UNIVERS (Extrait d'un article publié sur cafe des sciences)

Un peu d’histoire : le big bang

Quelle est l’origine de l’univers ? Voilà une question bien passionnante, que les hommes se posent depuis bien longtemps. Depuis le mois de mars 2013, nous avons vieilli de 80 millions d’années. Pour essayer de comprendre ce qu’il se passe, regardons les progrès que nous avons faits depuis pas très longtemps. Il y a environ 150-200 ans, beaucoup d’hommes étaient persuadés que l’univers avait 6000 ans. Ils avaient compté les générations dans l’ancien testament. A l’époque de Buffon, il avait lancé un boulet de canon et regardait combien de temps mettait le boulet pour se refroidir, il avait extrapolé la Terre et trouvait 70 000 ans. Ce n’est que depuis 1930-1940 que nous avons compris que l’âge de l’univers se chiffre en milliards d‘années.

Quelle est l’histoire et la géographie de l’univers ? Comment se répartit la matière ? Elle n’est pas répartie de manière homogène, uniforme, mais l’ensemble de la matière se répartit dans des galaxies. Ces galaxies se répartissent en amas, chaque amas comportant entre quelques dizaines et quelques centaines d’objets, par exemple nous vivons dans un amas local qui comporte 20 ou 30 galaxies. Et de plus l’ensemble de la matière de l’univers se répartit sous forme de filament, comme une immense éponge.

Quatre personnages ont joué un rôle essentiel dans la compréhension de la mise en place de cette immense éponge. Albert Einstein, Edwin Hubble, Georges Lemaître, et George Gamow. Einstein au début du 20^ème siècle, observe que la lumière se déplace à une vitesse finie. Autrement dit regarder loin dans l’univers, c’est aussi regarder loin dans le passé. L’espace et le temps se mélangent. Il invente la théorie de la relativité, restreinte puis générale, qui est une sorte de généralisation de la théorie de Newton de la gravitation, qu’il précise dans les cas de grande vitesse ou de grande masse. A la fin des années 1920, Hubble découvre que plus un objet est loin de nous, plus il s’éloigne de nous rapidement (par ce qu’on appelle l’effet Doppler). Les galaxies s’éloignent de nous. On comprend alors que l’univers est en expansion. Chaque objet s’éloigne de tous les autres. Lemaître, physicien belge, propose alors de remonter le film à l’envers, tout a dû commencer à un moment où toute la matière était rassemblée, en un seul point, un tout petit volume. On obtiendrait alors l’âge de l’univers. Certains ont même émis l’idée d’un atome primitif. En 1945-46-47, George Gamow émet l’idée que si tout a commencé par être rassemblé dans un petit volume, matière et lumière mélangées, alors les températures seraient tellement énormes que la matière n’existait pas, il n’y avait que du rayonnement. Son papier passe plutôt inaperçu à l’époque. Puis en 1963, deux étudiants sont engagés pour construire une antenne de communication par la Bell Telecom Company. Mais ils observent du parasitage. Ils pensent que les signaux qu’ils observent sont dus à l’armée, à la station de radio voisine, voire même aux pigeons qui ont élu domicile dans l’antenne. Mais rien n’y fait. Ils émettent l’idée que ce parasitage est dû au rayonnement primitif dont a parlé Gamow. Résultat : prix Nobel. Il reste des traces de ce rayonnement primitif, observé par différents satellites depuis les années 90. On comprend que l’expansion de l’univers a commencé il y a 13,82 milliards d’années. Mais rien n’indique que c’est le début. Les astronomes sont capables de raconter ce qu’il s’est passé depuis 13,82 milliards d’années, ce qui est quand même pas mal. Alors la question du début se pose.

La carte du fond diffus cosmologique, prise par le satellite Planck – Observatoire de Paris

 

Le problème du début

Pour décrire le « début », cette période où tout est concentré dans un tout petit volume, nous avons une théorie, la mécanique quantique, inventée dans les années 1930, qui est la théorie de l’infiniment petit, grâce à laquelle on a inventé les téléphones portables, les ordinateurs, les lasers, etc. Le problème est qu’elle est incompatible avec la théorie de la relativité générale, censée décrire les systèmes massifs. Dans les conditions ramassées du début, aucune de ces théories ne marche. Donc se pose le problème suivant : parler de début n’a pas de sens. Il faut une nouvelle théorie, les physiciens travaillent actuellement dessus.

Le rayonnement fossile a été émis 380 000 ans après ce temps zéro, c’est la date à partir de laquelle la lumière a été libérée. On aurait pu imaginer que ce rayonnement primitif était homogène, isotrope. Mais non, il y a de petites différences de température, entre différents endroits. Mais c’est parce que l’univers était différent qu’il a pu se former tel qu’il est aujourd’hui, et donner les étoiles, les planètes et la vie.

Le problème de la matière

Les astronomes savent évaluer la masse des objets, de deux façons différentes. Mais le problème est que les résultats de la masse de l’univers donnent des résultats différents d’un facteur 10. Il semble donc que 90% de la matière de l’univers soit sous une forme totalement inconnue, qu’on appelle matière noire. Il y a une dizaine d’année, on a découvert que l’extension de l’univers accélérait. Mais ce n’est pas possible d’accélérer quelque chose sans énergie. Et il n’y a pas d’extérieur qui apporterait de l’énergie à l’univers. Alors il faut imaginer de l’énergie à l’intérieur, de l’énergie noire. Or Einstein nous a appris que matière et énergie sont une seule et même chose. Si on fait le bilan de la matière dans l’univers, on trouve que 68,3% de la matière est composée d’énergie noire, dont on ignore la nature, 26,8% de matière noire, dont on ne sait pas ce que c’est, et 4,9% d’atomes et de molécules. Sur les 100%, nous n’avons trouvé qu’1%. Après 6000 ans d’efforts, il nous reste 99% d’inconnu. L’aventure continue !

Un anneau présumé de matière noire (en bleu) dans l’amas stellaire CL0024+17 reconstitué sur une image du satellite Hubble à partir des mesures de distorsion de la lumière par l’amas – NASA, ESA.