Dernières nouvelles de l’univers part.1 – La formation de l’univers, par André Brahic #DNU1

André Brahic, astrophysicien français, co-découvreur des anneaux de Neptune en 1984, a livré durant l’été 2013 sur France culture une série d’émissions consacrées à l’univers et à la recherche en astrophysique. Son récent décès nous a donné envie de lui rendre hommage, aussi ce billet sera un peu spécial, puisqu’on se contentera de retranscrire ses propos, ou du moins la majeure partie. Nous prévoyions de toute façon d’écrire un billet sur le sujet : quoi de mieux que d’écouter directement un spécialiste ! Aujourd’hui donc : la formation de l’univers ! (Rien que ça !)

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André Brahic – mai 2009. AFP photo / Eric Feferberg


J’ai dû couper un certain nombre d’anecdotes personnelles ou historiques d’André Brahic pour avoir un billet d’une longueur raisonnable et je me suis permis de remanier un peu certains passages. Mais pour ceux qui préféreraient écouter directement l’émission de radio, voici le lien.

La notion de modèle

D’où venons-nous ? Qui sommes-nous ? Où allons-nous ?

Nos ancêtres ont tout d’abord prétendu que la Terre était immobile au centre de l’univers. Quels étaient leurs arguments ? Quand on se trouve sur Terre, on a l’impression que le ciel tourne dans son ensemble. On n’a pas le sentiment de bouger. Bien sûr c’est complètement faux. Et pourtant, le modèle établi par Ptolémée permettait de prévoir la position des planètes dans le ciel, à n’importe quelle date. En sciences, un modèle n’est pas une affirmation de la vérité, une compréhension profonde d’un phénomène, mais un outil qui permet d’avancer, de progresser, de faire des découvertes.

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Le Grand nuage de Magellan – NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA) – ESA/Hubble Collaboration

 

Voir l’univers

Posons-nous tout d’abord la question : qu’y a-t-il dans l’univers ? Il y a l’univers que l’on voit avec nos yeux, à l’œil nu, il y a l’univers que l’on voit avec nos lunettes, nos télescopes, dans les grands observatoires. Mais il y a aussi toutes ces lumières que nos yeux ne voient pas et que nos instruments ont pu capter.

Quand on regarde le ciel à l’œil nu, on voit des étoiles, des planètes, quelques nébulosités. On voit en gros 3000 étoiles, 6000 au total si on fait tout le tour de la Terre. Actuellement, nous connaissons quelques milliers de milliers de milliards d’étoiles, donc on n’en voit qu’un tout petit nombre. En juillet 1610, Galilée a fait la plus grande moisson de découvertes qu’on ait faite probablement dans l’histoire de l’humanité, en tournant sa lunette vers le ciel. Des taches sur le Soleil, des cratères sur la Lune, des anneaux autour de Saturne, des amas d’étoiles. Mais aussi des satellites qui tournent autour de Jupiter, cassant le dogme de l’époque, puisque cela voulait dire qu’il existait dans l’univers des objets qui tournaient autour d’autre chose que la Terre.

Puis on invente des lunettes de plus en plus grandes, des télescopes de plus en plus gros. On ne voit pas forcément plus loin mais on voit mieux ce qui est loin. Et la grande découverte se fait en fin de 20ème siècle, début de 21ème : on capte les lumières que nos yeux ne voient pas. Je veux dire par là la lumière radio, la lumière gamma, la lumière ultraviolette, la lumière infrarouge. Des rayonnements que l’on connaît aujourd’hui, et qui sont aussi émis par les astres. Le monde que nous observons n’a alors plus rien à voir avec le monde que voient nos yeux. Nos yeux voient un monde paisible, serein, immuable. Mais le monde que tous les rayonnements nous envoient est changeant, bouillonnant. Imaginez ce qu’aurait été notre métaphysique si on avait vu un monde aussi bouillonnant que ce qu’il est en réalité. Tous ces rayonnements – qu’on découvre parfois en astronomie et qui ont de temps en temps des applications dans la société – montrent un monde complètement différent. Dans la vie, quand on veut connaître un objet, on a nos 5 sens. En astronomie, on ne peut pas toucher, goûter les planètes et les galaxies. On n’a qu’un sens, la lumière, et cette lumière nous transmet des informations : la couleur donne la température, la chaleur, le spectre qu’on peut prendre nous donne comme une empreinte digitale. Et chaque autre lumière (rayons gamma, rayons X, infrarouge) donne des informations de nature différente. Imaginez que vous vous rendez à un concert, vous allez écouter une symphonie, mais une fois que vous êtes dans la salle de concert vous êtes sourd ! Puis vous secouez un peu l’oreille, et vous parvenez à entendre un seul instrument de l’orchestre. Si cet instrument est le triangle, ce ne sera pas très passionnant. Alors vous secouez encore un peu plus l’oreille, et cette fois ça y est vous entendez toute la symphonie. Et bien c’est exactement ce qui est arrivé aux astronomes. Grâce aux différents types de lumière ils ont désormais accès à toute la symphonie de l’univers.

Zoologie céleste

Qu’y a-t-il dans le ciel ? Des étoiles, comme des Soleils, plus gros ou plus petits. Des galaxies, ensembles d’étoiles, qui contiennent chacune entre une centaine et un millier de milliards d’étoiles. Et nous connaissons actuellement environ quelques milliers de milliards de galaxies. Et entre les étoiles, il y a le milieu interstellaire. De la matière pour former des étoiles. Et puis le ciel contient plein de bulles, des étoiles qui se forment ou des étoiles qui explosent. Il y a aussi des trous noirs, beaucoup de matière dans un petit volume, la vitesse d’évasion est tellement élevée qu’elle est plus grande que la vitesse de la lumière : rien ne sort d’un trou noir. On ne voit pas les trous noirs, puisque rien n’en sort, même pas la lumière. Comment les observer ? Ils absorbent tout ce qui passe dans leur voisinage. En tombant dans un trou noir, la matière frotte, donc chauffe, donc émet de la lumière : on peut donc l’observer.

Tous ces objets entrent en collision. Ces collisions sont quelques fois spectaculaires. Notre Voie Lactée entrera en collision avec la galaxie d’Andromède, qu’on peut voir à l’œil nu. Ce jour-là, il y aura deux voies lactées, avec une flambée de petites étoiles, ce sera un spectacle merveilleux, dans un tout petit peu moins de quatre milliards d’années.

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La galaxie d’Andromède

 

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 20ème 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.

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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 !

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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.

 

Tous les crédits reviennent à André Brahic et France Culture.

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