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ÉVOLUTION DE L'UNIVERS

La grande nouveauté de la cosmologie du xxe siècle, c'est que l'Univers évolue : il n'est pas identique aujourd'hui à ce qu'il était quelques milliards d'années plus tôt. Cette nouveauté fut sans doute difficile à accepter, puisqu'elle a suscité toutes les résistances possibles. Elle est pleinement prise en compte aujourd'hui par les modèles de big bang.

Une véritable révolution cosmologique s'est déroulée au xxe siècle. Elle repose sur des résultats d'observation et, surtout, sur une avancée théorique considérable, la théorie de la relativité générale. Du côté des observations, la découverte de la nature extragalactique des nébuleuses spirales (qui sont en réalité d'autres galaxies), par Edwin Powell Hubble, en 1924, met fin à un long débat. Elle démontre que l'Univers est bien plus immense que ce qui était estimé jusqu'alors. Mais c'est surtout la découverte de l'expansion de l'Univers qui a lancé la cosmologie moderne. Elle repose tout d'abord sur les résultats d'observation des « nébuleuses spirales » par l'astronome américain Vesto Melvin Slipher. Ces résultats, rassemblés et ordonnés par Hubble, seront correctement interprétés dans le cadre de la nouvelle cosmologie relativiste par le physicien belge Georges Lemaître, vers 1930. On peut dire sans hésiter que cette découverte est le fondement de notre cosmologie.

La cosmologie, discipline scientifique

Comme l'a montré Lemaître, l'expansion cosmique ne peut être bien comprise que dans le cadre de la théorie de la relativité générale : l'Univers en expansion est une solution de cette théorie (solution qu'avait également trouvée le physicien soviétique Alexandre Friedmann en 1922, mais sans reconnaître sa pertinence pour décrire notre Univers). L'expansion illustre en premier lieu le caractère scientifique de la cosmologie, dont l'objet est l'Univers dans sa totalité. En effet, l'expansion est une propriété de l'Univers lui-même, pris dans sa globalité, et de rien d'autre : ce n'est pas une propriété des galaxies ou des amas qu'elle entraîne, pas plus que le courant d'un fleuve n'est une propriété de tous les objets flottants qu'il peut entraîner. Et cette propriété est bien mesurable puisque l'on mesure le « taux d'expansion de l'Univers », qui n'est rien d'autre que la constante de Hubble H0, et son accélération, exprimée sous la forme d'un paramètre que les cosmologistes appellent q0. Du point de vue relativiste, l'expansion cosmique et son accélération constituent des aspects particuliers de la géométrie (ou plutôt de la chrono-géométrie) de l'espace-temps.

Compte tenu de nos lois physiques, l'expansion implique que l'Univers évolue. En effet, pour autant que rien ne se perde et que rien ne se crée, la même quantité de matière se retrouve (à l'échelle cosmique) dans un volume de plus en plus grand. C'est la définition d'une dilution. Lemaître fut le premier à comprendre et à défendre cette idée, qui a bien entendu pour conséquence que l'Univers était plus dense dans le passé, idée de base des modèles de big bang à venir.

Lemaître ne parlait pas encore de big bang. Mais il avait déjà pressenti que la reconstitution du passé mènerait à des états très chauds et très denses, très différents de celui d'aujourd'hui : un modèle d'Univers chaud. Et il avait pressenti ce qui fait l'objet de tant de recherches aujourd'hui, l'influence très importante de la physique quantique dans la physique de ces instants primordiaux. C'est pourquoi il avait baptisé son modèle « Atome primordial », où « atome » doit être plutôt pris dans le sens de ce que nous appelons aujourd'hui « quantum ».

Pour la première fois, un modèle décrivait un Univers en évolution. Ces conceptions heurtaient les idées reçues et ne pouvaient plaire à tout le monde. D'autant plus que le modèle était alors malheureusement affaibli par des résultats d'observation qui se révélèrent par la suite erronés (l'âge de l'Univers semblait inférieur à celui de la Terre). D'un point de vue théorique, néanmoins, récuser le modèle nécessitait une modification des lois de la physique. Afin de pouvoir restaurer le mythe d'un Univers toujours égal à lui-même, certains opposants au big bang avaient ainsi supposé l'existence d'un processus de création continue de matière, à partir de rien : cette création aurait compensé la dilution causée par l'expansion, ce qui aurait permis à la densité globale de rester constante. Il n'était pas absurde (mais étrange, cependant) d'introduire une nouvelle loi physique de ce type. Mais après une longue période où ils furent très populaires, ces modèles d'« Univers stationnaire » ont été démentis par les observations.

L'évolution de l'Univers à l'épreuve des observations

De nombreux résultats d'observation ont indiqué depuis lors, sans ambiguïté, que l'Univers évolue.

Il s'agit, en premier lieu, de son expansion. Dans le cadre de la physique aujourd'hui admise, elle implique nécessairement le big bang. Tout modèle concurrent (mais il n'en existe aucun aujourd'hui) doit inventer de nouvelles lois physiques.

Le fait que les étoiles et les galaxies ne sont pas identiques aujourd'hui, ni dans leurs propriétés ni dans leur distribution, à ce qu'elles étaient il y a quelques milliards d'années milite également en faveur de l'expansion. Rappelons que tout astre que nous observons se situe dans un passé d'autant plus reculé qu'il est éloigné : de l'ordre de la seconde pour la Lune, de huit minutes pour le Soleil, de quelques années pour les étoiles les plus proches, de quelques millions d'années pour les galaxies les plus proches puis de milliards d'années pour les galaxies lointaines. Ce temps de regard en arrière représente la durée que la lumière a mis pour nous parvenir depuis son émission. Ainsi, nous observons les galaxies et les amas tels qu'ils étaient dans un passé reculé, ce qui nous renseigne directement sur leur évolution.

Ensuite, pour autant qu'on puisse le vérifier, les abondances de certains élément chimiques légers (deutérium, hélium et une partie du lithium) semblent universelles : elles sont les mêmes d'un endroit à l'autre de l'Univers. Il n'existe pas d'autre explication possible qu'une phase de nucléosynthèse des éléments légers dans un Univers beaucoup plus dense et chaud dans le passé : les calculs sont en accord avec les valeurs observées de ces abondances. De surcroît, ils avaient permis de prédire le nombre (trois, à la rigueur quatre) de familles de particules élémentaires, ce qui fut confirmé bien plus tard (en 1989, au Cern à Genève) par la physique des particules.

Enfin et surtout, l'existence du fond diffus cosmologique ne peut s'expliquer que dans le cadre des modèles de big bang. Depuis sa découverte, en 1965, ses propriétés, mesurées de plus en plus précisément, confirment le modèle.

Cette évolution, celle de l'Univers et de son contenu, est décrite aujourd'hui de manière assez précise par les modèles de big bang. Elle est marquée par une période charnière, appelée la recombinaison, qui se situe il y a environ 13 milliards d'années. L'Univers (déjà âgé de plusieurs centaines de millions d'années) entre alors dans une phase d'évolution qui l'amènera jusqu'à son état présent. À l'époque, toutes les dimensions cosmiques étaient environ mille fois plus petites qu'aujourd'hui, si bien que l'Univers était un milliard de fois (1 0003) plus concentré. À une température de quelques milliers de degrés, il émettait en chacun de ses points un rayonnement électromagnétique. Nous observons encore ce rayonnement, qui a été préservé depuis lors, tel un fossile, sous la forme du fond diffus cosmologique. Cette observation constitue l'indice le plus frappant de l'évolution de l'Univers, et la preuve la plus convaincante des modèles de big bang.

Dans l'Univers dense et chaud de la recombinaison (et a fortiori auparavant), aucun des objets que nous connaissons n'existait encore : ni étoiles, ni planètes, ni galaxies ; ni même la plupart des atomes et molécules que nous pouvons aujourd'hui rencontrer. Tous ces objets, aux échelles aussi bien astronomiques que microscopiques, se sont constitués pendant les milliards d'années qui nous séparent de la recombinaison. L'histoire de cette formation, qui correspond à une lente structuration de l'Univers, est aujourd'hui assez bien comprise. Elle constitue le cœur des modèles de big bang.

Reste à connaître ce qui s'est déroulé avant la recombinaison. Plus on remonte dans le passé, plus l'Univers était dense et chaud, plus la nature des phénomènes en jeu différait de ce qu'elle est aujourd'hui. Les cosmologistes ont réussi à reconstituer certaines phases, qui faisaient intervenir des processus électromagnétiques, nucléaires (nucléosynthèse primordiale = fabrication des premiers noyaux atomiques), ou relevant de la physique des particules. Mais ces reconstitutions sont d'autant plus incertaines qu'elles concernent des instants reculés dans le passé. Dans le passé le plus lointain, antérieur à la recombinaison, les conditions (densité, température) étaient tellement extrêmes que notre physique reste inopérante. Des phénomènes quantiques ont probablement joué un rôle important, mais nous ne savons pas les décrire. Notre reconstitution bute sur une limite que l'on dénomme « ère de Planck ». Certains l'ont abusivement assimilée à la création de l'Univers. Il est plus exact de dire qu'elle marque le début de l'histoire que nous savons décrire. Ce qui s'est passé à l'ère de Planck, ou avant, nous reste encore inconnu.

Auteur: Marc LACHIÈZE-REY
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