L'origine de l'Univers 2/2

Puis l’histoire se ralentit

La suite du film est un peu mieux connue, car les télescopes actuels commencent à apercevoir ce qui s’est produit à la sortie de l’âge des ténèbres, moins d’un milliard d’années après le big bang : d’une part, l’Univers d’alors est peuplé de quasars ; d’autre part, il semble constellé de petits amas stellaires, d’environ cinq cents années-lumière et comptant des centaines de milliers d’étoiles. Les deux théories seraient donc compatibles : trous noirs et amas d’étoiles supergéantes auraient cohabité dès l’origine.

Ces petits amas stellaires, apparus probablement moins de 200 millions d’années après le big bang, se sont progressivement agglomérés en galaxies, comme le révèle le télescope spatial Hubble lorsqu’il « sonde » l’Univers dans le premier milliard d’années. Il nous donne à voir des galaxies plus petites, plus brillantes et plus actives qu’aujourd’hui : nombre d’entre elles sont surprises en plein épisode de fusion avec une ou plusieurs petites voisines…

Les quatorze milliards d’années suivantes n’ont guère apporté de progrès : les astronomes supposent que des galaxies géantes comme la nôtre, la Voie lactée, qui compte des centaines de milliards d’étoiles, ont progressivement grossi, en absorbant, au fil des éons, ces amas d’étoiles primordiaux, puis des galaxies entières. Ainsi, presque dix milliards d’années jour pour jour après le big bang, une étoile de taille moyenne est apparue, notre Soleil, entourée d’un cortège de neuf planètes, mais ceci est une autre histoire…

Où se situe l’étoile la plus vieille de l’Univers ?

Elle répond au doux nom de HE 0107-5240 et brille faiblement, à quelques 36.000 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Phœnix. Cette étoile géante rouge, à peine moins massive que le Soleil, mais cinq fois plus lumineuse que lui, est une aïeule, peut-être la plus vieille étoile connue dans l’Univers, à condition de détrôner l’actuelle recordwoman, CS 31082-001, âgée de 14 milliards d’années. Elle a été découverte par l’équipe de Christlieb et Bessell à l’Observatoire européen austral (ESO) avec le Very Lage Telescope.

A leur grande surprise, les astronomes ont découvert que HE 0107-5240 était presque entièrement constituée d’hydrogène et d’hélium primordiaux ! Elle contient moins de 0,001 % d’éléments lourds. HE 0107-5240, dont l’âge compris entre 13 et 14,5 milliards d’années, n’a pas encore pu être précisé, est probablement « fille » d’une étoile encore plus ancienne, dont elle a hérité des atomes de fer lorsque l’ancêtre, transformée en supernova, est morte dans un éclair fulgurant.

III – Quand les télescopes voient loin dans le passé

Pour les télescopes, voir loin, c’est lire le passé. Et aujourd’hui, ils parviennent à scruter l’Univers jusqu’à 14 milliards d’années. Mais les prochaines générations d’instruments, qu’ils soient au sol ou dans l’espace, promettent de remonter encore plus loin !

La lumière émise par l’astre le plus lointain jamais observé, le quasar J103027+052455, date de plus de 14 milliards d’années… Comment peut-on établir cette date ? Les télescopes sont, en fait, des « machines à remonter dans le temps » : comment la lumière se déplace à 300.000 km/s, il suffit d’observer loin dans l’espace pour assister à des événements situés loin dans le passé. Observer à 14 milliards d’années-lumière de distance (la lumière parcourt 10.000 milliards de km par an) donne une image de l’Univers d’il y a 14 milliards d’années.

 

Aujourd’hui, on ne parvient pas à remonter au-delà. Il faudra attendre la nouvelle génération d’instruments, qui verront le jour entre 2006 et 2020. Les astronomes prévoient ainsi l’installation dans la Cordillère des Andes des soixante antennes du réseau américain-européen Alma, puis la mise en orbite du télescope de 6 m, James Webb, et enfin, de nouveau sur Terre, la construction des télescopes infrarouges géants, comme le NGCFHT de 25 m, ou l’européen Owl, de 100 m de diamètre ! Un arsenal pour voir naître «  en direct » la première génération d’étoiles, apparue 100 millions d’années après le big-bang.

Curieusement, les cosmologistes connaissent beaucoup mieux la période précédente, 300.000 ans seulement après le big bang, lorsque la formation des premiers atomes s’est accompagnée d’un grand « flash lumineux », tellement intense qu’il est encore visible ! Observé par le satellite Cobe, en 1992, et actuellement par le satellite MAP, il le sera encore, en 2007, grâce à Planck. Plus sensibles, ces deux derniers verront les « germes » des étoiles et des galaxies.

Des piscines à neutrinos

Et avant 300.000 ans ? L’Univers est un brouillard opaque et impénétrable. En théorie, selon les physiciens, à mesure que diminue la densité de l’Univers naissant, sont apparues successivement les différentes forces fondamentales de la nature. Prédictions vérifiées, en 1983, dans le grand accélérateur-collisionneur du Cern, le LEP. En reconstituant les conditions qui régnaient un millième de milliardième de seconde après le big bang, il a vu la force électronucléaire se séparer en deux forces distinctes, l’électromagnétique et la nucléaire faible. Et en 2000, le même accélérateur européen recréait le plasma de quarks et de gluons, qui peuplait l’Univers quelque 10-33 seconde après le big-bang !

Pour détecter le flux de neutrinos émis par la naissance de la force nucléaire faible, les astrophysiciens ont enfoui des piscines bardées de capteurs (Amanda, sous les glaces de l’Antarctique, ou Antarès au large de la Côte d’Azur). Ces « télescopes » nous renseigneront sur l’état de l’Univers quelques secondes après le big bang.

Quant aux « télescopes à ondes gravitationnelles » Virgo, près de Pise, et les jumeaux Ligo, en Louisiane et dans l’Etat de Washington, personne ne sait encore s’ils sont assez sensibles pour enregistrer les ondes émises par la gravitation au moment même du big bang. Une version spatiale de télescope gravitationnel pourrait, elle, détecter le tout premier souffle de l’Univers. C’est le but du projet d’interféromètre américano-européen Lisa, prévue aux alentours de 2020.

 

IV – L’instant zéro reste encore une énigme

Si la théorie du big bang est aujourd’hui admise, personne ne sait en quoi a constitué cet événement d’où l’Univers a surgi. Or, si pour certains « l’instant zéro » reste inconcevable, d’autres en proposent aujourd’hui d’incroyables visions.

En moins d’un siècle, astronomes et physiciens ont réussi l’exploit de dépeindre avec une étonnante précision la grande fresque universelle. Toutefois, une pièce du puzzle leur échappe encore : que s’est-il passé « à l’instant zéro », lors du premier « tic » de la grande horlogerie cosmique ? Aujourd’hui, dix millionième de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde (10-43 seconde) les séparent toujours de cette ultime connaissance. Et cela fait 70 ans qu’elle les fuit. Très précisément depuis les années 1930 et la théorie du big bang qui, dans le sillage de la relativité générale d’Einstein, affirme que la gravitation est une propriété essentielle de l’espace-temps, ce dernier étant déformé, « courbé », par les objets massifs qui le peuplent. Du coup, lorsque les physiciens ont voulu « lire » le big bang à l’aune des équations de la relativité, celles-ci ont répondu, en substance : « A l’instant zéro, l’Univers n’avait pas de dimensions, sa température et sa densité étaient infinies. » Un résultat inconfortable, car, pour les physiciens, les valeurs infinies marquent la limite de leurs modèles.

Dans cette perspective, Jean-Marc Lévy-Leblond, physicien à l’université de Nice, aime à rappeler ce que disent les équations cosmologiques : « L’instant zéro n’appartient pas à la théorie du big bang. »

Et si le zéro valait l’infini ?

Et de comparer l’instant zéro à d’autres grandeurs physiques, en apparence finies elles aussi, comme, par exemple, le zéro absolu des températures (0 K ou –273,15° C) : « Le zéro absolu, malgré sa valeur en apparence modeste et précise, n’existe pas dans la nature ; il se dérobe éternellement, c’est une sorte d’horizon inaccessible… » Ainsi, l’instant zéro de la cosmologie est-il sans doute un songe, l’expression de notre fantasme d’assigner au monde une date de naissance, une origine intelligible. Comme le souligne encore Jean-Marc Lévy-Leblond : « Au fond, on pourrait tout aussi bien dire que le big bang… n’a jamais eu lieu. »

Plus grave : la vision traditionnelle, essentiellement géométrique, de la relativité générale ne cadre pas du tout avec l’autre grande construction de la physique du XXe siècle, la mécanique quantique. De fait, aux échelles minuscules (de l’ordre de 10-30 mm), le cosmos d’Einstein s’avère incompatible avec le monde quantique : lorsque l’Univers était âgé de moins de 10-43 seconde, en cette « ère de Planck », les notions même d’espace et de temps deviennent en effet caduques pour la mécanique quantique.

 

Dans ces conditions, le big bang, c’était quoi, finalement ? La réponse est simple : personne n’en sait rien ! A peine peut-on imaginer une fantastique machine à remonter le temps, qui nous transporterait dans l’ère de Planck : il semble alors que nous verrions le monde devenir flou, puis notre machine cesserait tout simplement de fonctionner : son chronomètre, aux alentours de 10-43 seconde, tomberait en panne : un 10-44^ème de seconde, il se pourrait que cela n’existe pas…

L’origine du monde doit-elle alors être abandonnée à la métaphysique ? Les cosmologistes s’y refusent, qui maintiennent, malgré tout, le big bang dans le giron de la problématique scientifique. Et leurs travaux débouchent, aujourd’hui, sur les plus folles visions. Depuis une dizaine d’années, des physiciens et des mathématiciens travaillent sur une nouvelle théorie, dite théorie « M » (pour « Mother »), élaborée à partir de la fameuse théorie des cordes, pour qui des dimensions se cachent dans l’Univers. Dans l’ère de Planck, le cosmos serait ainsi un univers à dix dimensions, mélange abstrait d’espace, de temps et d’énergie. Toutefois, la vertigineuse complexité mathématique de cette théorie déroute les physiciens, à tel point que pour certains, elle est arrivée trop tôt pour être compréhensible. Un peu comme si on avait offert à Isaac Newton le manuscrit original de la relativité générale. Pire : la théorie M est aujourd’hui indémontrable, car les physiciens ne disposent pas encore d’outils pour la tester. Rendez-vous, peut-être dans dix ou vingt ans…

Du big bang au « big crunch »

Pourtant, à partir de cette théorie en devenir, certains physiciens commencement déjà à esquisser de nouvelles images du monde. C’est ainsi que Paul Steinhardt (université de Princeton) et Neil Turok (université de Cambridge) réécrivent de manière radicale l’histoire de l’Univers. Pour eux, « le big bang n’est qu’un épisode d’une succession illimitée d’explosions-implosions de l’Univers, intervenant tous les mille milliards d’années environ… » Selon le modèle « ekpyrotique » (d’après le grec ekpyrosis conflagration) qu’ils ont élaboré, l’Univers, actuellement en expansion accélérée, va progressivement ralentir, puis se recontracter, avant de disparaître dans l’éclair fulgurant du « big crunch », lequel donnera naissance à un nouveau big bang, et ainsi de suite, ad vitam aeternam… Leur modèle découle à la fois de la théorie des cordes, des théories sur les univers à dimensions multiples et d’une grande énigme cosmologique, l’accélération de l’expansion de l’Univers sur l’origine de laquelle on se perd en conjectures.

 

Andréï Linde va encore plus loin. Sa théorie de l’Univers inflatoire auto-reproducteur suggère que le cosmos provient d’une fluctuation de l’énergie quantique d’un autre univers, lequel est né d’une fluctuation quantique d’un autre univers, etc. Pour ce professeur de physique à l’université de Stanford, qui emprunte autant à la physique qu’à la théorie de l’évolution des espèces de Charles Darwin, « notre » Univers n’est qu’une expérience parmi une infinité d’autres. Linde perçoit l’Univers, ou plutôt le « Multivers », comme une immense structure fractale, « ou encore comme un arbre, dont chaque grosse branche donne naissance à de plus petites branches, à des rameaux et ainsi de suite… » Sauf que « l’arbre cosmique » de Linde est peut-être infini dans l’espace et dans le temps : « Rien, dans ma théorie, n’indique de commencement ni de fin à l’Univers. » Vertigineuse autant qu’indémontrable, la vision d’Andréï Linde fait de plus en plus d’adeptes, pour qui ce modèle cosmologique permet de résoudre un problème philosophique irritant, connu sous le nom de principe anthropique et que l’on peut poser comme suit : pourquoi les forces de la nature ont-elles été réglées précisément dès le big bang, de façon à donner naissance à un Univers où l’homme puisse exister ?

Pourquoi cet Univers-là ?

Il suffirait, en effet, de changer d’une infinitésimale valeur un quelconque paramètre physique  pour que l’Univers ait connu une histoire profondément différente : Univers éphémère, implosant en un millième de seconde ; Univers infini, éternel, mais totalement vide ; Univers glacial et figé ; ou trop petit, trop grand, trop chaud, ou trop dense, trop homogène, etc. Que l’évolution cosmique, en quinze milliards d’années, ait permis la naissance des galaxies, des étoiles, des planètes, de la vie, de la conscience, relève d’une succession de hasards prodigieux, sauf, bien sûr, à adopter une vision déterministe du monde. Au final, Andréï Linde fait élégamment l’économie de la magie du monde : pour lui, tous les cosmos possibles et imaginables coexistent dans l’infini de l’espace et du temps, et nous vivons simplement dans celui qui nous a permis d’apparaître. Paradoxe : de tous les discours sur le monde, le plus en vogue aujourd’hui évacue la seule vraie question, celle de l’origine…

La fin de l’Univers stable

Paradoxalement, le succès fulgurant de la théorie du big bang fut assuré par son plus terrible opposant, l’astronome anglais Fred Hoyle (1915-2001). Il avait introduit l’expression « big bang pour ridiculiser la théorie. Il faut dire qu’en 1950, avec Hermann Bondi et Thomas Gold, il avançait l’hypothèse d’un Univers en expansion éternelle sans fin ni commencement. Théorie qui n’expliquait pas le rayonnement de fond cosmologique ou la composition chimique des étoiles mais surtout qui ne résiste pas aux observations actuelles. D’autres chercheurs s’opposent encore au big bang. L’américain Halton Arp conteste même l’expansion ! Il s’appuie sur des images d’astres semblant proches dans le ciel et dont les distances différent quand on les mesure à l’aune de la vitesse d’expansion, comme le couple de galaxie NGC 4319-Mk 205. Pour Arp, les deux astres sont situés à 80 millions d’années-lumière et reliés par un « pont d’étoiles ». Mais cet été, Hubble a scruté le couple NGC 4319-Mk 205 en détail. Verdict sans appel : le pont d’étoiles n’était qu’un défaut dû à l’imperfection des premières observations. Les deux objets sont, en fait, situés, l’un à 80 millions d’années-lumière, l’autre à 1 milliard. Le big bang a donc de beaux jours devant lui.