La théorie du Big Bang

L'avenir de l'Univers (VI)

Nous savons déjà que dans 3.07 milliards d'années, la galaxie d'Andromède Messier 31 et la Voie Lactée fusionneront, M31 se rapprochant actuellement de notre Galaxie à la vitesse de 115 km/s. En étudiant l'évolution dynamique de ce système, nous pouvons d'ores et déjà dire que les risques futurs pour notre survie seront négligeables; peut-être nos descendants assisteront-ils à quelques tremblements de terre mais en général les effets gravitationnels seront insignifiants; dans notre proche voisinage le vide s'étendra en moyenne sur 3 années-lumière entre chaque étoile.

La collision entre la Voie Lactée et M31 Simulation de la collision entre la Voie Lactée et M31 qui aura lieu d'ici 3.07 milliards d'années. Le programme de simulation a exploité un algorithme de perturbations à N-corps et calculé les positions d'environ 20 millions de particules-tests. Les cinq étapes représentées sont séparées d'environ 400 millions d'années. Cliquer sur l'image pour lancer une animation (MPEG de 10 MB). Document John Dubinski/Université de Toronto.

Dans 5 milliards d'années environ, dans une crise de vieillesse, le Soleil se transformera en géante rouge, rendant toute vie impossible sur Terre et provoquant l'évaporation des océans ainsi que de l'atmosphère. Il se refroidira ensuite et terminera sa vie 50 millions d'années plus tard sous la forme d'une petite étoile naine de 1500 km de diamètre. Au début très chaude (10000 K en surface), elle ne mettra que quelques millions d'années pour se transformer en corps glacé.

Si l'univers continue son expansion au rythme actuel, il peut durer encore une centaine de milliards d'années (10¹¹ ans) sans grand changement. Dans 700 milliards d'années environ (7x10¹¹ ans après le Big Bang), nous assisterons à l'épuisement lent des réserves d'énergie nécessaires à la nucléosynthèse stellaire, avec la transformation progressive du noyau des étoiles en fer, la structure atomique la plus stable.

A cette époque la température de l'univers aura atteint le seuil de Gibbons-Hawking, 10^-29 K, le zéro absolu à quelques décimales près.  

Au bout de 5000 milliards d'années (5x10¹² ans après le Big Bang), toutes les étoiles de la galaxie se transformeront en corps sombres, naines noires, étoiles à neutrons et trous noirs. Quelques traces de gaz interstellaires subsisteront, mais ils seront trop lourds et trop dilués que pour former de nouvelles étoiles. Les galaxies situées au-delà de l'amas local seront invisibles. A côté de ces corps, nous retrouverons les planètes devenues stériles et désertiques ainsi que la poussière interstellaire dont les composants seront devenus stables et neutres.

Dans cent mille milliards d'années (10¹⁴ ans après le Big Bang), nous assisterons à la fin de la période stellaire : tous les atomes de fer vont se transformer en neutrons, transmutés suite à la pression de Fermi. Les électrons en orbite en dehors du noyau s'affranchiront des forces d'interaction qui lient les atomes et se combineront avec les protons en libérant des neutrinos. Ceux-ci continueront de transporter 30% de l’énergie de décroissance de la matière. Si la pression que les neutrons exercent pour s'opposer à la gravité n'est pas assez élevée, les étoiles les plus massives deviendront des trous noirs.

Les étoiles naines blanches se refroidiront durant 10¹⁷ ans jusqu’à 5 K, où leur température interne sera libérée dans la décroissance de leurs nucléons. Les étoiles neutrons atteindront 100 K au bout de 10¹⁹ ans. Et de façon similaire, la décroissance de leurs noyaux entretiendra cette température.

Entre 10 mille et 10 milliards d'années plus tard, soit 10¹⁸ à 10²⁴ ans après le Big Bang, tous les corps agencés sous forme de systèmes multiples seront perturbés par la gravitation. Cela commencera par les planètes qui s'échapperont des systèmes stellaires en perdition et erreront au gré de l'influence des champs gravitationnels.

En étudiant l'interaction gravitationnelle de deux particules sur une très longue période de temps et son extrapolation à "N-corps", on peut supposer que la plupart des étoiles seront expulsées hors des galaxies. Le petit pourcentage restant, qu'il est impossible de déterminer se tassera progressivement au centre des galaxies et la gravitation finira par n'en former qu'une immense étoile. Tandis que sa densité augmentera, son noyau finira par s'effondrer pour former un gigantesque trou noir galactique d'une masse équivalente à des centaines de milliards de soleils. Le centre de ces galaxies fera l'objet de forces de répulsions gravitationnelles très importantes et sera le spectacle de gigantesques explosions de matière et de rayonnement, à l'instar de ce que nous observons actuellement au sein des galaxies actives ou des quasars les plus brillants.

La signature des trous noirs galactiques La matière qui s'effondre sur le trou noir situé au centre de cette galaxie forme un disque d'accrétion qui est trop petit pour être visible sur cette illustration. En s'effondrant, une certaine quantité de matière reste confinée dans la région de l'ergosphère du trou noir. Sous l'emprise d'un intense champ magnétique, cette matière subit un effet accélérateur qui lui donne suffisamment d'énergie pour s'échapper à une vitesse relativiste. Etant donné que le disque d'accrétion l'empêche de se dissiper dans le plan du disque, les seules échappatoires sont les régions polaires du trou noir qui éjectent un important flux de matière à grande distance sous forme de jets très directifs et de forte énergie.

 Dans les amas de galaxies, une réaction équivalente se produira. Quelque 10²⁷ années après le Big Bang, 10% à 99% des galaxies seront expulsées et deviendront des trous noirs galactiques, la matière restant formant des trous noirs supergalactiques. Leur masse est estimée à 1000 milliards de soleils (si 10% des galaxies ne sont pas éjectés) condensés dans un espace de 0.3 a.l., environ 3000 milliards de km. Mais il se peut aussi, suite aux perturbations gravitationnelles, que les galaxies d'un amas se fondent en une seule, qui finira également par se transformer en un trou noir. Finalement, au bout d'un milliard de milliard de milliard d'années (10²⁷ ans), seuls les trous noirs situés au sein des superamas de galaxies subsisteront, entourés de près par un disque d'accrétion dispensateur d'énergie.

Mais les théories de Grande Unification qui décrivent l'asymétrie matière-antimatière stipulent que le proton, sur lequel toute la physique a fondé son édifice, n'est pas éternel et a une demi-vie supérieure à 10³¹ ans. Cela signifie que tous les corps se dissocieront au bout de cette période pour se décomposer en électrons, positrons, neutrinos et photons. Ce processus a théoriquement déjà lieu : tous les dix ans, chaque tonne de matière devrait perdre un proton qui se transforme en énergie.

Toute la matière, y compris les galaxies et tout leur combustible nucléaire, les cirrus galactiques et le plasma qui baigne l’espace, devraient disparaître au bout de 10³² ans. Cependant, les électrons créés pendant les décroissances ne pourront être annihilés par les positrons étant donné l’extrême raréfaction du milieu.  

Vers 10³⁵ ans après le Big Bang nous assisterons à l'épuisement de tout le combustible stellaire.

La gravitation quantique prévoit que le proton doit se désintégrer avant 10⁵⁰ ans. Elle prédit également que l'espace est instable, rempli de trous noirs "virtuels". Selon Hawking, si un proton est abandonné à lui-même, il a de fortes chances d'être absorbé par l'un d’entre eux en libérant une particule de matière ou des photons. Cela peut se produire sur une longue période de temps, dans une fourchette comprise entre 10⁴⁵ et 10⁵⁰ ans.

Sans matière, au bout de 10⁵⁰ ans, il ne subsistera dans l'Univers que des photons, des neutrinos et des trous noirs. Le rayonnement dominera à nouveau. Les neutrinos étant insensibles à l'interaction faible et à la gravité, ils n'interagiront en général qu'avec eux-mêmes. Mais l'effet tunnel de la physique quantique nous rappelle qu'au bout d'un certain temps, spontanément la matière peut se transformer sans aide extérieure, les particules pouvant franchir des barrières infranchissables pour la physique classique.  

Un univers de rayonnement Dans un trillion de trillion de trillon de siècles (1050 ans), le rayonnement dominera à nouveau dans l'univers. Il sera uniquement composé de photons, de neutrinos et de trous noirs dépourvus de disque d'accrétion, non pas en raison de leur masse colossale (bien qu'elle le sera) mais du fait que la matière n'existera plus depuis longtemps ! Sans étoiles pour éclairer l'univers, ce sera l'ère des ténèbres qui, bien plus tard, sera localement illuminé par l'évaporation explosive des trous noirs.

Si la matière ne se désintégrait pas, le diamant pourrait se transformer en fer, le polygone le plus régulier deviendrait sphérique. Mais l'évolution ne sera pas achevée pour autant. Dans ces conditions mais bien plus tard encore, les forces de la nature transformeront les boules de fer en neutrons et les étoiles massives en trous noirs. Selon la théorie d'Hawking, l'effondrement continu de la matière entraînera une élévation de la température électronique de quelques milliards à plus de 10²⁴ K, provoquant un processus quantique d'évaporation qui libérera un flot intense de rayonnement gamma.

La densité du rayonnement dans cet Univers en éternelle expansion diminuera plus rapidement que la densité du plasma d’électron/positron car la densité des particules et l’énergie de chaque quantum continueront à décroître ensemble. En fait, la densité moyenne de la matière ordinaire décroît uniquement parce que sa concentration diminue en vertu de l’expansion de l’Univers. La densité de ce type de matière diminuera donc mais à un rythme inférieur à celui du rayonnement.

A cette époque, chaque particule occupera un volume égale à 10¹⁸⁵ fois le volume actuel de l’univers visible. Si l’univers visible occupe aujourd’hui un volume grosso modo égal à 15 milliards d’années-lumière de rayon, à cette époque il mesurera un multiple de 10⁷² années-lumière !

En tenant compte des premières esquisses de la gravitation quantique, rappelons que Hawking a prédit que lorsque ces trous noirs seront plus chauds que le rayonnement fossile (quelques millionièmes de kelvins au-dessus du zéro absolu) ils rayonneront davantage d'énergie qu'ils en absorberont. Les calculs prédisent que les mini trous noirs de 10 M_¤ s’évaporeront au bout de 10⁶⁹ ans, libérant des photons, des neutrinos et des gravitons. Les trous noirs galactiques les plus massifs, d'une température de l'ordre de 10^-15 K, devraient survivre 10⁹⁰ avant de s'évaporer dans l'espace, tandis que les trous noirs supergalactiques (10^-18 K) persisteront 10¹⁰⁰ ans. Cette échéance ultime fonction de la masse des trous noirs a été fixée par Freeman Dyson à condition que les trous noirs virtuels ou de très petites dimensions puissent exister, ce qui n'est pas démontré. Ce temps de Dyson est la plus longue durée que l'esprit humain puisse concevoir. A cette époque, la température de l'Univers sera tombée à 0 K, le premier chiffre significatif étant placé à la 60^eme position derrière la virgule !

La perte de masse des trous noirs par évaporation sera finalement supérieure à la force de la gravitation qui ne pourra plus contenir la matière sous l'horizon des événements. A terme, le ciel sans étoiles, devenu noir d'encre, s'illuminera de flashes intenses provoqués par l'explosion des trous noirs. Dans ce grandiose feu d'artifice final, la matière recyclée retournera à l'espace avec une nouvelle identité, neutrinos, rayons X et photons. Le rayonnement continuera d'exister dans un Univers en perpétuelle expansion. Sa densité diminuera mais sera toujours supérieure à celle du corps noir. La température tendra vers le zéro absolu sans jamais l'atteindre.

Mais ce ne sera pas pour autant la fin de tous les processus physiques. Les fluctuations du vide lui-même peuvent perdurer encore longtemps, alors même que tous les processus astrophysiques auront pris fin. Dans l’Univers d’après-demain, dans lequel l’échelle des distances sera très différente de celle que nous manipulons aujourd’hui, dans lequel les processus seront ralentis par le froid intense et l’isolement des particules, J.D.Bernal et F.Dyson pensent que des systèmes vivants pourront encore exister.

Finalement, lorsque la matière atteindra 0 K, elle deviendra "transparente", les électrons par exemple, s’ils existent encore, pourront la traverser sans être dispersés. Même le diamant perdrait ses qualités. Mais puisqu'il n'y aura plus d'énergie, le mouvement brownien sera interrompu. Dommage car cela nous aurait permis quelques libéralités vis-à-vis des lois traditionnelles; rappelez-vous les propriétés étonnantes des corps supraconducteurs par exemple. Tout ceci bien sûr n’est que spéculation car ces idées reposent sur des lois d’une physique encore mal maîtrisée.

Voilà en quelques mots un résumé de la théorie du Big Bang chaud. Alliée au modèle LCDM, elle peut expliquer avec plus ou moins de cohérence la formation des éléments, les décalages spectraux des galaxies, le rayonnement des quasars ou la formation des superamas de galaxies. Alliée à la physique quantique et à la relativité générale, cette théorie cosmologique a de fortes chances, rationnellement parlant, de gagner à sa cause tous les cosmologistes, faute d'une explication plus appropriée et plus simple, le Maître de cérémonie ayant quitté la scène sans laisser de notes.

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