, par Christophe Delattre

Si vous n’avez pas lu les trois premières parties de cet article, c’est le moment de vous y rendre : Partie 1Partie 2Partie 3.

Quatrième étape : Des questions, des questions, des questions

Vous venez de franchir trois étapes, et espérons que mes tentatives d’explications aient pu éclairer quelques lanternes. Dès lors, je vous vois arriver avec tout un flot de questions. Je vais donc, par avance, tenter de répondre à certaines d’entre elles…

astro4

Bon, au final, il ressemble à quoi l’Univers ?

Je pourrais faire rapide, en disant qu’on n’en sait rien… Mais essayons quand même de développer.

Il faut d’abord faire la distinction entre deux notions : l’univers proprement dit et l’univers observable.

L’univers proprement dit, c’est ce à quoi vous pensez : c’est tout (le contenu et le contenant, la matière et l’espace). Je n’y reviens pas. Par convention, je l’écrirai avec un grand « U ».

L’univers observable, c’est… la partie de l’Univers que nous pouvons observer. Précisons toutefois les choses. Si le reste de l’Univers n’est pas observable, ce n’est pas à cause de la limitation de nos instruments : ce « reste » n’est physiquement pas observable !
Cela est dû au fait qu’aucune information (et notamment la lumière) ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière (théorie de la Relativité restreinte d’Albert Einstein). Or, depuis le Big Bang, seules 13,77 milliards d’années se sont écoulées. Au-delà d’une certaine distance que l’on nomme « horizon cosmologique », aucun astre n’a donc encore eu le temps de nous faire parvenir sa lumière ou une quelconque information. Pour le dire autrement, plus on observe un astre lointain, plus on observe le passé (on voit l’astre tel qu’il était lorsque sa lumière est partie). Et l’on finit par arriver à un mur : la lumière la plus lointaine que l’on puisse observer, et qui est tout bonnement le premier areuh lumineux (nommé « fond diffus cosmologique ») émis par l’Univers à un âge infantile : à peine 380 000 ans et des brouettes après sa naissance.

Cet univers observable prend donc la forme d’une sphère centrée sur l’observateur (oui, c’est vous). On pourrait penser que le rayon de cette sphère est de 13,77 milliards d’années-lumière. En fait, il est un peu plus grand (de l’ordre de 45 milliards d’années-lumière) car il faut tenir compte du fait que l’Univers est en expansion, et donc que la distance qui nous séparait d’un astre lorsqu’il a émis sa lumière, est plus grande aujourd’hui. C’est un peu comme si un ami, sur un escalator, vous envoyait un ballon. Le temps que le ballon vous parvienne, l’ami s’est éloigné de vous.

Bref, que savons-nous de cet univers observable ? Toutes les données disponibles semblent correspondre à un univers « plat » (dans le sens où il respecte la géométrie euclidienne, celle de l’école). Malheureusement, il ne s’agit que d’une portion d’un Univers à proprement dit qui, lui, est possiblement infini. Et même s’il était fini, il demeure très grand par rapport à cette portion que constitue l’univers observable (car cela aurait été détecté : une même image lointaine venant de différentes directions). En fait, les astrophysiciens doutent que l’Univers dans son ensemble soit « plat ». Rien ne permettrait d’expliquer qu’il soit dans un état d’équilibre parfait entre courbure positive et négative. Pour résumer, c’est un peu comme si nous étions au centre d’un terrain de foot, et qu’à partir de là, il fallait deviner la forme de la Terre.

Je rappelle donc la réponse : on n’en sait rien.

Jusqu’où peut-on remonter dans cette histoire de Big Bang ?

Comme indiqué précédemment, la première lumière (fond diffus cosmologique) est intervenue environ 380 000 ans après le Big Bang. Pour le dire simplement, l’Univers était auparavant opaque car encore trop dense (chaque photon émis était aussitôt absorbé). Ce fond diffus cosmologique (auquel je consacrerai peutêtresijailetemps un prochain article) est donc la plus ancienne information que nous a adressé le Big Bang. On peut espérer, dans l’avenir, obtenir des signaux d’une autre nature et plus anciens (neutrinos, ondes gravitationnelles), même indirectement. Je ne m’étendrai pas.

On déduit, et on espère encore déduire beaucoup de choses de l’étude de ce fond diffus cosmologique, concernant ce qu’il s’est passé pendant ces premiers 380 000 ans. Néanmoins, nous sommes là dans une recherche plus théorique qu’observationnelle (même si l’on sait aussi recréer dans des accélérateurs de particules, très brièvement, des conditions régnant dans l’univers primitif). Cette théorie – qui a elle-même permis de prédire l’existence de ce fond diffus cosmologique et d’expliquer bien des choses – décrit assez bien les différentes étapes qu’a pu connaître l’Univers. L’étape la plus surprenante – majoritairement mais non universellement admise – concerne une phase d’inflation qui se serait produite alors que l’Univers n’était âgé que de 10-35 secondes (0,000… 35 zéros à écrire… 001 seconde, autant dire des brouzoufs de moins qu’un chouia de seconde). A ce « moment », l’Univers (ou tout du moins une partie comprenant l’univers observable) s’est agrandi d’un facteur « considérable ». Le chiffre dépend du modèle choisi mais il est « considérable ». Pour donner une idée, imaginons que le volume compris dans un grain de sable puisse, en moins d’un chouia de brouzouf de chouia de seconde, prendre la taille de l’univers observable. Oui, c’est un peu ça « considérable » avec des guillemets.
Cette inflation, c’est ce qui permettrait d’expliquer l’étonnante « platitude » constatée de notre univers observable (et aussi l’homogénéité du fond diffus cosmologique).

Bon, on est arrivé là dans un cadre hautement théorique. Quant à s’approcher encore plus du Big Bang, c’est pour l’instant peine perdue. Passé un certain seuil, appelé le Mur de Planck (à 10-43 secondes !), les niveaux d’énergie sont tels qu’il faut conjointement employer les deux théories constituant les piliers de la physique moderne : la Relativité générale et la physique quantique. Et ça, on ne sait pas encore faire. Ces deux cadres théoriques sont, en effet, totalement et irrémédiablement incompatibles l’un avec l’autre. Des générations de physiciens se sont échinés à trouver la théorie qui unifierait tout ça. Ils avancent (théorie des super-cordes, gravitation quantique à boucles, …) mais aucune de ces théories n’a encore pu marquer de point décisif car l’on n’est pas en mesure aujourd’hui – le sera t-on un jour ? – de prouver qu’elles soient fausses, ou, si vous préférez, de tester leur validité. On causera de tout cela une autre fois.

Voilà pourquoi je mettais des guillemets sur les « infinis » concernant le Big Bang. Nous ne disposons pas encore de cadre théorique fiable décrivant ce qui se passe lorsque l’on se rapproche très très près de ce passé ultime, si tant est qu’il soit ultime. Par exemple, rien ne prouve que l’on parviendrait à une densité infinie, à une température infinie (les super-cordes ou la gravitation quantique à boucles peuvent éliminer cette singularité). Pour tout dire, à ces échelles, les concepts de temps et d’espace n’ont sans doute plus grand chose à voir avec ce que nous pouvons imaginer. Nous ne savons même pas si ces notions ont encore réellement un sens. Bref, oubliez tout ce que je vous ai dit concernant l’univers réduit à un point infiniment petit, avec une densité infinie, une chaleur infinie, etc. Tout cela, on n’en sait rien ! Enfin, on sait quand même beaucoup de choses… mais pas concernant l’Univers lorsqu’il était âgé de moins de 0,000… 43 zéros à écrire… 001 seconde.

expansion de l'univers

Qu’y avait-il avant le Big Bang ?

Cela fait le lien avec la question précédente. Il est possible (mais non certain) que cette question n’ait pas plus de sens que de demander ce qu’il y a plus au nord sur Terre que le Pôle Nord… même s’il est difficile pour le sens commun d’admettre que le temps ait pu avoir un début. Je vous laisse cogiter sur le sens de « avant » si le temps n’existe pas, et même sur le sens de « le temps a pu avoir un début ». Attention à la migraine.

Il faut toutefois rester prudent en la matière car de nombreux développements théoriques peuvent permettre d’imaginer qu’il y ait une histoire avant l’histoire : une succession infinie de Big Bang et de Big Crunch (expansions suivies de contractions de l’univers), une création continue de Big Bang, et bien d’autres idées… Cela peut être fascinant, souvent plus rassurant, plus confortable, plus facile à admettre qu’un quelconque néant mais… Attention : on est là à la frontière très floue qui sépare la physique de la métaphysique. Cela changera peut-être à l’avenir, notamment grâce à une étude très fine du fond diffus cosmologique. Mais, aujourd’hui, c’est encore un domaine très spéculatif quoi que vous puissiez entendre par ci, par là.

Cela rejoint également la question suivante…

Peut-il y avoir plusieurs univers ?

La question peut ne pas avoir de signification, l’univers étant par définition le tout. C’est pourquoi nous parlerons ici d’un « multivers », sorte de super univers contenant tous les univers possible dont le nôtre.

L’une des interprétations de la mécanique quantique tend à imaginer qu’à chaque instant, une infinité d’univers se crée, chacun possédant un paramètre différent, et créant à son tour une infinité d’univers, etc. On en reparlera peut-être à l’occasion mais je vous laisse imaginer qu’à chaque instant, vous vous multipliez dans autant d’univers différents.

Les théories d’unification telles les cordes ou la gravitation quantique à boucles peuvent également déboucher sur des infinités d’univers possédant des lois et un nombre de dimensions différents. C’est un domaine très riche mais je ne m’y étendrai pas non plus, et je fais les mêmes réserves que pour la question précédente.

multivers

Quel avenir pour l’univers ?

Depuis que nous savons que l’univers est en expansion, la question était de savoir si la gravité, s’opposant à cette expansion, allait suffisamment la ralentir pour inverser ou non le processus. Cela dépendait de la densité de matière de l’univers. Dans un cas, l’expansion se ralentit, s’arrête puis l’univers se contracte pour finir dans un Big Crunch et, pourquoi pas avec un rebond : un nouveau Big Bang. Dans le second cas, l’expansion se ralentit continuellement mais si faiblement qu’elle ne s’arrêtera que dans un temps infini.

Dans les deux cas, l’expansion se ralentit mais il fallait donc savoir à quel rythme. La réponse est intervenue en 1998… et ce fut un coup de tonnerre (et un prix Nobel pour les découvreurs) : loin de ralentir, l’expansion de l’univers ne fait que s’accélérer !

La cause de cette accélération inattendue : une « énergie noire » ou « sombre », faisant ressusciter la constante cosmologique (cf. Partie 2). Beaucoup d’astrophysiciens travaillent sur le sujet, tentant d’apporter leurs lumières mais, pour l’instant, cela demeure bien noir, bien sombre (un autre article en perspective).

Quoi qu’il en soit, sauf nouveau retournement de situation, nous nous dirigeons donc vers un univers éternellement en expansion, de plus en plus vide, de plus en plus froid… Et il se pourrait même qu’à un moment donné, cela s’accélère vraiment très vite et, qu’en très peu de temps, tout soit écartelé jusqu’aux atomes eux-mêmes (hypothèse du Big Rip). Eh oui, tout ça pour ça… Bon, s’il faut vous rassurer, il semble que cette énergie sombre n’a pris le dessus sur la gravité que depuis 6 milliards d’années, et quelques rares modèles pourraient envisager que la gravité puisse, dans l’avenir, reprendre le leadership. Mais bon, rien de moins sûr.

Pourquoi mon salon n’est-il pas en expansion ?

Puisque cette expansion concerne tout l’univers et donc mon salon, on pourrait en effet se demander pourquoi le fauteuil dans lequel je suis assis ne s’écarte pas de mon verre posé sur la table. On sait même que notre grande voisine, la galaxie d’Andromède (photo ci-dessous), loin de s’écarter, est en train de foncer tout droit (impact dans quatre milliards d’années) vers notre galaxie, la Voie lactée. Késako ?

galaxie andromede

En fait, au niveau local – et je parle là à l’échelle d’un amas de galaxies – la force gravitationnelle prend le dessus sur cette expansion. Et davantage encore à une échelle plus petite. Au niveau de la matière elle-même, ce sont deux autres forces, bien plus puissantes, qui prennent le relais (force électro-magnétique et interaction nucléaire forte). Voilà pourquoi nous ne nous désagrégeons pas.

Maintenant, si l’expansion continue d’accélérer, alors, dans un avenir (très beaucoup) extrêmement lointain, plus rien ne l’arrêtera.

Qui, que, quoi est à l’origine du Big Bang ?

Dieu n’est pas ici mais, bien sûr, libre à vous de le chercher ailleurs.

Pour ce qui nous concerne, le fait de savoir si la question a un sens (l’origine du Big Bang est-elle l’origine de l’Univers, et, dans ce cas, comment l’Univers peut-il avoir une origine ?), le fait de savoir si cette question relève de la philosophie, de la métaphysique ou de la science, est source de débats. Comme indiqué dans les précédentes questions, certaines théories physiques expliquent la survenue du Big Bang dans un multivers : fluctuations quantiques, collisions de branes d’univers, et autres. Ce sont des théories que je n’évoquerai pas dans cet article. Certaines peuvent être très sérieuses, très pointues mais elles demeurent aussi très spéculatives.

C’est quoi ces jolies photos en fond de page ?

Des nébuleuses. En fait de (très) gigantesques nuages de gaz et de poussières interstellaires, ainsi que quelques étoiles et proto-étoiles. Cela n’a rien à voir avec la choucroute… mais c’est joli.

Epilogue

Voilà… C’était un peu long mais je pense que cela le nécessitait. J’ai bien sûr évité de m’étaler sur de nombreux sujets (relativité, quantique, cordes, énergie noire, multivers, etc.) afin de ne pas mettre une éternité pour écrire cet article, tout en risquant, à force d’ouvrir des parenthèses, de m’éloigner du sujet… et de vous perdre en route. Si vous êtes demandeurs, je tenterai de m’atteler à ces sujets, dans d’autres articles. Si vous n’êtes pas demandeur… bah, je tenterai quand même.

Si vous avez besoin de précisions ou envie de poser d’autres questions sur le Big Bang, j’essaierai d’y répondre dans la limite de mes connaissances (limitées) et de ma disponibilité (encore plus limitée). D’autres peuvent s’y essayer également. Il est donc aussi possible que j’étoffe cette dernière partie grâce à vos contributions.

Enfin, si tout cela vous a apporté quelques satisfactions personnelles, n’hésitez pas à m’encourager dans vos commentaires. Cela aide un peu, beaucoup, passionnément, à la folie.

Le « Big Bang », ta mère

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  Catégorie(s) : Astronomie, Physique

Commentaires

  Commentaire(s) : 2

  1. Quelle taille pouvait bien avoir cet « univers initial », contraction multidimensionnelle du temps et de l’espace, si ce n’est la somme du volume de toutes les particules non sécables qui le composent, puisqu’elles en sont toutes issues ? Infinie, vraisemblablement. Et sans doute bien supérieure à la taille de l’univers visible, ce qui laisse planer un doute quant au calcul de l’âge de l’univers selon qu’on imagine l’observation à l’extérieur ou à l’intérieur de ce volume initial…question au demeurant probablement soluble dans l’antimatière.

    • Christophe Delattre

      Il y a là deux questions qui vont permettre de clarifier (enfin, j’espère) le sujet…

      Première question : taille de l’univers initial ?
      Comme indiqué précédemment, il a pu être infini. Oui, dès le départ.
      Ou… il a pu être ponctuel, c’est à dire infiniment petit… sauf qu’en dessous d’une taille de 1,6 fois 10 à la puissance « -35 » mètre, ça n’est pas dans les « cordes » de la physique actuelle (on ne peut donc rien affirmer).
      Pour mieux comprendre, il faut aussi répondre à la notion de « volume de toutes les particules non sécables ». Et ça, c’est tout à fait soluble dans l’antimatière.
      Par exemple : Disons qu’un électron correspond à un certain volume. Idem pour un positon (un anti-électron). A eux deux, ils occupent donc deux fois ce volume. Faisons les se rencontrer. En plus, ça tombe bien, ils sont attirés l’un par l’autre comme Roméo et Juliette… mais ça se termine aussi mal, même si c’est dans un grand éclat de lumière. Que deviennent alors les deux volumes initiaux ?… Pschittt. Donc, il faut se méfier de la notion de « volume de particule non sécable ».
      Pour être plus exhaustif, disons que la notion de volume en physique quantique est très particulière (comme tout d’ailleurs). C’est une notion statistique. Pour le dire simplement, le volume d’un seul électron peut s’étendre sur l’univers tout entier… ou avoir une taille ponctuelle… ou plus sûrement un mélange des deux (et j’ai bien dit « mélange » pas « moyenne »). La réalité n’est pas ce que l’on croit (en fait, c’est mieux que Game of thrones).
      Quant à la densité infinie puisque c’est ce dont il s’agit (même pour un univers infini), l’état le plus dense que l’on connaisse de la matière est un plasma de quarks et de gluons (cent fois plus dense que la densité existant au sein du noyau atomique). Cela a sans doute existé dans les premiers instants, et peut-être cela existe t-il encore au cœur des étoiles à neutrons. Mais même la force qui agit dans ce cas pour conserver une cohésion à la matière (l’interaction nucléaire forte), même cette force n’est pas sans limite. Si l’étoile à neutrons est trop massive, ce ne sera pas une étoile à neutrons, ce sera… un trou noir. La physique qui décrit le tout début de l’univers est la même qui décrit les trous noirs. Elle peine encore à les décrire (quantique + relativité générale) mais il ne faut pas compter sur le secours d’un quelconque « volume de particule non sécable ». Cela n’existe pas.

      Deuxième question (et là, je vais faire plus court) se rapportant au « calcul de l’âge de l’univers selon qu’on imagine l’observation à l’extérieur ou à l’intérieur de ce volume initial »
      Mais, sauf à parler de multivers (ce qui reste encore très hasardeux), il n’y a pas d’extérieur : l’univers, c’est l’univers.

      Et ce qui est génial dans le domaine de la physique, c’est que chaque réponse est un marche-pied pour de nouvelles questions !

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