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Le Big Freeze
L'avenir de l'Univers Penchons-nous sur l'avenir de l'Univers pour comprendre ce que deviendront les astres à long terme et quelles seraient les possibilités de survie dans un Univers qui deviendra de plus en plus froid et dont les ressources d'énergie s'épuiseront. Notre outil est la théorie du Big Bang qui nous décrit non seulement le passé de l'Univers mais également son avenir. Se déroulant en des éons qui se chiffrent en multiples de milliards de milliards d'années voire bien davantage, on peut supposer que plus personne ne sera là pour nous décrire ce qui se passe réellement ou pour rectifier nos hypothèses. Toutefois, sur le plan intellectuel le futur est toujours un sujet passionnant, même si par nature il est proche de la science-fiction avec tous les dérapages possibles. Mais en appliquant strictement et simplement les lois de la physique et de la thermodynamique, ce futur n'en reste pas moins prédictible malgré une certaine marge d'imprécision liée aux propriétés même des astres et des processus qui présentent un large éventail de caractéristiques fonctions notamment de la masse et de la température des corps. La mort du Soleil et le passage rapproché de M31 Ainsi que nous l'avons évoqué à propos des interactions entre galaxies, nous savons déjà que dans ~4.5 milliards d'années, la galaxie d'Andromède M31 et la Voie Lactée se frôleront, M31 se rapprochant actuellement de notre Galaxie à la vitesse de 111 km/s soit plus de 400000 km/h selon les dernières estimations. Etant deux fois plus massive que la Voie Lactée - environ 1400 milliards de masses solaires pour M31 contre 700 à 850 milliards de masses solaires pour la Voie Lactée, sans compter leurs satellites -, on annonce déjà que le spectacle extraordinaire ! Malheureusement, il risque de se jouer à guichet fermé. 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 s'ils existent encore 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. Toutefois, si un bras spiralé de M31 passe tout près du bras d'Orion et du système solaire, il est évident que dans ces conditions on risque d'assister à de véritables catastrophes astronomiques. On y reviendra dans l'article précité. Mais une autre crise plus inquiétante surviendra auparavant.
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. Le Big Freeze Si l'Univers est réellement ouvert et donc en expansion infinie comme le suggère les paramètres cosmologiques (cf. schéma ci-dessous et la mission Planck), la physique nous prédit qu'il ne faut pas s'attendre à ce que les choses aillent mieux à l'avenir. Mais rassurez-vous cet avenir est très lointain, pratiquement inconcevable. En effet, en vertu des principes de la thermodynamique, l'Univers et tout ce qu'il contient vont progressivement se refroidir et s'épuiser pour finir par ne plus créer aucune réaction du tout, bref par mourir. Si cette solution est déplaisante, voyons par curiosité les principales étapes de cette funeste évolution dans le cadre de ce qu'on appelle la théorie du "Big Freeze" ou "Big Chill", le Grand Froid qui ne présage rien de bon. Dans les conditions actuelles, c'est-à-dire sachant que la majorité des galaxies à savoir les spirales contiennent encore beaucoup de gaz non utilisé et d'étoiles relativement jeunes, l'Univers peut durer encore une centaine de milliards d'années (1011 ans) sans grand changement. Dans 700 à 1000 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.
Dans 1000 milliards d'années, si l'Univers continue son expansion au taux actuel, vu de l'endroit où nous sommes, toutes les autres galaxies se seront apparemment éloignées de la nôtre pour finalement atteindre toutes une vitesse proche de celle de la lumière et franchir l'horizon cosmologique. Autrement dit, au fil du temps l'univers visible contiendra de moins en moins de galaxies pour finalement ne plus contenir que le Groupe Local. Au bout de 5000 milliards d'années (5 billions d'années soit 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. Finalement, même les membres du Groupe Local disparaîront au-delà de l'horizon. A part les étoiles de la Voie Lactée, le ciel sera inexorablement noir sur des milliards d'années-lumière. A courte distance, il sera à peine éclairé par la lumière blafarde des dernières étoiles naines blanches assombries et presque froides. Il ne contiendra que des reliques de planètes stériles et désertiques ainsi que des nuages de poussière interstellaire à présent stables et neutres. Dans 100 000 milliards d'années (100 billions d'années soit 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. Si le photon s'avère un tant soi peu instable et présenterait une masse infirme (estimée aujourd'hui à moins de 10-18 eV soit 10-54 kg), il est possible qu'il se désintégrera 1018 années après sa formation (et s'il est stable, il ne se désintégrera jamais). Les premiers photos formés au cours du Big Bang (il y a 1.38 x1010 ans) se désintégreraient donc dans 100 millions d'années. Mais ce n'est qu'une hypothèse. Entre 1 trillion d'années (1 milliard de milliards) et 1 billion de billions 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 Soleil. 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.
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 Soleil (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 hypermassif. Finalement, au bout d'un milliard de milliard de milliard d'années (1027 ans), seuls les trous noirs hypermassifs 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 baryonique, au bout de 1050 ans, il ne subsistera dans l'Univers que des photons, des neutrinos, des trous noirs et peut-être de la matière sombre de nature exotique si réellement elle existe sous cette forme. 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. A
voir : TIMELAPSE DU FUTUR : Un Voyage vers la Fin des Temps (4K)
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 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. A cette époque, la température de l'Univers sera tombée à 0 K, le premier chiffre significatif étant placé à la 60e position derrière la virgule !
Bien plus tard, 101100 à 101500 ans après le Big Bang, débutera l'Âge du fer. Alors que jusqu'à présent le fer s'est uniquement formé à très haute température, au sein des supernovae, grâce à l'effet tunnel, la physique quantique prédit que même à très basse température, tous les atomes peuvent se transformer en fer. Il faut 101500 pour qu'une étoile naine noire constituée de cendres nucléaires et de résidus d'hydrogène et d'hélium froids se transforme en boule de fer par des réactions de fusion pycnonucléaires (cf. Son & Fisch, 2005). Ensuite, les naines noires les plus massives exploseront en supernovae, suivies d'étoiles de moins en moins massives, jusqu'à ce qu'il ne reste plus rien dans l'univers après environ 1032000 ans (cf. M.Caplan, 2020). Entre-temps débuta l'Âge des neutrons. Grâce à l'effet tunnel, les noyaux de fer se transformeront en neutrons, une particule encore plus stable. Sous l'effet de leur propre masse, ces astres se transformeront en trous noirs. Puis débutera l'Âge des trous noirs lorsque toutes les étoiles à neutrons seront transformées en trous noirs par effet tunnel. Ce temps n'adviendra que dans 101076 ans. C'est aussi la plus longue échéance que l'homme puisse concevoir. Ce n'est qu'ensuite que les trous noirs s'évaporeront. 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 évènements. 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. Cette échéance ne signifiera 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 et chimiques auront pris fin. 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 (bien qu'il n'existera plus à cette époque) 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. Beaucoup de personnes n'apprécient pas cette fatalité et espèrent au contraire que l'Univers ralentira son expansion puis subira un freinage et une accélération en sens opposé pour finir dans un feu d'artifice au cours d'un "Big Crunch". Certains pensent qui'il sera immédiatement suivi d'un nouveau Big Bang et ce, de manière cyclique ou à l'image d'un multivers rempli de bulles-univers qui se font et se défont au rythme des lois de la physique. Chacun appréciera l'intérêt de la chose en fonction de ses aspirations philosophiques. On y reviendra dans l'article consacré au Big Crunch. Voilà en quelques mots un résumé de la théorie du Big Bang chaud. Alliée à l'inflation et au modèle ΛCDM, on constate qu'elle explique avec assez bien de cohérence et une très grande précision, le rayonnement diffus cosmologique, l'abondance des éléments, les décalages spectraux, le rayonnement des quasars, la formation des superamas de galaxies ou encore la formation des étoiles, des galaxies et des systèmes planétaires. Aucun autre concept n'offre une vue aussi complète et détaillée de l'évolution de l'Univers. Alliée à la physique quantique et à la relativité générale dans des conditions de haute énergie ou subatomiques et bien sûr à toutes les lois de la thermodynamique parmi d'autres qu'elles englobent dans les cadres qui relèvent de la physique classique, cette théorie cosmologique a de fortes chances 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. Encore un peu de patience et nous pourrons écrire l'équation de l'Univers. La survie Face au malaise que nous ressentons devant cette fin apocalyptique, Freeman Dyson[1] souleva en 1970 la question de savoir si la conscience était déterminée par la nature des molécules ou par la structure de son ensemble. 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. Ainsi que nous l'avons expliqué à propos de la téléportation, plus d'un scientifique pensent, à l'instar de Dyson, que la clé de la vie se trouve non pas dans la matière, mais plutôt dans la structure des molécules. La physique quantique nous dit que tous les électrons, toutes les molécules d’un corps simple sont les mêmes. Deux électrons sont toujours identiques comme deux protons sont toujours les mêmes. Ainsi, si je remplaçais chacun de mes atomes, électrons et protons par ceux du poids de senteur ou du cristal, mon état serait toujours identique à lui-même. Ce qui me différencierait d’une plante ou d’un caillou c’est la façon dont tous ces matériaux se sont assemblés : le plan de construction s’est individualisé. Dans ce contexte, l’idée de Dyson paraît moins saugrenue. D'après Dyson, lorsque l'environnement deviendra préjudiciable à l'existence d'une vie évoluée, la nature pourrait intervenir pour modifier les fonctions vitales des êtres vivants. Par des mutations successives le métabolisme sera ralenti, ces êtres passeront une partir du temps en hibernation pour conserver leurs facultés. Ils pourront ainsi survivre indéfiniment malgré des ressources d'énergie limitées et un froid extrêmement intense.
Mais la nature n'exclue pas la possibilité qu'une forme de vie future puisse inventer le moyen d'empêcher la désintégration de la matière. Si la construction de la vie particule par particule est concevable pour une civilisation scientifiquement aboutie, la vie pourra continuer d'exister au-delà de 1050 ans et pourra alors durer indéfiniment, bien plus que le temps de Dyson dont l'échéance est fixée à 1096 ans, hors des contraintes classiques. Ici nous retrouvons les idées véhiculées par de nombreux auteurs de science-fiction et quelques biologistes avant-gardistes tel John Bernal. Pourtant, dans l'absolu, ces théories ont la prétention d'être viables. Nous avons évolué jusqu'à ce jour grâce à l'expérience acquise et la faculté d'élaborer l'action dans la pensée. Nous pouvons encore augmenter les possibilités de notre système nerveux central et à terme comprendre le fonctionnement de la vie. Ainsi, selon Bernal "on peut imaginer ces êtres comme faisant partie d'un réseau d'entités mentales". Ils pourraient ainsi vivre dans l'espace vide et glacial ou partout ailleurs tout en conservant l'avantage de continuer leur évolution dans des conditions très critiques pour un organisme ordinaire. "Ils pourront se projeter sur des distances et des périodes de temps énormes aux moyens d'organes sensoriels inertes. Ces organes, de même que leur champ d'activité seront en général situés très loin d'eux dans l'espace. Tandis que leur lieu d'existence sera l'espace vide et froid plutôt que les atmosphères chaudes et denses des planètes, leur structure éthérée, affranchie de tout support organique sera de plus en plus avantageuse. Peu à peu ils ne conserveront que l'esprit, l'héritage ancestral de l'humanité et des formes de vie primitives s'estompant. Une nouvelle forme de vie, progressivement adaptée à une conscience tout à fait éthérée apparaîtra, indépendante de toute structure ancestrale et fondée sur un agencement particulier de particules errant dans l'espace, communiquant par rayonnement. Cette métamorphose serait aussi importante que l'apparition de la vie sur Terre et pourrait être tout aussi progressive". Finalement poursuit Bernal, "dans une phase ultime, cette humanité se transformerait en lumière. Fin ou commencement ? ". Voilà une thèse téléologique séduite mais que rien ne vient démontrer et certainement pas l'évolution de la vie sur Terre qui a subit de multiples extinctions au cours des derniers milliards d'années. Quoiqu'il en soit, notre survie est tributaire des conditions physico-chimiques de l'Univers et on peut craindre que si nos descendants vivent encore dans ce lointain avenir, ce sera effectivement dans un Univers très hostile qui exigera de faire des choix tout aussi radicaux qui auront certainement un impact sur leur façon de vivre ou plutôt de survivre. Toutes ces explications ne doivent pas nous faire oublier que de grandes incertitudes subsistent quant à savoir de quelle manière l'onde de probabilité s'est réduite pour donner l'Univers concret et matériel que nous connaissons. Tant que la science n'y répond pas, cela reste un débat très philosophique. Pourquoi sommes-nous là aujourd'hui à nous poser cette question est un problème qu'il est judicieux d'aborder, pour tenter de cerner l'influence de la philosophie en cosmologie. C'est l'objet du dossier consacré au principe anthropique. En attendant, profitez de la nuit étoilé pour observer le ciel et les galaxies car elles ne sont pas éternelles. Pour plus d'informations L'espérance de vie (d'une civilisation) Un Univers à partir de rien (en anglais), Lawrence Krauss, 2015, YouTube.
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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 10105
ans.