Le destin de l’univers - Le Big Bang et après
Référence : Le destin de l’univers - Le big-bang et après de Trinh Xuan Thuan.
Conceptions mythologiques
Dans la conception chinoise : pas de dieux. L’univers est le fruit de l’interaction de deux forces : le yin et le yang. Cette particularité fait que les chinois n’ont pas développé de science, en tout cas pas comme dans le reste du monde, où les peuples voyaient le monde comme une création divine à étudier.
L’idée d’un monde des concepts et idées abstraites, englobant le monde observable, vient de Platon (cf. Caverne de Platon). Pythagore voyait l’univers comme étant régit par les nombres, reflets de la perfection des dieux.
Au moyen-age, la vision anthropocentrique de l’église catholique la poussait à concevoir la Terre comme centre de l’univers. En 1632, la démonstration de Galilée mettait à mal cette conception, provoquant un divorce entre science et religion. Pourtant, de nombreuses preuves de l’organisation de l’univers avaient déjà émergées, avec la découverte de l’héliocentrisme des planètes, des comètes, et d’astres lointains échappant à l’influence du Soleil.
Après cela, Newton développa une vision déterministe de l’univers, mue comme un système d’horlogerie par un réglage initial, et évoluant depuis selon ce réglage.
Notre vision de l’univers
Toutes les technologies nous permettant d’observer les astres reposent sur la lumière. Celle-ci nous transmet l’information à environ 300 000 km/h et sur des fréquences allant des rayons gammas aux ondes radios. Ces différentes fréquences sont d’ailleurs la signature spécifique de ces astres.
En 1775, le philosophe allemand Emmanuel Kant avait imaginé des univers-îles, préfigurant les galaxies dont l’existence sera démontrée par l’astronome Edwin Hubble en 1923, par sa mesure de la distance jusqu’à la constellation d’Andromède.
Les galaxies naissent d’amas d’hydrogène, vivent, se croisent et se percutent. Parfois, des mers d’étoiles se forment entre les galaxies, sous l’action des marées gravitationnelles. Des galaxies “cannibales” se sont suffisamment accrues pour exercer des forces gravitationnelles sur leiurs voisines pour les attirer, et absorber.
Les quasars font partis des astres nous permettant de voir le plus loin dans le temps. Ils sont les objets les plus éloignés et les plus lumineux visibles dans le ciel. Les quasars seraient le fait d’un trou noirs de l’ordre d’un milliard de masses solaires absorbant les étoiles de sa galaxie hôte. Et la lumière émise serait un chœur de chants du cigne de ces étoiles.
Enfin, on observe que les galaxies forment des amas, eux-mêmes organisés en réseaux, autour de grands vides quasi circulaires et interconnectés entre eux. Pourtant, les forces s’exerçant sur les galaxies sont telles qu’elles voleraient en éclat, sans une masse suffisante au cœur de ces grands vides… Et cela représente l’un des plus grands mystères du XXè siècle.
Remarque : aujourd’hui, ce mystère est en partie résolu par le concept de matière noire … En partie, parce que cela reste une théorie, qui plus est mise à mal par le comportement de certaines galaxies naines (de quelques milliers à quelques millions d’étoiles, au lieu des milliers de milliards habituelles). Certaines de ces galaxies naines se trouvent dans des configurations telles qu’elles devraient être déchirées par les forces de marée gravitationnelle provoquées par l’hypothétique matière noire des galaxies voisines…
Le Big Bang
C’est en 1929 que Hubble observe le déplacement des galaxies conduisant à la théorie du Big Bang. Avec cette théorie, l’univers perd sa dimension éternelle, acquiert un début et une Histoire, avec passé, présent et future. L’univers semble rejoindre sa description donnée par Saint Thomas d’Aquin au XIIIè siècle.
Remarque : La théorie du Big Bang est le fait de nombreux acteurs, mais le premier à avoir évoqué l’hypothèse d’un début à l’espace et au temps, à partir d’un “atome primitif” est George Lemaître.
L’univers infini, en temps et en espace, de Newton posait un problème : il aurait dû y avoir assez de lumière pour y voir comme en plein jour, même la nuit. Le Big Bang fournit une réponse : l’univers n’est tout simplement pas infini, pas plus que les astres qu’on y trouve ne sont éternels.
Le premier instant mesurable, le “T1”, est à 10-43 seconde après l’instant T supposé du Big Bang. L’univers faitvalors 1032 degrés, et environ 10-5m de diamètre. Tout ce qui vient avant “T1” n’est l’objet que de théories. Après 10-32 secondes se forment les particules (les quarks, électrons et neutrinos), les antiparticules, et les photons, à partir de l’immense quantité d’énergie du Big Bang. Il y a néanmoins légèrement plus de particules que d’antiparticules, permettant ainsi à la matière d’émerger (protons et neutrons, puis hydrogène et hélium, etc.).
Remarques : * aujourd’hui, la théorie du Big Bang atteint ses limites, pour ce qui est de décrire le tout premier instant de l’univers, avant 10-32 secondes… Depuis, de nombreuses théories et découvertes viennent soutenir l’hypothèse d’une phase d’inflation accélérée qui expliqueraient l’étendue et la cohérence de l’univers observable (par contre, cette hypothèse soulève l’idée de zones de l’espace se trouvant au delà de notre portée, voir engendre des théories de multivers, qui sont de facto non vérifiables). * Ni le Big Bang, ni cette nouvelle théorie de l’inflation ne peuvent cependant nous dire ce qui aurait pu se passer à “T0” étant donné que l’univers était alors soumis à des conditions pour lesquelles les lois de la mécanique quantique s’appliquent … Et nous ne disposons aujourd’hui d’aucun moyen de reproduire, et surtout observer, de telles conditions.
Depuis le Big Bang, l’univers est en expansion, donnant cette image des galaxies fuyant loin les unes des autres. Sa densité apparente est suffisamment faible pour supposer que cet extension serait sans fin. Remarque : les théories dominantes aujourd’hui supposent effectivement l’expansion, et le refroidissement de l’univers, du fait que la quantité de matière reste constante.
Si l’univers tends à se refroidir, il était très chaud, et lumineux, à l’époque du Big Bang : ~10 000°C au moment où le CMB a été émit. Le CMB révèle également ce qui est probablement le germe des premières galaxies, par des tâches subtilement plus chaudes.
Des fluctuations de densité, puis de gravité, vont pousser l’hydrogène et l’hélium à former les premières étoiles, qui vont alors commencer à engendrer des éléments plus lourd par fusion nucléaire, explosion, puis reformation d’étoiles, etc. Et ce jusqu’à des atomes comme le fer et les autres métaux (probablement beaucoup plus tard). Ces étoiles vont se rassembler et former les premières galaxies.
Étoiles et galaxies
Les galaxies commencent à se former entre quelques centaines de millions d’années, et deux milliards d’années après le Big Bang. Elles sont formées d’hydrogène et d’hélium s’accumulant sous l’effet de la gravitation. Les réactions de fusion provoquent l’émission de rayonnement tendant à faire exploser les jeunes étoiles, mais elles trouvent un équilibre avec la gravitation leur permettant de poursuivre leur formation.
Remarque : des découvertes récentes on permit d’identifier une galaxie à ~300 millions d’années après le Big Bang.
La formation d’atomes plus lourds, dans les étoiles, nécessitent la combustion de l’hydrogène, et des conditions de pression et températures suffisamment fortes pour que les atomes d’hélium s’assemblent par trois et forment les atomes de carbones. De la même façon que la masse d’un atome d’hélium est plus faible que la somme de masse de ses constituants, la masse de l’atome de carbone est plus légère que celle des atomes d’hélium qui l’ont formé. On a donc une nouvelle émission de rayonnement. Pour les étoiles les plus massives, le processus continue comme ça, jusqu’à l’arrivée du fer dont la fusion nécessite de l’énergie, au lieu d’en produire, et tuant finalement l’étoile.
Pour les étoiles les moins massives (inférieures à 1,4 masses solaires), leur vie se termine lorsqu’elles ont consommées tout leur carburant. Elles vont alors rejeter leur matière dans la galaxie. Pour les étoiles allant jusqu’à 5 masses solaires, la matière finit par se comprimer jusqu’à ne former que des neutrons, et l’étoile finit par exploser en supernova, pour rejeter toute la matière dans la galaxie. La luminosité peut alors être équivalente à celle de milliards de Soleil. Une étoile à neutron fini par épuiser l’énergie emmagasiné en quelques millions d’années et devenir indcelable. Au delà de 5 masses solaires, l’étoile fini en trou noir, si dense que même la lumière est captée par son champ gravitationnel.
Des étoiles au vivant
Ce sont les supernovæs qui rassemblent les conditions de température et de pression nécessaires à la production des atomes plus lourds que le fer, allant jusqu’à l’uranium, et la puissance nécessaire pour projeter tout ces matériaux dans la galaxie.
Les supernovæs produisent également des rayonnements d’électrons et de protons capable de provoquer certaines des mutations par lesquels les organismes primitifs ont pu se complexifier.
Dans l’espace, les rayonnements d’étoiles comme les géantes rouges poussent à la formation de grains de poussières de silicium, oxygène, magnésium et fer, à la surface desquelles vont s’accumuler les premières molécules à se former, comme l’eau, le monoxyde de carbone, le méthane ou l’ammoniac. Ceux-ci rassemblent déjà 99% de la composition des organismes vivants : hydrogène, carbone, azote et oxygène.
Au cœur du nuage de gaz produit par l’explosion des premières étoiles, finit par se former une nouvelle génération d’étoiles. La nouvelle étoile ne capte alors que les atomes les plus légers, hydrogène et hélium, tandis que les atomes plus lourd vont peu à peu s’agglomérer sous l’effet de la gravitation, jusqu’à former des planètes. Le Soleil est ainsi une étoile de 3è génération, avec son cortège de planètes, dont la Terre.
Les conditions de température, de pression, de composition de l’atmosphère, etc. ont permis aux molécules, dont l’eau fait partie, de s’assembler en de nouvelles molécules plus complexes, de plusieurs dizaines d’atomes : les acides aminés. À ce jour, nous ignorons toujours comment s’est fait le bond de l’inerte au vivant, et surtout à l’émergence de la conscience, mais les systèmes ont continué de se complexifier, jusqu’à former l’ADN, et tout le système complexe des cellules vivantes autour.
Quelques Apartés
Mécanique quantique (Freeman Dyson, Les dérangeurs de l’univers, 1986).
L’expérience menée en 1935 par Einstein, Podolski et Rosen démontre qu’il est impossible de déterminer l’état d’une particule indépendamment du procédé d’observation.
Le hasard ne peut être défini que comme une mesure de l’ignorance de l’observateur en ce qui concerne l’avenir (définition tenue d’Étienne Klein : le hasard correspond à une conséquence dont au moins l’une des causes est inconnue).
Dans ces conditions, il est difficile de voir l’esprit comme un acteur passif, mais bien comme actif, dans la détermination de l’état quantique (Remarque : du moins dans une certaine mesure, comme le ferait observer R. Penrose, sinon, on pourrait modifier l’état d’un système dans des proportions totalement absurdes).
“L’idée de hasard lui-même ne fait que masquer notre ignorance”. Donc postuler que l’arrangement actuel de l’univers, et donc l’émergence de la vie, ne sont que le fruit du hasard, c’est simplement reconnaître que son origine nous échappe.
De l’infinité de l’univers.
Si l’univers était infini dans le temps et dans l’espace, alors il y aurait, d’une façon ou d’une autre, de la lumière issue d’étoiles venant de toutes les directions, et donc un ciel éclairé dans toutes les directions, de jour comme de nuit.
Si l’univers n’est infini qu’en espace, on pourrait effectivement dire que les étoiles plus lointaines seraient simplement trop lointaines pour que leur lumière ne nous aient encore atteinte. Cependant, cela implique une expansion infini de l’univers, pour compenser sa limite temporelle, ou alors que le Big Bang n’est que le début d’un seul univers, le notre, parmis tant d’autres. Cette dernière option soulève néanmoins son cortège de problèmes. Par exemple, le temps et l’espace ayant émergés du Big Bang, comment expliquer qu’il y ait un “ailleurs” dans le même “méta-“univers? Ou alors, ces univers évoluent dans un jeu de dimensions différent de notre espace-temps… Fort commode, car alors à jamais hors de portée de nos observations.
Si l’univers est infini dans le temps, il faut que le Big Bang ne soit qu’une étape, dans un processus d’expansions-contractions successives. Cette hypothèse à le même avantage que celle du multivers : l’univers étant parti d’un état contracté au point d’être quantique, il n’existe aucun moyen d’observation au delà, et donc la précédente itération restera à jamais hors de notre portée.
Du temps (S. Hawking).
Notre voyage dans le temps est unidirectionnel : du berceau vers le tombeau. Le temps thermodynamique amène également toute chose de l’ordre vers le désordre. Enfin, l’expansion de l’univers impose également sa direction au temps cosmologique de par la dilatation de l’espace entre les galaxies.
La physique ne fait pas de distinction entre les directions futures et passées du temps. Cependant, l’expansion de l’univers s’accroît forcément par l’augmentation du désordre, et l’évolution de la vie vers la mort découle lui-même d’une tendance naturelle au désordre. Et ces phénomènes thermodynamiques imposent une direction à la flèche du temps.
Remarque : La thermodynamique semble donc réfuter, d’elle-même, l’hypothèse de la contraction de l’univers, car cette dernière impliquerait une inversion des lois de la thermodynamique, et par la même une inversion de la flèche du temps. Du coup, la contraction ne serait plus qu’une lecture à rebours de l’Histoire… Ou alors, on se retrouve dans l’hypothèse du modèle cosmologique de Janus, qui suppose précisément la coexistence des deux flèches du temps dans l’univers, et donc la coexistence de la matière de masse positive avec celle de masse négative.
Des forces fondamentales.
Les quatres forces fondamentales :
- La gravitation, engendrée par une quantité de matière suffisante, permet de maintenir l’orbite des astres les uns par rapport aux autres.
- La force électromagnétique permet de maintenir la cohésion de molécules toujours plus complexes, jusqu’aux brins d’ADN.
- La force nucléaire faible, pousse les particules à se libérer les unes des autres.
- La force nucléaire forte va, au contraire, lier protons et neutrons, pour assurer la cohérence des atomes.
Les protons et neutrons sont maintenus par la force nucléaire forte. Celle-ci est si forte qu’il n’existe actuellement aucun moyen de séparer les quarks qui les composent. La force nucléaire faible agit de la même façon, mais au niveau des électrons; elle est également nettement moins forte (il est assez facile d’arracher des électrons à un atome).
Remarque : les deux forces nucléaires semblent agir de la même façon que la gravitation, mais à des échelles radicalement différentes.