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Astronomie

L’Univers et le Big Bang

galaxies

Des galaxies vues par le télescope spatial Hubble

Quand on regarde le ciel la nuit par temps clair, on voit une grande quantité d’étoiles, ainsi qu’un « nuage » laiteux appelé la Voie lactée. Les étoiles sont plus ou moins semblables au Soleil, mais elles sont situées extrêmement loin : leurs distances se comptent en années-lumière. La Voie lactée n’est autre qu’un ensemble d’étoiles situées à des milliers d’années-lumière, trop loin pour qu’elles puissent être distinguées. Il existe aussi, dans le ciel, des objets diffus qui ont reçu le nom de nébuleuses.

La Voie lactée est notre galaxie (on parle aussi de la Galaxie avec une majuscule). Elle regroupe plus de 200 milliards d’étoiles et le Soleil se trouve à 27 000 années-lumière de son centre. Dans les années 1910, des astronomes ont commencé à penser que certaines nébuleuses étaient d’autres galaxies, ou des îles d’Univers comme on disait à l’époque. Edwin Hubble a démontré en 1925 que la nébuleuse d’Andromède M 31 est située à plus de 2 millions d’années-lumière de la nôtre, ouvrant la voie à une conception toute nouvelle de l’Univers. On sait maintenant qu’il y a au moins 100 milliards de galaxies. Les plus lointaines se situent à des milliards d’années-lumière. Cela implique que leur lumière a mis des milliards d’années pour arriver jusqu’à nous, et donc que nous les voyons quand elles étaient jeunes.

Les galaxies sont regroupées en amas et ceux-ci en superamas. À une échelle de 100 millions d’années-lumière, on voit des zones vides séparées par des concentrations de galaxies ayant la forme de filaments. Cette structure évoquant une éponge est la Toile cosmique. Puisqu’elle est uniforme, l’Univers peut être considéré comme homogène. Il est aussi isotrope : il a le même aspect quelle que soit la direction dans laquelle il est observé. L’homogénéité et l’isotropie de l’Univers ont été élevées au rang de principe cosmologique. On suppose aussi que les lois de la physique sont les mêmes partout, ce qui implique qu’à des milliards d’années-lumière, il existe des étoiles entourées de planètes semblables à celles du Système solaire, constituées des mêmes éléments chimiques.

Répartition des sources lumineuses sur 50 millions d’années-lumière simulée par ordinateur. Image de Andrew Pontzen et Fabio Governato, 1er août 2014.

L’Univers et l’espace lui-même sont devenus des objets d’études grâce aux travaux d’Albert Einstein. Vers 1915, il a démontré que l’espace-temps (donc en particulier l’espace) est courbé par la matière et que cela explique l’interaction gravitationnelle. Cette théorie est la relativité générale. La courbure d’un espace à trois dimensions est impossible à visualiser, mais on peut dire que la somme des angles d’un triangle ne fait pas 180°. Si l’espace était fermé (ce serait une 3-sphère en langage mathématique) et statique, un vaisseau spatial voyageant droit devant lui finirait par se retrouver à son point de départ.

L’étude de l’Univers dans son ensemble est la cosmologie. Une donnée fondamentale est qu’il est en expansion. Edwin Hubble a observé que plus les galaxies sont lointaines, plus elles s’éloignent de la nôtre. Ce n’est valable que globalement : la galaxie d’Andromède se rapproche de la nôtre. Les galaxies ne dérivent pas dans l’espace, mais c’est l’espace lui-même qui se dilate. On peut visualiser cela grâce à des points dessinés sur un ballon (une 2-sphère ou sphère à deux dimensions) que l’on gonfle. De là, est venue l’idée que l’expansion de l’Univers a un début : il y a un moment où il était extrêmement dense et chaud. Cette théorie a été appelée le Big Bang par un astrophysicien qui n’y croyait pas, Fred Hoyle, mais elle est aujourd’hui parfaitement établie. Elle a été formulée en 1931 par l’abbé Lemaître, qui était devenu conscient en même temps que Hubble de l’expansion de l’Univers. Les observations ont déterminé qu’elle a débuté il y a 13,8 milliards d’années.

Le contenu de l’Univers

Outre beaucoup d’espace vide, l’Univers contient de la matière baryonique, c’est-à-dire ordinaire. Il s’agit des électrons, des protons et des neutrons, constituant les atomes, et de nombreuses particules exotiques dont la durée de vie est souvent très courte. Les protons et les neutrons sont eux-mêmes constitués de quarks. Toutes les particules ayant une charge électrique sont sensibles à l’interaction électromagnétique. Elles peuvent émettre et absorber des photons, qui se comportent comme des ondes si leur énergie est faible : les ondes électromagnétiques. Cette dualité onde-corpuscule constitue le fondement de la physique quantique. L’interaction faible agit à des distances de seulement 10 –17 m, soit moins de 1 % du rayon du proton, avec une intensité 1000 fois inférieure à celle de l’interaction électromagnétique. La raison de cette très courte portée est que les particules sensibles à l’interaction faible (toutes les particules, de fait) échangent des « bosons » de très grande masse : le Z0, le W+ et le W. Le photon est un boson de masse nulle qui peut se propager à l’infini.

Composition des hadrons. Il existe six quarks nommés u, d, c, s, t et b. Ils peuvent avoir trois couleurs, qui sont équivalentes à la charge électrique pour l’interaction forte. Elles ont été appelées rouge, vert et bleu. Les baryons (proton, neutron…) ont trois quarks et les mésons ont un quark et un antiquark.

Au sein des noyaux atomiques, les protons se repoussent, car ils ont tous une charge électrique positive, mais ils sont maintenus ensemble par l’interaction forte. C’est également elle qui « colle » les quarks à l’intérieur des protons, des neutrons et d’autres particules de même type appelés des hadrons. Les bosons vecteurs de l’interaction forte sont des gluons. Il en existe huit.

Interaction faible
Principe de la radioactivité bêta : un neutron est transformé en un proton par émission d’un boson virtuel W, qui devient un électron et un antineutrino électronique.

Les quatre interactions façonnent et animent l’Univers. La gravitation tisse la Toile cosmique, entraîne la formation des galaxies, des étoiles et des planètes. Elle fait orbiter les astres les uns autour des autres. L’interaction forte permet les réactions nucléaires de se dérouler au cœur des étoiles. Des éléments y sont synthétisés. L’interaction électromagnétique assemble les atomes et les molécules. Elle gouverne donc la chimie, en particulier la chimie organique, qui est celle de la vie. Malgré sa fugacité, l’interaction faible agit sur la Terre : elle est à l’origine de la radioactivité bêta, qui est une source de chaleur. Sans elle, notre planète serait géologiquement moins active.

Les observations ont mis en évidence une matière non baryonique, qui est pourtant plus abondante. Elle est appelée matière noire, mais elle devrait plutôt être qualifiée de transparente ou d’invisible, puisque la lumière n’interagit pas avec elle. Elle ne se manifeste que par ses effets gravitationnels. Présente à la périphérie des galaxies, elle influence leur structure et leur évolution. Les astrophysiciens pensent qu’elle est constituée de particules indétectables en laboratoire.

Supernova
La supernova 1994D observée dans la galaxie NGC 4526, située à 50 millions d’années-lumière dans la constellation de la Vierge. Image du télescope spatial Hubble.

À la fin des années 1990, l’observation des supernovas apparaissant dans des galaxies lointaines a montré que l’expansion de l’Univers s’accélère. Cela a rapporté en 2011 le prix Nobel de physique à Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt. Au début, l’expansion de l’Univers était d’abord ralentie par effet de la gravitation, mais après environ 7 milliards d’années, une force ayant une action répulsive a fini par la contrebalancer. On parle d’énergie sombre, sans avoir aucune idée de ce que c’est. Elle constitue pourtant 70 % de l’énergie totale présente dans l’Univers (la masse étant équivalente à l’énergie d’après la célèbre équation E = mc2). La matière noire en représente 25 % et la matière baryonique seulement 5 %.

Depuis que l’accélération de l’expansion de l’Univers est connue, il paraît probable que sa « dilution » ne s’arrêtera jamais. Si l’énergie sombre reste constante, l’accélération nous empêchera de voir les galaxies lointaines mais sera sans conséquence sur la nôtre. Avant sa découverte, on pouvait envisager que l’expansion s’arrêterait, puis que l’Univers se contracterait jusqu’à un « Big Bang inversé ». C’est le cas si la densité d’énergie est supérieure à une densité critique d’environ 10 –26 kg/m3, soit seulement quelques atomes par mètre cube. L’Univers serait alors sphérique : à la fois fini dans l’espace et dans le temps. En revanche, si la densité d’énergie est supérieure à la densité critique, il est à la fois courbé et infini. Sa courbure est négative.

Un avant Big Bang ?

Peut-on envisager qu’au « temps zéro », la densité et la température soient infinies ? C’est ce que dit la relativité générale. Cependant, quand la densité devient extrêmement grande, et donc quand le champ de gravitation est très intense, des effets quantiques devraient se manifester, or la relativité générale et la physique quantique ne sont pas compatibles. Ordinairement, cela ne pose pas de problème car elles sont appliquées à des échelles tout à fait différentes. Pour comprendre ce qui se passe, il faut disposer d’une théorie de la gravitation quantique. Les physiciens s’emploient à en construire une depuis des décennies, mais la tâche est extrêmement ardue. Toutes les théories élaborées sont des monstruosités mathématiques.

L’une des pistes explorées pour une gravitation quantique est qu’à l’échelle de la longueur de Planck, l’espace ne serait plus lisse. Il serait tumultueux comme une mer agitée. Ces vagues apparaîtraient comme des particules et des champs de force à notre échelle. La relativité générale invite à identifier le contenu de l’Univers au contenant, mais puisque les particules obéissent aux règles de la physique quantique, ce doit aussi être le cas de l’espace. Illustration utilisée par Aurélien Barrau dans un exposé sur la gravitation quantique publié en 2016.

On peut citer la gravitation quantique à boucles, élaborée par Abhay Ashterkar, Lee Smolin, Carlo Rovelli et d’autres physiciens à partir des années 1980. Selon cette théorie, l’espace n’est plus continu mais granulaire. Il est en quelque sorte découpé en « atomes » élémentaires dont les aires et les volumes varient de manière discontinue. Ils sont calculés à partir d’une longueur minuscule appelée la longueur de Planck, qui vaut 10 –35 m. La plus petite aire possible est le carré de cette longueur, soit 10 –70 m2. Elle comporte le produit de la constante gravitationnelle G, caractéristique de la relativité générale, et de la constante de Planck h, caractéristique de la physique quantique. Le temps s’écoule aussi de manière discontinue, comme le tic-tac d’une horloge. L’important, pour les cosmologistes, est qu’elle annule la singularité gravitationnelle, où des grandeurs comme la densité et la température deviennent infinies. Le Big Bang est remplacé par un Big Bounce : un Grand Rebond. Avant notre Univers, il en existait un autre, qui s’est contracté jusqu’à ce que ces grandeurs deviennent très grandes mais pas infinies. Cela n’implique pas du tout, cependant, que notre Univers connaîtra le même sort.

Il n’y a pas d’idée révolutionnaire dans cette théorie. Elle essaie seulement de soumettre l’espace aux règles de la physique quantique. Une autre théorie de la gravitation quantique, la théorie des cordes, élimine également la singularité selon deux scénarios. Ils pourraient être testés par l’observation des ondes gravitationnelles (des perturbations de l’espace-temps prédites par la relativité générale) ou des champs magnétiques galactiques. Selon le scénario ekpyrotique (d’un terme grec signifiant « embrasement ») présenté en 2001, notre Univers serait une « membrane » de dimension 3, initialement presque vide, plongée dans un espace de dimension 4, c’est-à-dire avec quatre dimensions spatiales. La gravitation se propagerait dans la dimensions supplémentaire. Le Big Bang aurait résulté de sa collision avec une autre membrane, l’énergie du choc étant convertie en matière et rayonnement. L’idée d’ajouter une ou même plusieurs dimensions à l’espace n’est pas nouvelle. Elle a été formulée la première fois par Theodor Kaluza en 1921 et reprise par Oskar Klein en 1926, afin de construire une théorie unitaire de la gravitation et de l’électromagnétisme : elles ne seraient que deux aspects d’une même interaction.

Albert Einstein

Ces théories peuvent paraître trop audacieuses, mais la physique a progressé par l’arrivée d’idées révolutionnaires, contre-intuitives et quasiment impossibles à comprendre. En divisant la longueur de Planck par la vitesse de la lumière dans le vide, on obtient le temps de Planck, qui vaut à peu près 10 –43 s. Elle est considérée comme l’époque de la gravitation quantique, quelle que soit la théorie qui la décrit, et elle est associée à une température de 10 32 K. Cependant, si l’on élimine la singularité gravitationnelle, ce n’est plus le temps passé depuis la naissance de l’Univers, mais seulement une période transitoire. Comme elle est suivie d’une expansion initialement très violente, il reste bien entendu possible de parler de Big Bang.

La première microseconde de l’Univers

Après l’époque de la gravitation quantique, l’Univers a pris l’aspect que nous lui connaissons, avec un temps continu, un espace continu et des particules élémentaires qui se déplacent dedans. Il s’agit des quarks et des leptons (des particules légères comme les électrons et les neutrinos). La température est passée sous les 10 32 K. Elle restait tout de même très élevée, ce qui signifie que les particules avaient des énergies phénoménales. On pense que dans ces conditions, les interactions forte, faible et électromagnétique étaient confondues, mais on ne sait pas à quoi ressemblait cette interaction unique. Elle était en tout cas véhiculées par des bosons, des particules qui ont comme le photon la capacité d’occuper le même état quantique au même endroit.

L’unification des interactions électromagnétique et faible en une interaction électrofaible se fait selon un mécanisme connu. La théorie prévoit que quand elle a lieu, elle est véhiculée par quatre bosons de masse nulle. C’est le boson de Higgs, mis en évidence en 2012, qui confère leur masse aux bosons Z0, W+ et W, tandis que le photon reste sans masse. Ce faisant, il sépare l’interaction faible de l’interaction électromagnétique. Mais il donne également une masse à tous les quarks et tous les leptons. Ces particules sont massives parce que l’Univers baigne dans un champ de bosons de Higgs qui interagissent continuellement avec elles. Sans lui, l’Univers serait très différent. Les protons et les neutrons pourraient exister, mais pas les atomes. Il est possible de considérer les bosons de Higgs comme les vecteurs d’une cinquième interaction.

Durant une période allant environ de 10 –36 s à 10 –32 s, l’Univers se serait dilaté de manière exponentielle. Les distances auraient été multipliées par 10 30 ! C’est l’inflation cosmique, proposée en 1981 par Alan Guth pour expliquer le caractère extrêmement homogène et isotrope de l’Univers. Un autre problème est celui de la platitude : la densité actuelle de l’Univers est très proche de la densité critique, à moins de 1 %, si bien qu’il est peu courbé à l’échelle cosmologique. Mais cette faible différence devait être encore plus faible au début, car elle s’accroît avec le temps. La théorie de l’inflation permet de résoudre ces problèmes, si bien qu’elle est aujourd’hui largement admise. Quelles qu’aient été les caractéristiques de l’Univers initial, l’inflation l’a rendu homogène et quasiment plat. Pourtant, son mécanisme physique reste inconnu : on ne sait pas ce qui l’a provoquée. De plus, cette théorie ne peut pas être testée. Les théories du Grand Rebond permettent de s’en passer, de même que le scénario ekpyrotique.

Leptons et quarks
Les leptons et les quarks représentés par le CERN. Il existe trois leptons : l’électron, le muon et le tau. Un neutrino, particule extrêmement légère que l’on croirait d’abord dépourvue de masse, est associée à chacun. Il y a six quarks dont les charges électriques sont des multiples de 1/3 strictement compris entre – 1 et + 1.

Après cette supposée inflation, l’Univers était rempli d’une « soupe » de quarks et de gluons, ainsi que d’autres particules inconnues. Les leptons, en particulier les électrons, comptaient peu dans ce mélange. La liberté des quarks était remarquable, car ces particules sont maintenant confinées dans les hadrons. On n’a jamais observé un quark isolé. La transition de phase électrofaible s’est produite au bout de 10 –11 s : les interactions électromagnétiques et faibles sont devenues distinctes.

Au bout de 10 –7 s (0,1 microseconde), la température est descendue à 2 × 10 13 K. Les particules avaient alors des énergies qu’il est possible d’atteindre en laboratoire, c’est-à-dire dans des accélérateurs de particules. Le plus puissant est le Large Hadron Collider, LHC, qui a permis la découverte du boson de Higgs. Il est possible, en quelque sorte de récréer le Big Bang en laboratoire… jusqu’à un certain point. Grâce au collisionneur d’ions lourds relativistes RHIC du Brookhaven National Laboratory près de New York, qui peut récréer les conditions régnant au bout de quelques microsecondes, les physiciens ont découvert que cette soupe de quarks et de gluons se comporte comme un liquide plutôt que comme un gaz, contrairement à ce que l’on pensait. Et c’est un liquide parfait, sans viscosité. La surprise était complète.

En 2021, la collaboration ALICE, qui utilise le LHC, a confirmé cette découverte.

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