Cosmologie: petite histoire de l'univers

Petite histoire de l'univers

Tout le monde a entendu parler du "big bang". Mais savez vous comment la science actuelle a pu décrire l'histoire de notre univers ? Cette histoire ne s'est pas faite en un jour ! Elle est le fruit d'un long travail de milliers de personnes qui y ont parfois  laissé leur vie, comme Giordano Bruno, brûlé vif par l'inquisition vénitienne le 17 février 1600... Mais il faut dire que cette histoire de l'univers telle que nous la concevons maintenant est parfois bien étrange et contre intuitive...
La galaxie d'Andromède

L'antiquité

Les peuples de l'antiquité concevaient généralement le ciel comme statique : il était là, il avait toujours existé. En inde, les philosophes pensaient que l'univers était infini. En Europe, On concevait la voûte étoilée comme une réalité physique, une sphère immense mais finie sur laquelle les étoiles étaient plantées. Pour certains peuples africains, la voie lactée, notre galaxie, était "l'échine de la nuit" : elle soutenait la voûte céleste et l'empêchait de s'effondrer. Pour certains peuples indiens d'Amérique, le ciel reposait sur quatre arbres immenses... Il est remarquable que tous ces peuples aient accordé une attention extrême aux choses célestes, passant des milliers de nuits sans sommeil à le scruter des yeux, notant tout ce qui s'y passait... Ils savaient déjà que 6 "astres errants", les planètes visibles à l'œil nu,  parcouraient les constellations, mais pas n'importe comment, en suivant approximativement un cercle que l'on appela plus tard l'écliptique, parmi les constellations du zodiaque...

Sauf en inde où l'univers était vu comme ayant toujours existé, les peuples antiques avaient tous leur théorie de la genèse, de la création du monde. La plus connue est celle de la bible, laquelle affirme que l'univers a été créé par un Dieu, qui lui, avait toujours existé. Ceux qui osaient critiquer cette affirmation finissaient au bûcher...
Pourtant, progressivement, les vraies dimensions du cosmos commençaient à s'imposer. Il est remarquable de voir que ce n'est qu'avec réticence que les savants, puis les peuples, commencèrent à admettre un cosmos de plus en plus grand. C'est tout d'abord Erathostène, qui, deux cent ans avant JC,  calcule le diamètre de la terre avec une précision remarquable (une erreur de seulement 100 Km !).

Erathostène était directeur de la grande bibliothèque d'Alexandrie , qui fut pendant près de huit siècles la plus grande bibliothèque du monde, et de loin. Sa destruction, en 685, et l'autodafé des livres (brûlés pour chauffer les bains publics !) fut la plus grande catastrophe de l'histoire humaine. Une source immense de connaissance fut perdue par la bêtise des hommes...
 
Force est d'admettre que si la terre est si grande, la lune et les planètes doivent se trouver très loin. Cette connaissance s'est perdue durant le moyen âge, mais pas tout à fait ; il faut noter que Christophe Colomb connaissait l'évaluation d'Erathostène, mais qu'il tricha et n'en fit surtout pas étalage lorsqu'il présenta son projet d'aller jusqu'aux Indes par l'ouest, car si la terre était aussi grande, ses navires n'auraient pu faire le voyage ! Mais c'est l'invention de la lunette astronomique par Galilée en 1609 qui révolutionna l'astronomie : on se trouva dans l'obligation d'accepter que les planètes tournaient autour du soleil, (puisque Vénus présentait des phases, comme la lune), et qu'elles en étaient à des millions de kilomètres, que certaines planètes avaient des satellites (Galilée découvrit les quatre plus gros satellites de Jupiter), et que la lune n'était qu'un satellite de la terre.

Les temps modernes

Pendant deux siècles, on ne resta là : l'univers, c'était le système solaire et les étoiles. A quelle distance se trouvaient-elles ? Mystère. Très loin, car sinon on aurait dû trouver  une différence d'angle de vision en visant la même étoile avec deux télescopes éloignés, ou mieux encore, avec le même télescope mais à six mois d'intervalle (puisque la terre tourne autour du soleil en une année et qu'elle en est à 150 millions de kilomètres, au bout de six mois la distance entre deux positions de la terre est de 300 millions de kilomètres). Or on ne trouvait rien...
La raison en apparût au XIXème siècle : il fallait un instrument extrêmement précis, et choisir une étoile suffisamment proche. Alors on trouva par une mesure directe (une différence d'angle de visée, que l'on appelle parallaxe)  la distance de l'étoile la plus proche : 44 000 milliards de kilomètres,  Soit trois cent  mille fois la distance de la terre au soleil. Aujourd'hui, on utilise des unités plus pratiques que le kilomètre :

• L'année-lumière, qui malgré son nom est une mesure de distance, représente la distance que parcourt la lumière en un an, soit un poil moins de dix mille milliards de kilomètres. Alpha du centaure, l'étoile la plus proche (visible dans l'hémisphère sud) est ainsi à 4,3 années-lumière de nous. Nous la voyons telle qu'elle était il y a quatre ans et quatre mois. Le soleil, lui, est à 8 minutes-lumière de nous : Nous le voyons tel qu'il était il y a huit minutes !
• Le parsec, qui est la distance à laquelle la différence d'angle de visée (parallaxe) à six mois d'intervalle vaut une seconde d'arc (c'est à dire 1/3600e de degré d'angle). Le parsec fait environ 3 années-lumière. On voit que pour mesurer la distance des étoiles proches, il fallait savoir mesurer des angles au dix millième de degrés près !

Et pour les étoiles plus lointaines ? Là, les meilleurs télescopes du mode, et même le télescope spatial Hubble, sont impuissants, tellement elles sont lointaines : il nous faut procéder de manière indirecte. L'idée la plus simple, c'était que plus une étoile apparaît peu lumineuse, plus elle est lointaine, en première approximation du moins. Pour affiner cette approximation, on a besoin de savoir quelle est la luminosité réelle des étoiles, ce que l'on appelle leur magnitude vraie. Mais comment le savoir ?
Je ne peux pas m'empêcher de citer ici Auguste Compte, un philosophe qui cherchait les limites de la connaissance humaine, et qui affirma en 1840 qu'il serait à tout jamais impossible à l'homme de connaître la composition des étoiles. Trois ans après sa mort, on découvrit qu'il était possible, en faisant passer la lumière des étoiles à travers un prisme, de faire apparaître dans l'arc-en ciel ainsi obtenu des raies sombres qui révélaient... leur composition ! Les étoiles n'ont pas toutes la même couleur, ni la même composition, mais en gros elles contiennent  90 à 99% d'hydrogène, le reste étant de l'hélium et quelques traces d'autres éléments. Auguste Compte avait particulièrement mal choisi son exemple...

Commença alors un long travail d'arpentage cosmique : en utilisant cette technique, la spectroscopie, progressivement, à partir des étoiles proches dont la distance et désormais  la composition était connue, on put déterminer des types spectraux, des classes d'étoiles dont on savait déterminer la magnitude vraie. Dès lors, il suffisait d'aller plus loin : à partir du spectre d'une étoile et de sa magnitude apparente (sa luminosité mesurée sur la terre), on pouvait calculer sa magnitude vraie et donc sa distance !
C'est ainsi que les vraies dimensions de notre galaxie émergèrent : elle fait environ 100 000 années-lumière de diamètre. A la fin du XIXe siècle, on en était là : l'univers, pensait-on, c'était la voie lactée, cette galaxie unique et solitaire.  Dès lors le travail des astronomes était simple : il leur suffisait "de relever le plan de l'univers entier". Les astronomes de cette époque étaient des cartographes, pas des théoriciens.

Miracle

Il restait pourtant deux problèmes "mineurs" : 

• Tout d'abord, on se savait pas comment  fonctionnaient les étoiles. Quelle était la source de leur puissance fabuleuse ? Chaque mètre carré de la face diurne de notre planète reçoit environ 1 kilowatt d'énergie solaire. La puissance totale reçue du soleil, simplement sur les déserts, couvrirait des milliers de fois tous nos besoins en énergie... Et le soleil se trouve à cent cinquante millions de kilomètre de la terre ! La théorie de la "boule de feu" ne tenait pas : si le soleil était fait de charbon, sa combustion durerait moins de mille ans. Et le soleil est fait d'hydrogène, pas de charbon...
• Ensuite il y avait le problème de ces objets, les "nébuleuses", qui n'étaient visiblement pas des étoiles, et que l'on observait pourtant un peu partout dans le ciel. C'est seulement lorsque le grand télescope du mont Wilson (2,54 m de diamètre), en Californie, fut construit  en 1917 que l'on put distinguer, dans la nébuleuse d'Andromède... quelques étoiles minuscules. Les nébuleuses, la plupart tout du moins, étaient donc des amas d'étoiles ! A quelle distance se trouvaient-elles ? La plupart des astronomes pensaient alors qu'elles se situaient dans la voie lactée.
  

Ici se produisit un petit miracle : en 1912, une jeune astronome, miss Henrietta Leawitt, se prit à rêver. Son job était tout ce qu'il y avait de plus fastidieux : elle devait recenser et classer les mesures de luminosité et de distance de certaines étoiles variables, connues sous le noms de "céphéides", parce qu'on en trouve beaucoup dans la constellation de Céphée. Ces étoiles variables sont une des merveilles de la nature : au lieu de "brûler" régulièrement comme notre soleil, elles sont instables. Leur luminosité varie régulièrement avec le temps, elle oscille. Par exemple l'étoile Mira (la merveille), dans la constellation de la baleine, voit son éclat passer du simple au double en quelques mois ! Ce travail lassant ennuyait miss Leawitt, qui se mit à placer sur un graphique la luminosité (magnitude vraie) des étoiles en fonction de la période de leur oscillation lumineuse. Et, chose incroyable, le graphe était une droite ! La magnitude vraie des céphéide était une fonction directe de leur période. Il devenait possible, rien qu'en observant une céphéide et en mesurant sa période et son éclat apparent, de déterminer sa luminosité vraie et donc sa distance ! Or les céphéides ne sont pas rares, et il y en avait dans la nébuleuse d'Andromède...
Bingo ! Deux millions d'années lumières ! Les nébuleuses étaient donc en dehors de notre galaxie, elles étaient d'autres galaxies ! L'univers ne se bornait plus à la voie lactée, il contenait un nombre innombrable d'autres galaxies, les "univers-îles", comme on disait à l'époque... l'univers était des dizaines, des centaines, des milliers de fois plus vaste que ce que l'on avait pu penser. Bientôt, ont pu également "résoudre" des céphéides dans d'autres nébuleuses, et  c'est en dizaines de millions d'années lumière que les dimensions du cosmos se chiffraient désormais... Miss Leawitt avait centuplé les dimensions de l'univers. Mais ce n'était qu'une étape !

Vie et mort des étoiles

Le premier indice vint... non pas de l'astronomie, mais de la physique nucléaire. Vers 1920, la théorie quantique émergente permet de comprendre l'atome, mais aussi le fonctionnement des étoiles : celles-ci étaient de gigantesques bombes thermonucléaires. A chaque seconde, le soleil perd quatre tonnes de sa masse et les convertit en énergie lumineuse. Dans son cœur, à plus de cent millions de degrés, les atomes d'hydrogène fusionnent pour former des atomes d'hélium. Or la masse de l'atome d'hélium est inférieure à celle des atomes d'hydrogène qui lui ont donné naissance lors de cette réaction de fusion...  La différence de masse est convertie en énergie selon la célèbre formule d'Einstein, E=mc². Dans cette équation, l'énergie dégagée E est en Joules, m est en grammes et c est la vitesse de la lumière en mètres par seconde (soit c =3x10⁸). A cause de ce facteur qu'il faut encore élever au carré, une perte de masse infime (4 tonnes par seconde) conduit à un dégagement d'énergie fabuleux, la puissance de l'étoile solaire.

Les jeunes étoiles des pléiades

Dès lors, il devint possible, en connaissant le mécanisme des réactions nucléaires mises en oeuvre dans notre Soleil et dans toutes les étoiles, de calculer leur masse, mais aussi leur âge et leur durée de vie. Et la lumière fut : le soleil est âgé de 5,5 milliards d'années, et il illuminera encore notre ciel pendant cinq milliard d'années. Mais ce n'est pas le cas de toutes les étoiles. Une logique étrange s'applique ici : plus une étoile est grosse, moins longtemps elle vit. Les très grosses étoiles, les "géantes bleues" ont des réactions nucléaires très intenses et gaspillent leur précieux capital d'hydrogène en un rien de temps, quelque centaines de millions d'années tout au plus. A l'inverse, les petites étoiles ont devant elles une vie tranquille et longue de dizaines de milliards d'années.
Et donc, les étoiles et les galaxies peuvent naître et mourir. Comment naissent les étoiles ? De la condensation, sous l'effet de la gravitation, d'immenses nuages de "poussière" (essentiellement de l'hydrogène) que l'on trouve ici et là dans la galaxie (les nébuleuses qui ne sont pas des galaxies sont de tels nuages).
Ainsi nous pouvons déterminer  l'âge de notre galaxie : environ  10 à 15  milliards d'années. Le Soleil est deux fois plus jeune, il fait partie de la seconde génération d'étoiles. Chaque génération contient un peu moins d'hydrogène et un peu plus d'hélium que la génération précédente, car l'hélium est la "cendre" des réactions thermonucléaires. Mais la naissance  des étoiles de seconde génération est un peu plus compliquée : En effet les nuages d'hydrogène assez denses pour se condenser  l'ont fait dès l'origine de la galaxie, pour donner la première génération d'étoiles. Les autres nuages, moins denses, ont besoin d'un petit "coup de pouce" pour se condenser et donner lieu à la création d'étoiles. Ce petit coup de pouce sera donné par l'explosion d'une étoile, une "super nova".

Et c'est ce qui s'est produit près de notre soleil : dans notre voisinage cosmique, qui ne contenait alors qu'un vaste nuage d'hydrogène et d'hélium, une super nova a explosé, sans doute, il y a six ou sept milliards d'années, soit un ou deux milliard d'année avant la naissance du soleil.  : et l'onde de choc de cette fantastique explosion a provoqué l'effondrement du nuage, et la création du soleil et des planètes... Mais pas seulement. En effet, dans l'explosion d'une super nova, dans la chaleur terrible du coeur de l'étoile en train d'exploser, à plusieurs milliards de degrés,  d'autres réactions nucléaires sont possibles : au lieu de convertir l'hydrogène en hélium, comme dans une étoile normale, elles convertissent l'hélium en oxygène, l'oxygène en carbone, et bien d'autres réactions encore. En fait elles produisent même des atomes lourds comme le fer et l'Or, des atomes qui n'existaient pas auparavant.
Parce qu'il y a de l'Or sur terre, et parce que les atomes de ce métal ne peuvent être créés physiquement qu'aux températures fantastiques qui règnent dans le cœur d'une super nova en train d'exploser, nous savons qu'un tel événement a bien eu lieu. Et cet événement a créé tous les atomes et molécules qui donneront finalement naissance aux planètes et à la terre. Ainsi les matériaux dont nous sommes faits sont nés au coeur d'une étoile...
Le scénario commence à se préciser : 

L'univers évolue, sa composition chimique change avec le temps. Au départ, (mais quel départ ? patience, on y arrive...), il ne contenait que de l'hydrogène et de l'hélium, rien d'autre. Les étoiles de première génération naissent alors, brillent quelques milliards d'années, et finissent par exploser. Les matériaux fabriqués dans leur cœur en train d'exploser sont alors projetés dans l'espace à une vitesse fantastique, enrichissant en éléments plus lourds les nuages dont sortiront les étoiles de seconde génération... dont le soleil.

Alors, fini ou pas, l'univers ?

Et le travail d'arpentage cosmique se poursuivit, sur une autre échelle, cette fois : il s'agissait de recenser les galaxies, et de déterminer leur distance grâce aux merveilleuses céphéides de miss Lewitt.
Hubble au mont Wilson

C'est alors qu'entre en scène un petit génie, Edwin Hubble. Non content d'avoir, en 1923, déterminé la distance de la galaxie d'Andromède grâce aux céphéides, il découvre en 1929 un phénomène étrange : plus une galaxie est lointaine, plus son spectre est décalé vers le rouge . Les longueurs d'ondes des "raies spectrales" de l'hydrogène et des autres éléments sont plus longues que ce qu'elles devraient être. Quelle en était la cause ?
Hubble interprète le phénomène ainsi : plus les galaxies sont lointaines, plus elles s'éloignent de nous à grande vitesse. ceci à cause d'un effet très simple que l'on appelle l'effet Doppler. Vous le connaissez : vous avez tous remarqué que lorsqu'une voiture de police ou de pompier vient vers vous à grande vitesse, le son de sa sirène est plus aigu que lorsqu'elle s'éloigne. C'est cela, l'effet Doppler, et il est valable pour toutes les ondes, les ondes sonores comme les ondes lumineuses ou radio. Pour ces dernières le son "aigu" correspond à un décalage vers le bleu, le son "grave" à un décalage vers le rouge.
En mesurant systématiquement les distances et les décalages vers le rouge des galaxies (relativement) proches,  Hubble proposa sa "constante de Hubble", qui relie le décalage à  la distance des galaxies : plus elles sont décalées vers le rouge, plus elle sont loin et plus elles s'éloignent vite de nous.
De deux choses l'une, ou bien notre galaxie occupe le centre de l'univers et nous fuient toutes lâchement, position un rien anthropomorphique et quasi insoutenable en fait, ou bien l'univers apparaît alors comme si les galaxies étaient dessinées sur un "ballon de baudruche" (à quatre dimensions) qui se gonflerait sous l'effet d'une "expansion de l'univers". Ainsi l'univers se dilaterait, ce qui signifie qu'il a une origine dans le temps : l'inverse de la constante de Hubble donne directement l'âge de l'univers : 13 à 15 milliards d'années. A ce moment, l'univers était extrêmement petit, et très chaud, comme s'il avait résulté d'une cataclysmique explosion. Ce sera le BIG BANG, expression qui fera le tour du monde en un rien de temps.
La cosmologie cesse d'être le terrain des arpenteurs, elle devient celui des théoriciens. Ceux-ci vont phosphorer à foison. et les théories vont s'aligner, de plus en plus nombreuses, pour tenter d'expliquer le décalage vers le rouge observé par autre chose que l'effet Doppler. Citons la théorie de la fatigue de la lumière : la lumière, en se propageant sur d'insondables distances, se "fatiguerait", perdrait de l'énergie et se décalerait alors vers le rouge (les photons de fréquence moins élevées portent moins d'énergie, selon la fameuse relation quantique  E=h.ν). L'énergie perdue se retrouverait même dans la création spontanée de matière, qui viendrait peu à peu combler le vide galactique :  dans cette théorie l'univers est statique et infini, c'est à dire en gros le même partout et à tout moment... alors, vrai ou faux ? Qui a raison ?
Mais c'est une observation qui va sonner le glas de toutes ces belles théories et n'en laisser qu'une, celle du Big Bang : en 1965 on découvre que le fond du ciel, là où il n'y a aucun objet, émet des ondes radio dans les fréquences millimétriques. Le spectre de ce "bruit de fond cosmologique" est exactement celui d'un "corps noir" à la température de 3 degrés Kelvin, c'est à dire -270°C. Qu'est ce que cela signifie ?
Le "rayonnement du corps noir" est un terme particulièrement... obscur utilisé par les physicien pour caractériser le rayonnement émis par un corps chaud : l'acier en fusion brille d'une belle lumière orange, l'intérieur d'un four à pyrolyse en action est rouge sombre, en fait tout corps qui n'est pas au zéro absolu (0°K soit -273,15°C) émet un rayonnement. Pour un corps très froid, ce rayonnement n'est plus visible, il n'est même plus dans le domaine infrarouge, mais dans celui des ondes radio. Et donc le rayonnement cosmologique mesure la température résiduelle de l'univers : 3°K, soit -270°C. Or cette température est précisément celle qu'on calcule en simulant le refroidissement de l'univers à partir du big bang. Il semble que l'on ait découvert la vraie structure du cosmos.
L'univers est donc fini dans l'espace, et il est fini dans le passé. Est-il fini dans le futur ? Quelle est sa forme topologique ? Que signifie "une bulle qui se dilate en quatre dimensions" La vitesse d'expansion varie-t-elle avec le temps ? Non, les théoriciens n'ont pas fini de phosphorer !
Signalons encore un argument étrange à propose du caractère fini de l'univers. Au départ, une question toute bête : Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ? Si l'univers était infini, et contenait donc un nombre infini d'étoiles, peux t-on penser, derrière chaque point du ciel il devrait y avoir (plus ou moins loin) une étoile, et donc ce point devrait briller. Au lieu d'être noir, le ciel serait une fournaise ! Conclusion : l'univers est fini ? En fait, ce raisonnement simple est .. simpliste. La vraie explication de pourquoi le ciel est noir nécessite des arguments fort compliqués de relativité générale. Si cela vous intéresse,  voici un document PDF sur ce passionnant problème 

Alors, tout est clair ?

Résumons nous : l'univers est né il y a 15 milliards d'années d'une fantastique explosion, le Big Bang. Attention, il ne faut pas imaginer une explosion dans l'espace, mais une explosion de l'espace : en un sens, le Big Bang n'a pas eu lieu à un endroit précis, mais partout à la fois. Quant à la question du pourquoi du Big Bang, la théorie en vogue dit qu'il s'agirait d'une énorme "fluctuation quantique" : en effet  la physique quantique enseigne (principe d'incertitude de Heisenberg) que l'énergie d'une particule ou simplement d'une portion d'espace ne peut pas être mesurée avec une précision infinie en un temps fini : l'incertitude sur l'énergie devient très grande si on essaye de la mesurer sur un temps très court. Pour un intervalle de temps zéro, l'intervalle d'énergie est... infini. D'où le Big Bang, dont l'énergie correspondrait à l'incertitude de mesure pendant le "temps de Planck", le plus petit intervalle de temps qui ait un sens physique. Hum ! Je vous dirai plus loin ce que j'en pense.
Au commencement, l'univers était très chaud, et "quasi" ponctuel. Depuis, l'univers s'agrandit sans cesse, en se refroidissant. Sa température actuelle peut être mesurée : 3°K. Les galaxies s'éloignent donc de nous d'autant plus vite qu'elles sont éloignées. Donc, la mesure (par effet Doppler) de leur vitesse de récession donne leur distance. Tout baigne...
Enfin presque. Parce qu'il subsiste quelques problèmes. Et il se pourrait bien que ces "petits problèmes" ruinent complètement notre bel édifice. Alors jetons donc un pavé dans la marre et voyons donc où s'en vont tous les canards.

> La suite : Le modèle standard et ses problèmes