De l'infiniment grand : Expansion de l'univers et trous noirs

Hubble.
La contemplation du ciel étoilé tel qu'on peut l'observer au milieu d'un désert, loin des lumières des villes, est un spectacle somptueux, majestueux, imposant la méditation qui en deviendrait banale si elle n'était essentielle. La vision par l'œil humain de ces espaces intergalactiques, est néanmoins ridiculement limitée par rapport à ce que permettent de voir les télescopes géants et les sondes interplanétaires comme la sonde Hubble. Cette partie visible de l'univers n'est encore rien comparée à ces espaces et ces corps célestes trop éloignés de nous pour que nous puissions les voir avec nos moyens technologiques actuels. Et pourtant, ils existent comme dirait Galilée. Ou plus exactement pour certains ils ont existé car malgré l'extrême vitesse de la lumière, certaines étoiles très éloignées peuvent avoir disparu alors que leur lumière nous parvient encore. 
Notre galaxie n'est que l'une des centaines de milliards de galaxies, chaque galaxie contenant elle-même quelques centaines de milliards d'étoiles pas moins impressionnantes : notre soleil n'est éloigné de la terre que de 8 minutes lumière, la plus proche étoile, Proxima du Centaure est à 4 années lumière et certaines étoiles sont à plusieurs centaines d'année lumière et Andromède la plus éloignée connue à 2 millions d'années lumière.. L'expansion de l'Univers, découvert par Hubble en 1929, serait de l'ordre de 5 à 10 % par milliard d'années. Les galaxies s'éloignent de nous, les plus rapides à s'échapper étant les plus lointaines.

En dehors de l'immensité de l'Univers, qui doit nous inciter à l'humilité, la question qui vient généralement à l'esprit est : l'Univers a t-il un commencement et une fin ? La même question posée à un homme du moyen âge imprégné de la lecture de la Bible eut été indiscutablement affirmative. Le premier chapitre de la Genèse décrit de façon imagée la création progressive, au fil des 7 jours de la semaine, du monde et des êtres de plus en plus complexes. Dans l'évangile de Saint Jean figure la description de la fin du monde, à la fois destruction apocalyptique et fin des temps.

Les concepts d'Univers cyclique sont assez fréquents dans la mythologie. Jean Pierre Luminet dans " l'invention du Big-Bang " établit un parallélisme saisissant entre l'âge de l'Univers dans la cosmologie moderne (13,7 milliards d'années), et les cycles de l'Univers, constitués de 360 jours de Brahma, comportant chacun 4320 millions d'années, tandis qu'au terme de 36 000 cycles, le monde arrive à sa fin et seul survit l'esprit. L'Univers aurait donc une vie avec une naissance et une mort, et la Science moderne ne dit pas autre chose.

La cosmologie moderne est basée sur l'hypothèse que l'espace-temps a commencé dans une singularité du type Big-Bang et qu'il finira soit dans un grand écrasement ou Big Crunch (si après s'être dilaté, l'Univers se contractait) soit dans une singularité à l'intérieur d'un trou noir (qui concernerait une région de l'Univers, comme notre galaxie ou notre système solaire).

Même si les concepts d'Univers en expansion et de Big-Bang sont attribués à Edwin Hubble et à Albert Einstein, Jean Pierre Luminet rétablit la vérité historique  en attribuant la paternité de la cosmologie relativiste à trois pionniers que sont le Russe, Alexandre Friedmann, le Chanoine Belge, Georges Lemaître et l'Américain, George Gamow. Tous trois sont à l'origine des idées fondatrices de la relativité : l'expansion de l'Univers, son origine singulière et l'existence d'un rayonnement fossile, mémoire de cette origine.

En 1922, Friedmann introduit une révolution scientifique de même ampleur que la révolution copernicienne - A l'absence de toute évolution de l'Univers - la " staticité " -, Friedmann substitue l'historicité de l'Univers, comme espace-temps, et l'idée d'un commencement. L'ouvrage de vulgarisation écrit par Friedmann intitulé " L'univers comme espace et temps " comporte trois chapitres : l'Espace, le Temps et la Gravitation dont l'union est telle qu'envisagée par la Relativité et qu'il décrit en termes d'objets mathématiques. La théorie de la Relativité restreinte, à l'origine conçue comme une théorie physique de l'électrodynamique, a été géométrisée par Henri Poincaré puis Hermann Minkowski qui formalisa l'espace-temps quadri dimensionnel, base mathématique des développements ultérieurs de la Relativité. Partant des constatations cosmologiques non statiques de Friedmann, auxquelles il donne le sens d'un Univers en expansion, Lemaître va en déduire qu'il a fallu à l'origine un état initial singulier qu'il nomme l'" atome primitif ". Le terme de Big-Bang a été lancé de façon sarcastique sur les antennes de la B.B.C. en 1948, par Fred Hoyk, adversaire acharné de la théorie de Lemaître, au cours d'un débat radiodiffusé qui l'opposait à George Gamow. L'œuvre de Lemaître est considérable et ses intuitions concernant l'évanouissement de l'espace, le rôle du vide quantique dans l'accélération de l'expansion cosmique, l'hypothèse d'un Univers à dimensions supplémentaires en font un prodigieux visionnaire. Georges Gamow s'appuiera sur ses idées pour apporter le développement décisif à la théorie de l'Univers primitif.

Dans " Une brève histoire du temps ", Stephen Hawking décrit ce qu'a pu être le début de l'Univers. Au moment du Big-Bang, l'Univers est censé avoir eu une dimension nulle et avoir été infiniment chaud " l'étincelle initiale ". Cette " singularité " microcosmique de 10-33 centimètres, donnant une explosion gigantesque en 10-43 secondes défie l'imagination, libérant une température de 1032 degrés (le mur de la température). Le Big-Bang ne serait qu'un " événement lié à une instabilité ".

A la fin de la première seconde d'existence de l'Univers, le cosmos tout entier ne mesurait que 300 000 kilomètres, mais un millième de seconde plus tôt, il mesurait 300 kilomètres, puis 30 mètres au premier dix millionième de seconde, quelques mètres au premier cent millionième de seconde et, un infime instant plus tôt, une poussière et enfin une particule invisible. Comment imaginer qu'à l'origine, l'Univers avec ses milliards d'étoiles et ses milliards de galaxies ait pu être plus petit que le plus minuscule des grains de poussière. Pour les physiciens la plus petite longueur physique possible, l'ultime frontière du monde physique a constitué ce qui est appelé le " mur de Planck " (10-33 centimètres). C'est à cette longueur extrême que la physique moderne fait démarrer le Big-Bang. Grâce à de nouveaux instruments mathématiques, très puissants, les " groupes quantiques " il est possible d'entrevoir ce qui se passait avant le Big-Bang, correspondant aux fluctuations primordiales de l'espace-temps. Le point zéro de l'Univers, la " singularité initiale ", sans dimension, hors du temps, de toute énergie et de toute matière, représente un état d'information pure. Cette information qui existe au fond des trous noirs, s'exprime en temps imaginaire ; l'approche en devient possible grâce à deux théories récentes : la théorie des groupes quantiques et la théorie topologique des champs. Cette dernière qui ne mesure plus l'évolution d'un système en temps réel mais en temps imaginaire pur permet de " voir " la réalité ultime de la fantastique information qui précède notre univers physique. L'information incroyablement complexe à l'origine de tout l'univers, agissant à la manière d'un " code mathématique " dont parlent les Bogdanov, a fait dire à Neil Turok : " l'Univers tout entier à jailli, de manière splendide, d'une seule et unique formule ". Le phénomène physique peut alors s'enclencher.

Environ 100 secondes, après le Big-Bang la température initiale a déjà chuté à 1 milliard de degrés, ce qui correspond à la température intérieure des étoiles les plus chaudes. Protrons et neutrons commencent à se combiner entre eux pour former des atomes de deutérium, l'hydrogène lourd, constitué d'un proton et d'un neutron. Secondairement, la combinaison de 2 protons et de 2 neutrons vont constituer des noyaux d'hélium et de petites quantité de lithium et beryllium, prélude à la production d'hydrogène. Pendant les 1000 ans qui suivent, l'univers continue à se dilater et à mesure que l'Univers se dilate, matière et rayonnement se refroidissent. Lorsque le volume double, la température diminue de moitié. Quand la température chute à quelques milliards de degrés, noyaux et électrons commencent à se combiner pour former des atomes. Certaines régions plus denses ont une expansion ralentie du fait d'une attraction gravitationnelle plus forte, et vont se mettre en légère rotation donnant naissance aux  galaxies. Dans certaines étoiles, comme le Soleil, la température du gaz augmente suffisamment pour démarrer des réactions nucléaires convertissant l'hydrogène en hélium, rayonnant l'énergie résultant de ces réactions sous forme de chaleur et de lumière.

D'autres commencent à convertir leur hélium en éléments plus lourds comme le carbone et l'oxygène. Le Soleil est une étoile de seconde ou troisième génération, formée il y a environ 5 milliards d'années à partir d'un nuage de gaz contenant des débris de super nova.

La terre, d'abord très chaude et dépourvue d'atmosphère, se refroidit et une atmosphère se constitue du fait d'émissions gazeuses (hydrogène sulfuré) à partir des roches. En sautant quelques étapes, on en vient à la constitution dans les océans de macromolécules capables de se dupliquer. C'est le début d'un processus d'évolution qui a conduit au développement d'organismes, de plus en plus complexes, capables de se reproduire. Les premières formes de vie primitive consommaient différents types de matériaux, y compris l'hydrogène sulfuré, et rejetaient de l'oxygène qui  va constituer l'atmosphère  tells que nous la connaissons. Cette évolution va permettre l'apparition d'êtres de plus en plus complexes : poissons, reptiles, mammifères et enfin l'homme, terme (actuel ?) de la sélection darwinienne des espèces. François Jacob écrit : " Le temps est indissociable de la genèse même du monde vivant et de son évolution. On ne rencontre sur cette terre aucun organisme  qui ne constitue l'extrémité d'une série d'êtres ayant vécu au cours des deux derniers milliards d'années ou plus ".

Ce scénario génial n'explique cependant pas tout et un certain nombre de questions restent encore sans réponse : pourquoi l'Univers primitif fut-il si chaud ? pourquoi l'Univers s'est-il d'emblée dilaté, avec un taux d'expansion proche de sa valeur critique et se dilate encore à un taux voisin de cette valeur critique ? Pourquoi cet Univers homogène à grande échelle comporte t-il des particularités locales, comme étoiles et galaxies ? Pourquoi, comme sur la terre, se sont trouvées réunies les conditions nécessaires à l'émergence d'organismes complexes ?

Le paradoxe est que l'on ne peut pas comprendre le début de l'Univers, alors qu'il évolue selon des lois que nous connaissons, et qui font que les évènements n'arrivent pas de façon arbitraire. Il existe un ordre de l'Univers que la Science découvre. Peut-on imaginer que cet ordre soit le seul finit du hasard ou faut-il évoquer une intelligence supérieure qui l'ait conçu ? Qu'il y ait une ou des régions de l'Univers où puissent se rencontrer des conditions favorables au développement d'organismes aussi complexes que l'Homme peut-il être purement le fruit du hasard ? L'Univers est-il défini dans un espace ou y a t-il une infinité d'univers ?

Stephen Hawking conclut cette réflexion par ce qu'il nomme le " Principe anthropique " : " C'est parce que nous existons que nous voyons l'univers tel qu'il est ". S'il avait été différent nous ne serions pas là.

Si la science moderne permet de valider ce scénario du début et de l'évolution de l'Univers, c'est parce que la théorie quantique permet aux lois physiques d'être valables partout et en tous temps, y compris au commencement du temps.
La physique et la cosmologie permettent d'envisager la disparition de l'Univers qui ne devrait cependant pas intervenir dans moins d'environ 10 milliards d'années. Des phénomènes observables permettent d'imaginer ce que pourrait être ce Big Crunch, au terme de la re contraction de l'Univers. Ce sont les trous noirs. Les trous noirs sont des objets cosmiques tellement massifs que tout ce qui y entre, matière ou lumière, ne peut en ressortir. Des trous noirs de " petite taille " peuvent se former à partir d'étoiles géantes qui s'écroulent sur elles mêmes en fin de vie. Les plus grands, des millions de fois la masse du Soleil, se cachent au centre de nombreuses galaxies. Le télescope spatial Chandra vient d'observer un trou noir, situé à des milliards d'années lumière, ayant englouti, sur une période d'au moins cent millions d'années, l'équivalent de trois cent millions de soleils ! Les trous noirs pourraient être aussi nombreux que les étoiles. Même si les trous noirs, en raison d'une gravité très élevée, attirent en leur sein même la lumière qui va descendre en spirale le long des parois du puit gravitationnel, ils émettent cependant des particules et du rayonnement, comme un corps chaud à une température d'autant plus basse que sa masse est plus élevée.
Trou noir
Ce qui s'observe dans certaines régions de l'Univers peut-il être extrapolé au Big Crunch ? Stephen Hawking émet une hypothèse différente qui serait que, même fini en expansion, l'Univers n'aurait aucune singularité qui forme frontière ou bord (notion éminemment anthropomorphique). En effet, la combinaison de la Relativité Générale avec le principe d'incertitude de la Mécanique Quantique fait que l'espace, comme le temps, pourraient être finis, mais sans bord, ni frontière. Sa conclusion est lapidaire : " La condition aux limites de l'Univers et qu'il n'y a pas de limites ". Ni créé, ni détruit, il ne peut qu'être.
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