs possibilités s’offrent à nous : soit l’Univers tel que nous le connaissons va continuer son expansion de manière infinie, soit il va finir par s’arrêter et s’effondrer sur lui même. Dans ce cas nous parlerions de Big Crunch. Comment décider de l’un ou de l’autre des scénarios ?
Tout va dépendre des paramètres de l’Univers. Et ces paramètres peuvent être obtenus en observant cet Univers de façon toujours plus précise et avancée. Les cartographies du fond diffus cosmologique, les oscillations acoustiques des baryons, les chandelles standards et les études des grandes structures sont toutes des observations nécessaires à la compréhension de l’Univers, car en les recoupant, on peut obtenir une plus grande précision sur les contraintes à apporter aux différents modèles cosmologiques.
Ainsi, toutes les observations semblent concorder aujourd’hui pour indiquer que l’Univers serait composé de 5% de matière ordinaire (celle qui nous compose et que l’on peut voir), de 25% de matière noire (invisible encore pour nos instruments pour être détectée directement, mais mise en évidence par des observations indirectes) et enfin de 75% d’énergie sombre, une mystérieuse énergie qui expliquerait pourquoi l’Univers est en expansion.

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Amas de galaxies Abell 2218

À la vue des ces proportions, il est possible que l’Univers possède une densité de matière trop faible pour ralentir l’expansion, et on aurait donc le droit à une mort thermique de l’Univers avec une expansion infinie. Mais si on se trompe sur nos mesures, il est possible que la densité de matière soit suffisante pour ralentir l’expansion et alors il y aura une contraction (phénomène inverse de l’expansion) et l’Univers retrouvera sa singularité initiale. Pour « rebondir » et recréer un Big Bang ? Peut-être. C’est en tout cas ce que semble penser Sir Roger Penrose célèbre physicien et mathématicien de l’Université d’Oxford.

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Carte obtenue par WMAP où apparaissent les cercles concentriques de Penrose.

 

En effet, Penrose et son collègue Vahe Gurzadyan de l’Université de Yerevan en Arménie ont mis en évidence en 2010 des cercles concentriques sur la carte du fond diffus cosmologique établie par le satellite WMAP. Ils expliquent ces motifs comme étant des échos du précédent Big Bang. Nous serions selon eux dans un Univers qui subirait un cycle éternel et où, à l’image des poupées russes, chaque Univers précédent serait contenu dans l’Univers actuel. La même année, un autre groupe de chercheurs apporte une autre interprétation aux motifs observés. Ils s’imaginent que notre Univers, qui est vu comme une bulle en expansion, serait entouré par d’autres « bulles » et lorsque ces dernières rentrent en contact les unes avec les autres, elles laisseraient des traces en forme de cercles comme celles observées par Penrose. Stephen Feeney, Daniel Mortlock et leurs collaborateurs vont même encore plus loin en indiquant qu’ils ont trouvé six « impacts » potentiels. Ce qui signifierait que notre Univers est déjà rentré en collision avec d’autres univers au moins six fois au cours de son existence.  Voilà une idée excitante et séduisante, mais attention toutefois à bien garder à l’esprit que ces observations se font en utilisant les limites des instruments d’observations actuels, et là où certaines équipes voient des cercles concentriques, d’autres n’y voient que des fluctuations statistiques. Il faudra sans doute attendre quelques années et des instruments avec de meilleures résolutions pour départager les différents points de vues.

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Le même endroit sur Mars photographié à 18 ans d’intervalle.

Pour se remémorer comme parfois les observations sont trompeuses, on peut citer l’exemple du « visage » de Mars. Nous sommes en juillet 1976 lorsque l’orbiteur de la mission Viking 1 survole la planète rouge et photographie la région de Cydonia Mensae. Ce que les techniciens de la NASA découvre, est surprenant : ils voient un visage humain ! Une photographie non-retouchée ne saurait mentir : une intelligence extra-terrestre a réussi a construire un visage immense à la surface de Mars. Les égyptiens ont bien leurs pyramides. Les martiens auront leur montagne en forme de visage ! Bien sûr pour confirmer ou infirmer la photographie, un deuxième passage est requis. Malheureusement l’orbiteur de Viking 1 ne peut repasser au dessus de la région et il faut attendre 1998 pour que celui de Mars Global Surveyor reprenne un cliché de la région. Et le verdict est sans appel : il s’agit d’une vieille colline érodée qui photographiée 18 ans plus tôt sous un certain angle et à un certain moment, a laissé croire à l’existence d’un visage.

On comprend donc qu’une seule observation ne peut pas être considérée comme une preuve tangible et irréfutable. Toutefois, il serait tout aussi dommageable pour la science de ne pas prendre au sérieux ces observations. Elles ont le mérite de faire bouger et avancer les choses dans la cosmologie moderne qui ronronne depuis des décennies dans son modèle standard ΛCDM ( Λ pour la constante cosmologique, Cold Dark Matter) et qui a tendance à ricaner à toute autre alternative. Et ces observations de Penrose dans le fond diffus cosmologique sont éventuellement les premières à mettre en évidence l’existence de quelque chose au-delà de notre Univers. Quelles seraient les conséquences d’une telle découverte ? Premièrement, comme pour toutes les découvertes et assez paradoxalement, un apport de nouvelles questions : est-ce que la physique est la même dans ces autres univers que dans le notre ? Sont-ils connectés ? Ont-ils des interactions autre que d’éventuelles collisions ? Et bien sûr, si cette théorie de multivers (un ensemble de plusieurs univers dont notre Univers observable ferait partie) s’avère exacte alors nous pourrions envisager de nouveaux concepts philosophiques et c’est la définition même du mot univers qui serait peut-être même à revoir. Il est encore difficile de répondre à ces questions, surtout au regard de l’Histoire. Nous avons sans cesse repoussé les limites de l’Univers observable. Non pas parce que cet Univers n’existait pas, mais parce qu’il était hors de notre portée, de notre vision. Il est donc fort probable qu’un jour de nouvelles observations avec de nouveaux instruments toujours plus performants nous permettent de repousser à nouveau les frontières de l’Univers.

Les théories des univers multiples ne sont pas réservées exclusivement aux cosmologues. En effet depuis quelques dizaines d’années, des physiciens experts dans la mécanique quantique et des théoriciens des cordes se sont lancés dans l’exploration mathématiques de ces univers multiples fautes d’observations directes. Deux noms reviennent sur le devant de la scène lorsque vous invoquez les « multivers ». Il s’agit de Max Tegmark et de Brian Greene. Il y en a bien d’autre, mais arrêtons nous un moment sur ces deux chercheurs.

Le premier, Max Tegmark, est astronome théoricien au MIT (Massachusetts Institute of Technology). Pour y voir plus clair dans toutes les dénominations existantes (plurivers, omnivers, metavers, megavers…), ce cosmologue américain d’origine suédoise a décidé de mettre de l’ordre en présentant le concept de multivers en quatre niveaux. Le premier niveau comporterait les univers où la physique serait toujours la même que celle de celui où l’on vit. Au niveau deux nous aurions affaire à des univers où les lois de la physique seraient différentes d’un univers à l’autre. Au niveau trois, on commence à rencontrer des concepts d’univers de plus en plus abstraits. Contrairement au niveau 1 où les univers se trouveraient très conventionnellement les « uns à coté » des autres, au niveau 3 les univers se trouveraient dans une autre branche dimensionnelle de l’espace de Hilbert. Le niveau 4 est celui que Tegmark a du créer pour classer ses propres théories mathématiques. En effet d’après lui il ne fait aucun doute que le mutivers existe, mais la question qu’on doit se poser c’est de combien de niveau il est composé.

L’autre personnage fort de la théorie du multivers est Brian Greene, un théoricien des cordes qui parle de neuf types d’univers parallèles. En anglais on les nomme quilted, inflationary, brane, cyclic, landscape, quantum, holographic, simulated, ultimate et possèdent chacuns leurs particularités. Greene s’appuie lui aussi sur les mathématiques et la géométrie non-euclidienne (celle de nos écoles !) pour expliquer la présence de dimensions supplémentaires Bien souvent les critiques formulées à l’encontre de ces théories sont justement sur le fait que tout ceci n’est que spéculation. Il est possible si on maitrise parfaitement les mathématiques, de formuler toutes les hypothèses possibles où la seule limite est l’imagination. Et il est vrai que tant qu’aucune observation, aucune expérimentation ne seront faites, rien ne permettra de valider ces théories. Il est intéressant de noter d’ailleurs que la théorie de la relativité générale d’Einstein a reçue elle aussi en son temps les mêmes critiques. Pendant des décennies  il y eu trop peu d’observations de la mise en évidence de la théorie pour vraiment s’imposer (déviation des rayons lumineux en 1919  et explication du décalage du périhélie de Mercure). Puis lors des années 1960 et les grandes découvertes (fond diffus cosmologique et mise en évidence indirecte des premiers trous noirs), elle s’est imposée comme la théorie centrale de la cosmologie. Il existe donc encore beaucoup d’incertitudes autour de ce « multivers ».

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Illustration d’un trou de ver

Une chose est certaine par contre : les auteurs de science-fiction utilisent à des fins scénaristiques depuis plusieurs décennies cette idée d’univers parallèles.  Les œuvres les plus connues sont les films mettant en scène les voyages spatiaux. Dans des histoires où les distances à parcourir se chiffrent en milliers d’années-lumière, les auteurs, et Asimov le premier, choisissent de faire se déplacer les vaisseaux spatiaux dans ce qu’ils appellent l’hyperespace. L’idée est popularisée dans les films Star Wars. Le spectateur comprend que pour dépasser la vitesse de la lumière, il faut passer par une « faille » de l’espace-temps traditionnel, comme un vortex dimensionnel où pendant un moment le vaisseau se retrouvera dans un univers parallèle au notre. Mais il n’est pas nécessaire d’utiliser la théorie des multivers pour expliquer le voyage hyper spatial. Ce dernier pourrait s’expliquer par la géométrie de notre Univers. On a vu que d’après la théorie de la relativité générale d’Einstein, la matière et l’espace sont liés. Les équations d’Einstein prédisent également une singularité dans l’espace-temps que l’on appelle trou de ver. Toujours hypothétique, ces trous de ver ne doivent pas être confondus avec les trous noirs qui sont des objets qui ont été mis en évidence et qui possèdent un champ gravitationnel si intense que même la lumière ne peut s’en échapper. Les trous de ver sont des singularités qui permettraient de former un raccourci entre deux points de l’espace-temps. Pour comprendre comment celà pourrait fonctionner, nous allons tenter de l’expliquer à l’aide d’une illustration. Pour atteindre une des étoiles la plus proche du Soleil en suivant la trame de l’espace-temps et en voyageant à la vitesse de la lumière, il faudra 4,3 années pour l’atteindre. Imaginons que l’espace prenne une géométrie particulière comme sur l’illustration ci-dessus. On voit que le trou de ver forme un raccourci entre nous et Alpha du Centaure. Plus besoin de courir, il suffit de partir à point !

« Les solutions mathématiques aux équations d’Einstein promettent l’existence de trois types de trous de ver »

Les solutions mathématiques aux équations d’Einstein promettent l’existence de trois types de trous de ver. Le trou de ver de Schwarzschild, infranchissable ; le trou de ver de Reissner-Nordstrøm ou Kerr-Newman, franchissable mais dans un seul sens, pouvant contenir un trou de ver de Schwarzschild ; le trou de ver de Lorentz à masse négative, franchissable dans les deux sens. De toutes les œuvres de fictions, on retiendra tout particulièrement la saga Stargate où un engin appelé porte des étoiles relie différentes planètes de l’Univers, en créant un trou de ver de Reissner-Nordstrøm artificiel. Plus récemment, le film Thor compare le bifrost à un pont d’Einstein-Rosen (une légère extension de la solution de Schwarzschild).

Le futur des voyages interstellaires de l’humanité passera donc peut-être par ces trous de ver, mais avant de rêver de pouvoir les utiliser, il va d’abord falloir réussir à les mettre en évidence comme on a mis en évidence les trous noirs il y a quelques années. Les équations d’Einstein auront 100 ans l’année prochaine en 2015. Le bon moment pour une grande découverte ?

Une réflexion sur “L’histoire de l’Univers

  1. pierrebamony dit :

    L »astrophysique, même si elle demeure toujours une science de l’observation – autant dire qu’une expérimentation est très difficilement envisageable- est toujours fascinante par son absence de réponse dogmatique à nos profondes interrogations quant à une gnose de la nature des phénomènes physiques qu’elle étudie et examine.
    Venons-en à votre rapide « portrait » de l’histoire de cette science, de sa conquête de l’univers. Il me semble qu’avant l’avènement d’Einstein, on ne peut oublier le travail critique qu’a opéré Ernst Mach, qui a montré les limites de la Physique de Newton ; critique qui a ouvert la voie au triomphe d’Einstein ; avec la participation, dans une moindre mesure, du modèle mathématique de Poincaré.
    Par ailleurs, on trouve, en filigrane, l’hypothèse des trous noirs à la fois dans l’ensemble du système de Newton (mais qu’il ne comprenait guère) et notamment dans le système de Pierre Simon de La Place. Lui non plus, n’a pas jugé nécessaire d’accorder une quelconque attention à cette anomalie de l’univers.
    Au fond, la théorie des cordes n’est pas si absurde qu’elle en a l’air. Même si, pour le moment, des expériences en ce domaine semblent encore difficilement concluantes, il n’en demeure pas moins qu’elle semble de plus en plus une théorie sérieuse et mathématiquement plausible.
    En somme, l’Astrophysique n’a pas fini de surprendre.

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