La cosmologie

La cosmologie est l'étude de l'univers en son entier, c'est à dire son histoire et tout ce qu'il contient. C'est donc aussi l'étude de l'espace et du temps. La première question à se poser est peut-être : quand cela a t-il commencé ? La réponse n'est pas si simple qu'il y parait mais d'après nos connaissances, le début de notre univers est une singularité que nous appelons "Big Bang". Ce terme a été imaginé par l'astronome Britannique Fred Hoyle de façon ironique car pour lui, l'univers était stationnaire. En réalité, l'univers a toujours évolué. A l'instant du Big Bang il était très chaud et très dense. C'est le début de l'espace et du temps. Bien entendu, il est raisonnable de se demander d'où provient cette singularité, autrement dit, qu'y avait-il avant ? Là c'est compliqué et certaines théories ont été avancées. Mais pour l'instant, de notre point de vue, restons en à notre Big Bang. Et à vrai dire on en connaît pas grand chose, pour ne pas dire rien. En effet, les lois de notre physique ne nous permettent pas de remonter jusqu'à ce point. Malgré tout, nous n'en sommes pas loin. L'image ci-dessous résume cette histoire.

Tout d'abord nous savons qu'aujourd'hui l'univers est régi par quatre forces, ou "interactions" distinctes: la force nucléaire faible, la force nucléaire forte, la force électromagnétique et la force gravitationnelle. Au tout début, il est probable que ces forces n'en faisaient qu'une et qu'elles ne se sont dissociées qu'un peu plus tard. C'est ce que l'on appelle "l'ère de Planck", du nom du physicien Allemand Max Planck qui fut l'un des pères de la mécanique quantique. Nous sommes là jusqu'à 10^-43seconde après le Big-Bang. Dès lors, l'univers a commencé à se refroidir et à entrer en expansion. La gravitation commence à se se séparer des autres interactions. Puis à son tour, la force nucléaire forte se sépare de la force nucléaire faible. C'est la "brisure de symétrie".Cette période engendre une expansion exponentielle que nous appelons "inflation cosmique". Des particules comme les bosons W, Z et Higgs apparaisssent. Puis d'autres particules se créent comme les protons, les neutrons et les neutrinos. Nous sommes maintenant à environ 1 seconde après le Big-Bang. La plupart des protons et des neutrons s'annihilent avec leurs antuparticules. Et les photons font leur apparition. Ils sont encore en interaction avec des noyaux d'atomes et des électrons. Cette période va durer 380 000 ans. Ensuite les fusions nucléaires forment les atomes. C'est la nucléosynthèse primordiale. L'hydrogène et l'hélium4 dominent. Ensuite, la température qui continue à baisser, atteint 3 000 K (0K = -273°C). C'est alors que les électrons se combinent aux noyaux pour former des atomes. Les photons interagissent de moins en moins et peuvent donc se propager et l'univers devient visible.

Pour connaître ce qui s'est passé avant ces 10^-43seconde, il faudrait une autre physique connue sous le nom de "gravitation quantique". Ce serait en quelque sorte la cohabitation des lois de la mécanique quantique et de le relativité générale d'Albert Einstein. Autrement dit l'unification du macrocosmos (l'infiniment grand) et du microcosmos (l'infiniment petit). Actuellement deux principales théories tentent de s'en approcher : la gravitation quantique à boucles, et la théorie des cordes. Mais ni l'une ni l'autre ne sont parvenues à leur fin. Nous pourrions également y ajouter une troisième théorie appelée "MOND", qui modifie les lois de la gravitation.

Depuis les années 1930, nous savons que l'univers est en expansion. C'est en effet à cette époque que l'astronome américain Edwin Hubble a démontré que les galaxies s'éloignaient les unes des autres, en analysant le "décalage vers le rouge" ou "redshift". Ce phénomène avait été prédit par un prêtre belge, l'abbé Lemaître. Mais Hubble a étudié des étoiles variables de type "Céphéides", découvertes un peu plus tôt par Henrietta Leavitt, et leur a appliqué la relation "période-luminosité". En analysant leur spectre il a constaté le décalage vers le rouge. L'univers est donc en expansion et les objets qu'il contient, comme les galaxies, s'éloignent les unes des autres, et à une vitesse d'autant plus élevée que leur distance s'accroit. De plus, en 1998, une équipe de chercheurs a constaté que non seulement l'univers était en expansion, mais que cette expansion s'accélère. Cette découverte a valu le prix Nobel de physique à S. Perlmutter, B.P. Schmidt et A.G. Riess. Mais alors, la force d'attraction ne joue donc plus son rôle ? En effet, une autre autre force s'y oppose. Il s'agit d'une énergie sombre qui baigne l'univers. A vrai dire, malgré les moyens techniques sophistiqués dont nous disposons à notre époque, nous ne connaissons guère plus de 5% de l'univers. L'essentiel étant composé de cette énergie sombre et de matière que nous n'avons pas encore identifié, et que nous appelons "matière noire". Il s'agit d'une sorte de matière exotique qui échappe à notre connaissance. Même le plus grand accélérateur de particules du monde, le Large Hadron Collider (LHC) du CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire), n'est parvenu à repérer cette étrange matière. Donc, l'univers est en expansion, en quelque sorte il se dilate de plus en plus. Alors, si nous repassons le film en arrière nous constaterons que l'univers se referme sur lui-même, que sa température et sa densité augmentent de plus en plus jusqu'à cette singularité qui est le Big Bang. Mais qu'est ce qui nous permet d'être aussi affirmatif ? Et bien c'est un peu comme un archéologue qui, lors d'une fouille, découvre un vestige lui permettant de remonter dans un lointain passé. En astronomie, nous avons ce vestige. C'est le fond diffus cosmologique ! Il s'agit d'un rayonnement électromagnétique homogène, présent dans toutes les directions. C'est un reliquat de la naissance de l'univers, un fossile. Sa découverte fut révélée en 1964, de façon accidentelle. Deux physiciens américains, Arno Penzias et Robert Wilson, travaillant pour le laboratoire Bell, développaient un nouveau type d'antenne afin de relayer les communications téléphoniques entre la Terre et des satellites en orbites. Ils furent très surpris car quelle que soit la direction vers laquelle ils pointaient leur antenne, ils percevaient un bruit de fond parasite. Ils pensèrent d'abord que des déjections de pigeons étaient la cause de ce bruit de fond, et nettoyèrent l'antenne de fond en comble. Mais rien n'y fit.

Peu de temps après ils prirent connaissance, par un collègue, de l'hypothèse d'un rayonnement de fond, que recherchaient d'autres chercheurs, Dicke, Peebles et Wilkinson. Penzias et Wilson contactèrent ces derniers et leur firent part de leur découverte. Ils en revendiquèrent la paternité. Ce rayonnement a une température d'un peu moins de 3K, donc proche du zéro absolu. De 1989 à 1994 le satellite COBE (cosmic backround explorer) mesura son intensité. De 2001 à 2010, un autre satellite "WMAP" (Wilkinson microwave anisotropy probe) fit le même travail, de façon plus précise. Puis de 2009 à 2013 le Satellite "Planck" prit le relais avec une très grande définition (images ci-dessus). On peut y voir des fluctuations de température mais en réalité elles sont infimes (1/100 000). On peut donc dire que l'univers est homogène et isotrope. Mais le satellite Planck a également démontré que l'univers était constitué d'environ 5% de matière ordinaire (matière baryonique), 68% d'énergie sombre et 27% de matière noire. Penzias et Wilson furent récompensés par le prix Nobel de physique en 1978.

Reprenons notre histoire. 380 000 ans après le Big Bang l'univers est devenu transparent. Les particules massives et les photons interagissent de moins en moins. Nous savons que les fluctuations de l'univers étaient infimes. Cependant elles suffisent pour expliquer la structure de l'univers actuel aux grandes échelles. Presque toute la matière était constituée de nuages d'hydrogène et d'hélium. Peu d'étoiles brillaient, c'est ce qui s'appelle "l'âge sombre". La formation stellaire semble n'avoir débuté que dans les 200 millions d'années après le Big Bang. Cette première génération d'étoiles est appelée "population III". Ce sont elles qui ont fourni les premiers éléments lourds de l'univers. Plus tard, entre 600 millions et 6 milliards d'années la formation des étoiles fut intense et formèrent les galaxies, mais ces formations restent encore difficiles à appréhender. La nature et la localisation précise de la matière noire aiderait à mieux les comprendre. Il est probable que l'attraction gravitationnelle de cette matière est responsable de l'effondrement de gaz, stimulant ainsi la formation de trous noirs supermassifs et des galaxies.

Cette loi de la gravitation universelle, nous la devons à l'astronome Britannique Isaac Newton (25 décembre 1642 - 25 mars 1727, selon le calendrier Julien Anglais de l'époque). Newton développa également le calcul infinitésimal, il décomposa la lumière blanche et inventa un télescope dont le principe optique est encore largement utilisé de nos jours. Mais l'architecture de notre univers fut surtout décrite plus tard par le physicien Albert Einstein (1879 - 1955) avec sa théorie de la relativité restreinte en 1905, et sa relativité générale dix ans plus tard. La première décrit comment le mouvement affecte les notions de distance, de temps et d'énergie, mais sans tenir compte de la gravitation. La seconde explique comment la géométrie de l'espace-temps est affectée par la présence d'énergie et surtout de la matière, qui courbe cet espace-temps. A noter qu'Einstein reçu le prix Nobel de physique en 1921, non pas pour sa relativité mais pour sa description de l'effet photoélectrique. Toujours est-il que cette relativité a bouleversé notre compréhension de l'univers à grande échelle.

Un objet massif, comme par exemple une planète, courbe les rayons lumineux. Et plus l'objet sera massif, plus cette courbure sera prononcée. C'est ainsi que, comme le montre l'image ci-dessus, lorsque nous regardons une étoile, la lumière qui nous en parvient peut être déviée par des objets qui se trouvent entre nous et l'étoile. Nous ne la voyons donc pas exactement à l'endroit où elle se trouve réellement. Einstein calcula cet effet par le Soleil. Le 29 mai 1919 avait lieu une éclipse solaire totale. L'astrophysicien Arthur Eddington se rendit à Sao Tomé et principe pour observer le phénomène. Lors de la phase de totalité il mesura la position d'étoiles dont la direction apparente passait non loin du Soleil. La masse de ce dernier devait dévier les rayons lumineux, selon les affirmations d'Einstein. Après mesure de la position des étoiles sur des plaques photographiques, le résultat fut sans appel : Einstein avait raison.

De nos jours, l'objectif est de connaître l'origine de notre univers et donc de ce "Big-Bang". Autrement dit, le point de départ de notre connaissance en la matière. C'est ce que nou appelons la "gravitation quantique" comme nous l'avons vu plus haut. Elle réunit deux physiques: l'une concerne l'infiniment grand (macrocosme) et se apporte à la relativité générale d'Einstein. C'est la physique du "déterminisme". L'autre se rapporte à l'infiniment petit (microcosme) et se rapporte à la mécanique quantique fondée au début des années 1900. C'est la physique du "probabilisme". Dans cette dernière, les particules deviennent des fonctions d'onde appelées "quanta". Seul le language mathématique nous aidera à y voir plus clair, mais cela demandera sans aucun doute beaucoup de temps!