Le cosmos en devenir
Du "big bang" aux trous noirs et aux naines blanches

Marc LACHIEZE-REY - 15 novembre 2008

Nous vivons dans un monde qui évolue à toutes les échelles. La Terre elle-même, dans sa structure géologique, évolue. L'Univers, les Galaxies évoluent. On le sait aujourd'hui, mais on ne l'a pas toujours su ; c'est progressivement que nos prédécesseurs se sont peu à peu aperçus que tel ou tel système, les plantes, la Terre en particulier, ou encore la biosphère, évoluent. Pour chacun de ces systèmes, il y a eu une époque où ceux qui nous ont précédé ont pris conscience de cette évolution. Pour la Terre en particulier, au XVIIe XVIIIe siècle, les savants d'alors se sont rendus compte que la Terre n'avait pas toujours existé telle qu'on la connaissait mais qu'elle avait eu une naissance ; finalement on est même arrivé à dater cette naissance.

Puis, au XIXe siècle, les travaux de Darwin ont montré que la Vie, elle aussi, évoluait : toutes les espèces vivantes n'avaient pas toujours existé telles qu'elles sont aujourd'hui. L'évolution s'est faite dans un sens très précis, elle a eu un début et aura peut être une fin. Il y a 4 milliards d'années, la vie n'existait pas, puis elle a pris naissance, point de départ d'une longue évolution qui se poursuit aujourd'hui. Au sein de cette évolution de la vie, l'espèce humaine est apparue et elle aussi a évolué ; elle continue d'évoluer, d'une manière, on l'espère, bénéfique.

Enfin on est venu à penser - mais cela est venu plus tard - que l'Univers et le Monde dans leur ensemble évoluent. Il a été reconnu que la Terre est un système en évolution, qui a eu une naissance, une certaine vie, et aura peut-être une fin ; comme il a aussi été reconnu que les étoiles comme le Soleil et les autres astres de notre galaxie sont également des systèmes qui naissent, vivent, et meurent ; et qu'il en était de même pour toutes les galaxies. Au début du XXe siècle, tout cela était plus ou moins compris.

Pour autant, cela n'impliquait pas du tout, dans l'esprit de l'époque, que l'Univers, dans sa réalité fondamentale, puisse évoluer. On avait toujours en tête, en effet, le modèle de pensée "newtonien", ou même aristotélicien (ils sont équivalents de ce point de vue là), selon lequel le cadre très général que forme notre Univers n'évolue pas.

La pensée physique de Newton

Selon Newton, en effet, le cadre dans lequel se déroulent les phénomènes physiques est un espace qui conserve en tout lieu les mêmes propriétés, et qui, à très grande échelle, ne présente aucune variation ; donc un cadre totalement fixe, qui ne change pas. De plus, indépendamment du cadre que forme l'espace, le temps s'écoule en affectant de la même manière tout ce que contient l'espace, les objets, les phénomènes, les plantes et tout ce qu'elles portent, y compris nous-mêmes.

C'est la vision newtonienne : les choses, les systèmes évoluent, mais dans un cadre qui, lui, n'évolue pas, ce cadre étant l'espace ; l'évolution étant par ailleurs rythmée selon un temps universel. Quand Newton nous dit que le temps est universel, il veut dire que le temps affecte de la même manière tous les phénomènes, tous les objets, qu'il est une même grandeur physique qui concerne tout l'Univers. Cette vision va durer à peu près jusqu'au début du XXe siècle.

Se produira alors, au début du XXe siècle, une révolution de la physique, qui va de pair avec une révolution des idées, on pourrait même dire une révolution multiple, car la physique est une vision du monde qui a une portée épistémologique, philosophique, métaphysique, ontologique. Mais avant de décrire le contenu de cette révolution de la physique (nous le faisons plus loin), revenons plus en détail sur la physique newtonienne Encore au début du XXe siècle, on peut dire que notre physique, fondamentalement, remontait à Newton, donc au XVIIe siècle. On peut considérer que c'est avec Newton qu'est née la physique moderne, à la suite toutefois des découvertes et des travaux de Galilée, de Kepler et de quelques autres (à noter d'ailleurs qu'avant le XVIIe siècle, déjà chez les Grecs et dans l'Antiquité, on trouve chez certains "savants" des pensées sur la physique). Mais c'est Newton, le premier, qui a donné un ensemble de prescriptions qui permettent de faire de la physique comme on en fait aujourd'hui, en énonçant des lois comme par exemple la dynamique, la gravitation universelle (comme il l'appelait), lois qui sont considérées comme universelles, donc valables dans tout l'Univers. C'était là une idée absolument nouvelle car, auparavant, avec Aristote, on pensait que, peut-être, il y avait des lois pour la Terre mais d'autres lois pour l'Univers ; c'était l'ancienne opposition entre le monde "sublunaire" et le monde "supralunaire", le premier soumis à la corruption, le second image de la perfection

Cela étant, chez Newton - et c'est également nouveau - la méthode scientifique cherche à rendre compte de la réalité par des modèles et des théories compris comme universels, et que l'on confronte ensuite à la réalité. Le fondement de la physique, c'est alors qu'à partir de méthodes et de pensées recourant à des modèles mathématiques, on va essayer de prédire ; on fait telle ou telle prédiction, puis par une observation et une expérimentation, on va vérifier si cette prédiction s'applique ou non, est exacte ou non, ce qui va conduire à valider notre modèle ou à le rejeter. Ce sont là les principes fondamentaux de la méthode scientifique, qui s'appliquent à la physique depuis Newton, mais aussi bien à la biologie, à l'astrophysique et à l'astronomie.

Avec Newton commence donc le règne de la physique moderne et celui d'une vision d'un monde constitué d'un cadre fixe appelé l'espace, dans lequel se déroulent des phénomènes à toutes les échelles : par exemple, la Terre et les autres plantes tournent dans le système solaire, le système solaire tourne dans notre galaxie etc.

Néanmoins, à la charnière des XIXe XXe siècles, bien qu'on soit encore dans le cadre de la physique newtonienne, on a commencé à faire des découvertes qui préparent la remise en cause de cette physique, remise en cause qui se produira un peu plus tard. Par exemple, on s'était aperçu avec Copernic que la Terre n'était pas du tout au centre du Monde, Copernic nous disant que c'était le Soleil qui occupait cette position. Plus tard, on s'est aperçu que le Soleil n'est pas non plus au centre du Monde, et que, finalement, il n'y a pas de centre du Monde.

Newton nous dit, sur ce point, que l'Univers est constitué d'un espace homogène, donc que tous les points de cet espace sont équivalents les uns aux autres, ce qui veut dire qu'il n'y a pas de centre, sinon ces points ne seraient pas équivalents les uns aux autres. Aujourd'hui, dire que l'espace est homogène, c'est ce qu'on appelle le Principe Cosmologique, qui déclare l'équivalence de tous les points de l'Univers, et donc qu'aucun point n'est privilégié. Avant Newton - rappelons-le - quand on disait que la Terre était au centre du monde, c'était la considérer comme l'endroit le plus bas, donc finalement le plus méprisable (le monde corruptible d'Aristote) ; et quand Copernic nous a dit que la Terre n'était pas au centre du monde, il l'a - si l'on peut dire - plutôt réhabilitée par rapport aux autres plantes ou aux autres étoiles ; on fait souvent des contresens sur ce point. Aujourd'hui, à la suite de Newton, nous pensons "Principe Cosmologique" : le monde n'a pas de centre, ni de frontières : c'est une grande innovation.

Au XIXe siècle, on pensait donc cet espace à la fois infini et uniforme. Mais on pensait aussi que la matière n'occupait pas tout l'espace. Les astronomes s'étant convaincus que le Soleil n'était qu'une étoile parmi des millions ou même des milliards d'autres ; on avait commencé à compter ces étoiles et on était arrivé à la notion de Galaxie ; notre système solaire y occupait sa place, modeste, dans un système qui rassemblait une centaine de milliards d'étoiles, la Voie Lactée (dénommée Galaxie) qui avait une forme de disque, mais aussi de spirale, le Soleil n'étant qu'une de ses étoiles. Au delà des limites de la Galaxie, il n'y avait plus rien, sinon le vide. À la fin du XIXe siècle, la conception la plus répandue était que le monde matériel se réduisait à notre Galaxie, avec ses 100 milliards d'étoiles, mais qu'au-delà, il n'y avait rien, sinon le vide infini.

Or, au début du XXe siècle, à la suite d'observations - et en reprenant des hypothèses déjà émises par Laplace, Kant, et d'autres astronomes au XVIIIe siècle - on s'est aperçu que notre Galaxie n'était pas la seule. En effet, par delà sa centaine de milliards d'étoiles, il y avait du vide, mais beaucoup plus loin encore, il y avait ce que Kant le premier avait appelé d'autres "Univers îles", ce qu'on a appelle aujourd'hui d'autres galaxies. La plus proche de nous, qui ressemble d'ailleurs à la nôtre (galaxie spirale), est la galaxie d'Andromède, qui a été la première reconnue comme une galaxie extérieure à la nôtre par l'astronome américain Louis NOBEL. C'était en 1924.

1924 : une date charnière pour la cosmologie
La révolution physique et cosmologique du début du XXe siècle

Aujourd'hui, cette année 1924 apparaît comme une date très importante pour la cosmologie.

À cette date, en effet, le monde tel que nous le concevons a changé d'échelle : jusqu'alors nous pensions que le monde se réduisait à notre galaxie, avec ses cent milliards d'étoiles (donc déjà beaucoup plus grand que notre seul système solaire). En 1924 on est arrivé à penser l'Univers comme un monde dans lequel notre galaxie n'était qu'une infime petite molécule dans l'immense gaz cosmique - ce qui nous amène à une forte modestie que nous devons garder.

Depuis 1924, on a observé d'autres galaxies. On s'est aperçu qu'elles sont innombrables et qu'il y en a une grande diversité : certaines semblables à la nôtre, d'autres avec des formes différentes, plus vieilles ou plus jeunes, avec davantage d'étoiles, etc. Elles font l'objet du travail de nos astronomes qui les répertorient dans des catalogues. On sait que dans la partie de l'Univers accessible à nos observations, il y en a plusieurs centaines de milliards. Mais dans l'Univers entier, personne ne sait combien il y en a, puisque personne ne sait aujourd'hui si notre Univers s'étend à l'infini. Selon certains, oui, notre Univers s'étend à des distances infinies, donc il existerait un nombre infini de galaxies, choses difficiles à concevoir. Ou alors, comme d'autres le pensent, notre Univers a un volume total fini, auquel cas il y a certes un très grand nombre de galaxies, des centaine de milliards, mais, si l'Univers est fini, on pourrait un jour envisager de pouvoir compter les galaxies ; il y en aurait ainsi un nombre fini.

Donc 1924 est une date charnière. Elle marque une première révolution dans notre conception de l'Univers, où l'on a vu que l'échelle de l'Univers est beaucoup plus grande que ce que l'on pensait. C'est le premier acte d'une révolution cosmologique. Or cette révolution cosmologique - et c'est très important à souligner - va de pair avec la révolution de nos idées en physique qui s'est produite au début du XXe siècle. Rappelons-en l'essentiel. Il y a eu concordance entre :

C'est ainsi qu'au début du XXe siècle, vers 1900-1920, aux U.S.A., un astronome (Vesto Slipher) constata et mesura, grâce à ces nouveaux moyens d'observation, d'étranges "décalages vers le rouge", sans que personne ne comprenne alors réellement de quoi il s'agissait. Il faudra attendre le physicien belge Georges Lemaître qui, mettant ensemble ces observations et la théorie de la relativité, énoncera la théorie de l'expansion de l'Univers dont ces décalages vers le rouge constituaient en quelque sorte la base.

Donc, encore dans les années 1924, dans les esprits, la conception générale de l'Univers ne change pas beaucoup, le cadre reste le même. Lorsque Einstein propose (en 1917) le premier modèle relativiste de l'Univers, décrivant le monde comme étant en conformité avec sa théorie de la relativité générale, il décrit un monde statique, un peu à la façon de Newton.

La théorie de l'expansion de l'Univers - Georges Lemaître

Comme on vient de le dire, les observations qui sont à la base de la théorie de l'expansion de l'Univers n'ont pas été comprises tant que le cadre théorique, la théorie de la Relativité, n'a pas été elle-même bien comprise et assimilée.

Revenons sur ce qu'avait observé l'astronome américain Vesto Slipher, les fameux "décalages vers le rouge". Depuis le milieu du XIXe siècle, on a inventé le spectrographe, que l'on accole aux télescopes pour analyser la lumière en provenance des étoiles ou des galaxies. Cette lumière est analysée de manière spectrale, avec des raies spectrales. De plus on connaît depuis longtemps un phénomène connu sous le nom d'effet "Doppler-Fizeau", qui fait que lorsqu'on observe une source de rayonnement, et qu'on l'analyse au spectrographe, cet effet nous indique si cette source est en mouvement ou pas. C'est d'ailleurs valable aussi pour les ondes sonores : lorsqu'une voiture s'approche de nous, on a l'impression que le bruit du moteur a une fréquence (un son) plus élevée puis, lorsque la voiture s'éloigne, la fréquence est moindre, le son est plus grave. Or l'effet Doppler-Fizeau s'applique aussi à la lumière.

Donc quand on observe une galaxie, on s'aperçoit que, si la galaxie est en mouvement, la lumière est décalée par l'effet Doppler : elle est décalée vers le bleu si la galaxie se rapproche, et vers le rouge si la galaxie s'éloigne. C'est exactement cette observation que relève Vesto Slipher. Il observe des objets, qu'il croit encore être à l'intérieur de notre galaxie, les nébuleuses spirales (ce n'est qu'en 1924 qu'on les appellera des galaxies spirales). Il aperçoit des décalages importants, toujours vers le rouge, ce qui lui paraît bizarre, car les étoiles de notre galaxie sont partagées entre ces décalages vers le rouge, avec des vitesses qui s'éloignent de nous, et d'autre qui viennent vers nous, avec des décalages vers le bleu. On s'attendait donc que, pour l'Univers, ce soit la même chose.

D'où la première surprise pour Slipher : les galaxies nébuleuses s'éloignent, et jamais ne se rapprochent. Et, deuxième surprise, à des vitesses très élevées, au lieu des dizaines de km/seconde de nos étoiles auxquelles on s'attendait, Slipher arrive à des centaines de km/seconde, puis ce sera des milliers. Troisième chose, Edwin Hubble, étudiant la question, met en évidence la loi dite de Hubble : plus les galaxies sont lointaines, plus la vitesse avec laquelle elles s'éloignent est élevée. La vitesse V (éloignement d'une galaxie), vitesse d'expansion, est proportionnelle à la distance : V=HD, avec une constante de proportionnalité H, qu'on appelle aujourd'hui la constante de Hubble.

À l'époque, ces observations ne sont pas toutes bien comprises. Hubble avait repris les observations de Slipher, en 1929, et il s'était aperçu de la corrélation entre les distances et les vitesses (loi de Hubble) mais, justement, il ne la comprend pas, contrairement à Slipher. Et surtout, cela ne colle pas du tout avec le modèle cosmologique statique d'Einstein de 1917. Les astronomes sont perdus entre cette théorie et ces observations qui la contredisent. Un colloque d'astronomes de 1930 à Cambridge conclut qu'il y a quelque chose qui ne va pas.

C'est Georges Lemaître qui trouve la solution. Il l'avait déjà trouvée auparavant, dès 1927, et publiée dans une revue belge que personne n'avait lue. Mais lorsque le colloque publie ses comptes-rendus en 1930, Lemaître écrit à l'organisateur du colloque, Eddington, ancien professeur de Lemaître, et lui envoie sa publication de 1927. Il en ressort qu'il y avait donc d'autres modèles cosmologique que celui d'Einstein, que l'on pouvait construire à partir de celui de la relativité générale, donc d'autre solutions dans la théorie de la relativité générale ; et, parmi elles, certaines expliquaient naturellement les observation de Slipher et de Hubble, donc un Univers en expansion.

C'était quelque chose d'absolument nouveau, mais les astronomes ne s'en rendaient pas encore complètement compte dans les années 1930/40. Ils sont bien d'accord avec le modèle d'Einstein, avec Hubble et Slipher, avec les observations des décalages vers le rouge etc. ; mais les implications qui en découlent sur la vision du monde et de l'Univers sont longues à se faire jour.

Le premier qui va vraiment comprendre tout cela, c'est précisément Georges Lemaître, avec néanmoins une ambiguïté puisqu'il était en même temps physicien et chanoine. On lui a donc beaucoup reproché d'avoir inventé et poussé son modèle, qui s'appellera plus tard le "modèle du Big Bang" (qui est le nôtre aujourd'hui) avec des motivations "concordistes", c'est-à-dire avec le souci de faire coller en gros le récit scientifique avec le récit des Écritures (comme par exemple, les géophysiciens qui essaient aujourd'hui d'aller trouver des traces du Déluge quelque part, etc. - ou alors la démarche inverse, anti-concordiste, celle de trouver des discordances).

Georges Lemaître a été le premier à comprendre que la découverte de l'expansion de l'Univers impliquait une évolution de ce dernier. L'espace grandit en entraînant avec lui tout ce qu'il y a dedans, les galaxies sont immobiles dans l'espace, mais comme l'espace est en expansion, cela veut dire que la distance entre deux objets augmente, donc la distance entre deux galaxies augmente.

Cela a un sens physique selon la relativité générale ; on désigne ce fait par le mot de "Co-mobile": bien que les galaxie ne bougent pas dans l'espace, celui-ci les entraîne. C'est un courant d'espace, un courant d'expansion. Or si l'Univers évolue ainsi, cela veut dire que la même quantité de matière se retrouve dans un volume de plus en plus grand, que la matière se dilue. Et en physique on sait que dilution entraîne refroidissement. La matière se refroidit donc, elle devient de moins en moins dense.

Lemaître fait alors des calculs en appliquant les formules de la relativité générale. Il essaie de remonter par calcul au début de l'expansion, qu'il situe à environ 10 milliards d'années dans le passé. L'Univers étant alors plus dense, les choses étaient très différentes de ce qu'elles sont aujourd'hui. Imaginons le système solaire un milliard de fois plus dense ; c'était tellement dense qu'il n'existait pas d'objets dans l'espace, comme les plantes etc. ; il n'existait que de la matière très concentrée, très très chaude, à des millions de degrés, etc. Il n'y avait pas d'objets dans l'espace comme on les connaît aujourd'hui, étoiles, galaxies, plantes, pas de molécules, ni d'atomes non plus. D'où une idée avancée par Lemaître : si l'expansion de l'Univers se vérifie, alors il devait être complètement différent dans son passé très lointain, et à partir de ce stade où il était très concentré, il a dû ensuite par dilution et refroidissement arriver à l'état d'aujourd'hui.

Ce modèle de Big Bang est émis par Lemaître en 1931, sous le nom de "théorie de l'atome primordial". Ce n'est certes qu'une ébauche, mais elle est d'autant plus méritoire qu'on ne disposait pas alors de toutes les avancées de la physique d'aujourd'hui.

Scepticisme à l'égard du travail de Lemaître

Ce travail de Lemaître a suscité de l'indifférence ou de l'hostilité. Indifférence, car à cette époque c'est le développement de la physique quantique qui passionne tout le monde. Quant aux gens qui s'intéressent à la question soulevée par Lemaître, ils font preuve d'hostilité car l'idée que l'Univers évolue et n'ait pas été toujours le même, choque des conceptions vieilles de deux millénaires. Cela est difficile à admettre sur le plan métaphysique et religieux, un peu comme à l'époque de Copernic : cela heurte les Écritures.

Mais dans notre cas, précisément, cela semblait aller de pair avec les Écritures, à tel point que le pape Pie XII, à l'époque, dans un discours à l'Académie pontificale, fit référence aux derniers modèles de Big Bang, qui font commencer l'Univers dans un état très, très dense et très chaud, et rempli de rayonnements électromagnétiques, une certaine forme de lumière qui rappelle le Fiat Lux ! des Écritures. Le pape avait en quelque sorte "péché" par concordisme, et Lemaître, qui justement s'en défendait, se trouva dans une mauvaise position. Il a demandé de la discrétion à Pie XII. Le pape n'a pas renouvelé ce genre de déclaration.

Une opposition à Lemaître se forma aussi pour des raisons physiques. Sur la base de leurs observations, les astronomes firent une grosse erreur, très technique : quand ils cherchèrent à estimer le temps qu'il a fallu pour passer de cet état extrêmement dense de l'Univers à celui d'aujourd'hui, ils trouvèrent 2 milliards d'années (alors qu'aujourd'hui, corrections faites, c'est plutôt 13 milliards d'années). À l'époque, l'erreur parut d'autant plus grossière qu'on savait déjà, par des arguments géophysiques, que la Terre avait au moins 4 milliards d'années : c'était une grosse contradiction ! Elle a desservi Lemaître qui essaya de corriger ses conclusions mais fut très attaqué par ses contradicteurs.

S'en suivit, entre 1930 et 1960 une période un peu confuse, qui finalement se termina par la rectification des erreurs sur l'estimation de l'âge de l'Univers.

Le rayonnement fossile - confirmation de l'hypothèse du Big-Bang

Lemaître avait par ailleurs eu l'idée que, si on était dans le cas d'un Univers extrêmement chaud et dense à ses débuts, il devait subsister une forme de rayonnement, mais il était resté assez vague sur ce point.

Puis, dans les années 1940, avec la naissance de la physique nucléaire, les modèles d'Univers extrêmement chaud sont repris par les physiciens nucléaires, ces conditions de très grande densité et de très grande chaleur étant justement les bonnes conditions pour la physique nucléaire. Ils recommencent donc à travailler sur ces modèles pour appliquer leurs théories et font alors la prédiction que, si ces modèles sont vrais, alors que l'Univers était très chaud (on sait que lorsque qu'un objet est très chaud, du métal par exemple, il émet des rayonnements) l'Univers avait dû émettre un rayonnement hyper-énergétique, puisque la température s'élevait à des milliards de degrés ; et que ce rayonnement n'avait pas pu disparaître ; que donc il devait subsister depuis des milliards d'années. Comme il était très chaud à l'origine, il avait dû se refroidir. On fait le calcul et on trouve, pour la période actuelle, une température très basse, correspondant aux longueurs d'onde des ondes radio. Donc prédiction, en 1940, par les physiciens nucléaires : si les modèles de Lemaître sont vrais, il doit subsister un rayonnement électromagnétique qui remplit l'univers dans le domaine des ondes radio. Mais à l'époque, on n'avait pas de moyens techniques disponibles pour détecter ce rayonnement.

Cette prédiction est reprise dans les années 60 où la radio-astronomie s'était développée. Quelques physiciens, à Princeton, reprennent les travaux de Lemaître, refont les calculs, et retrouvent cette prédiction d'un rayonnement qui remplit l'Univers et qu'ils veulent étudier. Les techniques, à la différence de l'époque de Lemaître, étaient désormais disponibles. Ils ont pu construire un radiotélescope pour détecter ce rayonnement. En même temps, d'autres physiciens utilisaient un radiotélescope pour observer les galaxies. Par hasard, ils enregistrent ce rayonnement, comme une espèce de parasite, de bruit de fond, qu'ils essayent d'éliminer. Devant l'impossibilité d'y parvenir, ils concluent que ne provenant pas de la terre, ne provenant pas du sol ni d'une autre source terrestre, ce "quelque chose" ne pouvait venir que du ciel. Le lien est fait très rapidement, et donc, en 1964, Penzias et Wilson découvrent ce rayonnement émis par le Big Bang. Ils recevront par la suite le prix Nobel pour cette découverte.

Ce rayonnement "fossile", que l'on appelle maintenant "fond diffus cosmologique", aujourd'hui des centaines d'expériences dans le monde l'observent, tellement il est important. C'est en effet l'information la plus ancienne qui nous arrive de l'Univers. Un troisième satellite, dédié et consacré uniquement à l'observation de ce rayonnement, a été lancé en mars 2009, car l'observation dans le détail révèle des informations sur l'Univers tel qu'il était il y a 13 milliards d'années, comme une espèce de photo dans son ensemble. Aujourd'hui on a de plus en plus d'informations, car on mesure les températures, le spectre, la polarisation, etc., et tout cela nous renseigne et nous confirme que l'Univers était alors effectivement très différent, beaucoup plus dense et extrêmement chaud.

Ce fond diffus cosmologique est donc la confirmation des modèles de Big Bang. Par un autre satellite, Kobé 1990, on avait déjà découvert des variations de température qui sont beaucoup plus étudiées maintenant et qui confirment également ces théories.

C'est donc l'idée d'un Univers qui évolue et non plus celle d'un Univers qui serait statique. Et dans l'essai de cette reconstitution du passé, on s'aperçoit qu'on sait désormais comment était l'Univers il y a x milliards d'années. Désormais la question sera : "comment l'Univers a-t-il émis ce rayonnement ?"

L'évolution de l'Univers - Que s'est-il passé avant la "recombinaison" ?

Une des grandes tâches de la Cosmologie, c'est donc maintenant de comprendre comment pendant ces 13 Milliards d'années sont apparues les galaxies, les plantes les étoiles, les atomes, etc. (ce qu'on appelle la "recombinaison"), branche extrêmement active de la Cosmologie avec laquelle on commence à comprendre beaucoup de choses.

Mais on peut aussi se demander ce qui s'est passé avant cet état de la recombinaison. Or on a, pour des raisons physiques profondes, des barrières qui nous empêchent d'observer ce qui se passait auparavant ; ces barrières nous disent que tout était opaque, donc qu'on ne verra jamais l'Univers dans son état antérieur. Ce qui ne nous empêche pas, toutefois, d'essayer de reconstituer l'état de l'Univers avant cette période. On peut savoir qu'il y a eu des émissions de rayonnement électromagnétiques, des réactions nucléaires, qui ont formé certains des atomes de l'Univers, et en mesurant les abondance des ces noyaux d'atomes, on confirme ces idées sur ce que l'on appelle la nucléosynthèse primordiale.

En appliquant toutes ces idées, on reconstitue donc un peu de ce qui s'est passé pendant toutes ces années avant la recombinaison. Mais on voudrait aller le plus loin possible dans le passé, jusqu'à se demander à quel moment cela commence. Y a-t-il eu un état "Zéro" ?

Or, plus on reconstitue le passé, plus l'univers est dense, plus il est chaud, etc., et plus on arrive à des conditions qui sont extrêmement différentes de celles que l'on connait aujourd'hui, différentes de toutes les conditions imaginables, bien plus fortes notamment que tout ce que l'on peut reconstituer aujourd'hui, par exemple, dans les accélérateurs de particules. On est donc dans des phénomènes dont on ne connaît plus les lois physiques qui s'appliquent ; et si on veut aller plus loin, on n'a même plus de lois physiques. On ne sait plus rien du tout, car on arrive à un instant où tout est tellement monstrueux dans les valeurs des densités, de la température etc. que nos lois physiques ne s'appliquent plus. On appelle cela "l'ère de plomb", et on ne peut absolument rien dire sur ce qu'il y a eu auparavant.

Ce qu'on est capable de raconter c'est l'évolution durant ces 13 Milliards d'années, mais pas ce qui précède. Est-ce que c'est le début de l'Univers, y a-t-il eu des phases antérieures qui ont aussi duré des millions ou des milliards d'années ? on n'en sait rien, et on n'a pas les moyens de le savoir. Les physiciens essaient de découvrir des théories physiques qui s'appliqueraient même dans ces conditions-là. On a des pistes, comme la gravité quantique, les théories des cordes, etc. et peut-être arrivera-t-on un jour aller un peu plus loin. Mais nous trouverons certainement d'autres barrières à notre connaissance et on ne saura jamais - du moins peut-on le penser - ce qu'il s'est passé au tout début, et même si il y a eu un tout début.

On sait que la Terre s'est formée il y a 5 milliards d'années, qu'il y avait un nuage de gaz qui s'est effondré d'une certaine manière, avec une très forte concentration en son centre, tellement forte qu'il y a eu des réactions nucléaires, etc. On connaît donc le processus de naissance de la Terre, en tant qu'elle est un objet dans le cosmos. Mais pour l' Univers ce n'est pas du tout la même chose. On sait qu'il évolue, on est capable de reconstituer une partie de son évolution, mais nous sommes incapable d'accéder à ce qui est le plus primordial, incapables de parler aujourd'hui de la création de l'Univers.

En Cosmologie, les prédictions se vérifient par les centaines d'observations qui ont été faites, mais d'autres prédictions ayant trait à la physique nucléaire forment aussi une part du récit de l'histoire de l'Univers. Ce récit apparaît vraiment comme scientifique ; il est confirmé par la méthodologie scientifique. Seulement on ne peut pas tout reconstituer, car il y a des limites indépassables. On peut, à la rigueur, arriver à les prolonger, mais je pense personnellement qu'on ne connaitra jamais tout.

Questions posées par les auditeurs