Le destin de l'Univers
Depuis le début du siècle dernier, nous réalisons que notre Univers n'est pas immuable, il n'a pas toujours existé. Nous avons compris qu'il avait une histoire, et une vie. Il faut peut-être alors en déduire que, s'il a eu une naissance, il aura une mort ... Quel est donc le destin de notre Univers ? Même s'il reste encore beaucoup de mystères à élucider, la relativité générale et la physique quantique permettent d'apporter des éléments de réponses sur le passé de l'Univers, mais également sur son avenir ...
Introduction
Alors que par les siècles passés les astronomes et les philosophes pensaient que notre univers était immuable, figé dans le temps et l’espace, créé par Dieu immortel tout comme lui, nous sommes aujourd’hui quasiment tous persuadés qu’il a en fait été engendré il y a très longtemps par une sorte d’explosion primordiale que nous appelons Big Bang. Un instant zéro, à partir duquel tout ce qui compose notre monde est né, et surtout, avant lequel il n’y avait rien. Nous avons au passage vu précédemment que le temps n’existait pas lui non plus et que la notion « d’avant l’instant zéro » est caduque.
Les croyances et connaissances se sont alors affrontées afin de déterminer la nature de l’univers : statique ou expansionniste ? Autrement dit : immortel ou mortel ?
Aujourd’hui, on peut dire que la question a trouvé sa réponse avec l’acceptation quasi universelle de la théorie du Big Bang élaborée en 1940 par George Gamow.
Cependant, une question en amenant une autre, il convient désormais de se demander de quelle façon l’univers éteindra sa dernière bougie … C’est ce que nous tenterons de détailler dans ce chapitre.
Aujourd’hui, on peut dire que la question a trouvé sa réponse avec l’acceptation quasi universelle de la théorie du Big Bang élaborée en 1940 par George Gamow.
Cependant, une question en amenant une autre, il convient désormais de se demander de quelle façon l’univers éteindra sa dernière bougie … C’est ce que nous tenterons de détailler dans ce chapitre.
Un univers en expansion plutôt que statique
Introduction de la constante cosmologique d'Einstein
Le terme « Big Bang » a été cité pour la première fois en 1950 par l’astronome américain Fred Hoyle, fervent partisan (et d’ailleurs fondateur) de la théorie de l’univers stationnaire ; onomatopée décrivant la grande explosion avec ironie et provocation.
Il arrive souvent, malgré la rigueur qu’exige le travail théorique, que les convictions personnelles des théoriciens influent sur leurs recherchent et travaux, parfois dans le bon sens, parfois dans le mauvais …
La théorie du Big Bang de Gamow se fonde sur les équations mathématiques de la théorie de la relativité générale (équations de champ) élaborée en 1915 par Albert Einstein. Intimement persuadé que l’univers est statique, celui-ci ne peut se résoudre à accepter ce modèle inflationnaire découlant directement de sa propre théorie de la relativité. Il se met alors, en 1917, à calculer des solutions décrivant un univers statique, uniforme et isotrope à grande échelle. Dans ces conditions, le seul modèle qu’il obtient est celui d’un univers vide. Afin d’obtenir une solution non triviale, il ajoute à ce modèle une constante dans les équations, qu’il appelle constante cosmologique (notée Λ). Cette constante annule alors les effets d’une éventuelle expansion ou contraction de l’univers.
Il arrive souvent, malgré la rigueur qu’exige le travail théorique, que les convictions personnelles des théoriciens influent sur leurs recherchent et travaux, parfois dans le bon sens, parfois dans le mauvais …
La théorie du Big Bang de Gamow se fonde sur les équations mathématiques de la théorie de la relativité générale (équations de champ) élaborée en 1915 par Albert Einstein. Intimement persuadé que l’univers est statique, celui-ci ne peut se résoudre à accepter ce modèle inflationnaire découlant directement de sa propre théorie de la relativité. Il se met alors, en 1917, à calculer des solutions décrivant un univers statique, uniforme et isotrope à grande échelle. Dans ces conditions, le seul modèle qu’il obtient est celui d’un univers vide. Afin d’obtenir une solution non triviale, il ajoute à ce modèle une constante dans les équations, qu’il appelle constante cosmologique (notée Λ). Cette constante annule alors les effets d’une éventuelle expansion ou contraction de l’univers.
La preuve par l'observation : Hubble observe la fuite des galaxies
Pourtant, Edwin Hubble démontre l’expansion en 1929 : Einstein se ravise et admet son erreur … Il va jusqu’à confesser que l’introduction de la constante cosmologique dans les équations est la plus grande erreur de sa vie !
Il est tout de même important de noter que, malgré cet aveu (ou plutôt ce désaveu) de la part d’Einstein, la constante cosmologique est toujours conservée dans les équations, plutôt par tradition mais aussi pour expliquer une hypothétique interaction supplémentaire qui agirait à grande échelle, comme la gravitation. Par le plus grand des hasards, il se pourrait que la constante cosmologique, introduite pour de mauvaises raisons, puisse fournir une explication au phénomène d'énergie sombre.
Il est tout de même important de noter que, malgré cet aveu (ou plutôt ce désaveu) de la part d’Einstein, la constante cosmologique est toujours conservée dans les équations, plutôt par tradition mais aussi pour expliquer une hypothétique interaction supplémentaire qui agirait à grande échelle, comme la gravitation. Par le plus grand des hasards, il se pourrait que la constante cosmologique, introduite pour de mauvaises raisons, puisse fournir une explication au phénomène d'énergie sombre.
Revenons rapidement sur la découverte de l’expansion de l’univers …
C’est tout d’abord en 1922 que le physicien russe Alexander Friedmann et l’abbé Georges Lemaître obtiennent, en résolvant les équations de champ, un ensemble de trois solutions attribuant à l’univers une première phase d’expansion : c’est le modèle standard, ou modèle Friedmann-Lemaître. En 1929, Edwin Hubble confirme par des observations de galaxies lointaines. Dans le spectre de ces galaxies, il note systématiquement un décalage des signatures spectrales vers les plus grandes longueurs d’onde (le rouge), décalage d’autant plus grand que les galaxies sont éloignées. Cette observation démontre que les galaxies s’éloignent les unes et autres et surtout qu’elles s’éloignent d’autant plus rapidement qu’elles sont lointaines, c’est la preuve d’une expansion uniforme de l’univers.
Dans les années 1940, le physicien américain d’origine russe George Gamow élabore sa théorie du Big Bang, décrivant lespremiers instants de l’univers et prédisant une phase primordiale extrêmement dense et chaude.
C’est tout d’abord en 1922 que le physicien russe Alexander Friedmann et l’abbé Georges Lemaître obtiennent, en résolvant les équations de champ, un ensemble de trois solutions attribuant à l’univers une première phase d’expansion : c’est le modèle standard, ou modèle Friedmann-Lemaître. En 1929, Edwin Hubble confirme par des observations de galaxies lointaines. Dans le spectre de ces galaxies, il note systématiquement un décalage des signatures spectrales vers les plus grandes longueurs d’onde (le rouge), décalage d’autant plus grand que les galaxies sont éloignées. Cette observation démontre que les galaxies s’éloignent les unes et autres et surtout qu’elles s’éloignent d’autant plus rapidement qu’elles sont lointaines, c’est la preuve d’une expansion uniforme de l’univers.
Dans les années 1940, le physicien américain d’origine russe George Gamow élabore sa théorie du Big Bang, décrivant lespremiers instants de l’univers et prédisant une phase primordiale extrêmement dense et chaude.
La courbure de l'Univers
A l’heure où vous lisez ces lignes, sachez que c’est cette théorie qui guide notre conception du monde et de son histoire …
Comme nous l’avons dit précédemment, la question de la nature de l’univers dans son ensemble est résolue … Du moins en partie, car le modèle de Friedmann-Lemaître est capable, à travers la géométrie qu’il donne à l’espace, d’extrapoler des modèles d’expansion pour l’univers qui nous font nous interroger sur son avenir.
On dit que le modèle standard confère à l’espace une géométrie non euclidienne, c’est-à-dire qu’une courbure lui est associée. La courbure de l’univers, fixée par sa densité, en détermine l’évolution future :
Comme nous l’avons dit précédemment, la question de la nature de l’univers dans son ensemble est résolue … Du moins en partie, car le modèle de Friedmann-Lemaître est capable, à travers la géométrie qu’il donne à l’espace, d’extrapoler des modèles d’expansion pour l’univers qui nous font nous interroger sur son avenir.
On dit que le modèle standard confère à l’espace une géométrie non euclidienne, c’est-à-dire qu’une courbure lui est associée. La courbure de l’univers, fixée par sa densité, en détermine l’évolution future :
Un Univers fermé
Soit la courbure est positive (univers fermé ou sphérique), et alors l’univers subira une phase de contraction succédant à une phase d’expansion : c’est ce qu’on appelle (en opposition au Big Bang) le Big Crunch.
Un Univers ouvert
Soit la courbure est négative (univers ouvert ou hyperbolique), et alors l’expansion se poursuivra indéfiniment et l’univers deviendra de plus en plus froid et de moins en moins dense.
Un Univers plat
Enfin, le physicien néerlandais Willem De Sitter et Albert Einstein proposent un modèle décrivant une courbure nulle à l’univers (univers plat ou euclidien).
Les facteurs majeurs à prendre en compte, ceux qui détermineront l’avenir de l’univers, ce sont la masse et l’énergie. Si la masse de l’univers est suffisamment importante pour contrer l’énergie de l’expansion, alors il arrivera un moment où l’univers ralentira puis se contractera, et enfin s’effondrera sous l’effet de son propre poids.
Facteurs déterminants au sort de l’univers
L'expansion accélère !
Nous avons vu qu’il a été démontré que l’univers était en expansion, il est également capital de savoir que l’expansion accélère au fil du temps ! Chose qui paraît illogique puisque la force de gravitation des objets célestes devraient ralentir l’expansion, de la même manière qu’une boule que l’on fait rouler décélère puis s’arrête sous l’effet de la force d’attraction de laTerre …
En 1998, lors de l’étude d’une supernova, les chercheurs restèrent dubitatifs quand ils s’aperçurent que celle-ci était moins lumineuse et plus éloignée que ce qu’ils pouvaient déduire de leur décalage vers le rouge (redshift) en s’appuyant sur la théorie standard d’une expansion en perte de vitesse. Ils en conclurent alors que l’expansion accélérait. Ces résultats furent confirmés trois ans plus tard par l’observation du télescope spatial Chandra d’une supernova loin de 10 milliards d’années lumière (ce télescope a aujourd’hui mesuré les distances de 26 amas de galaxies lointaines). L’analyse du résultat montra que l’expansion de l’univers a été freinée dans les premiers milliards d’années par la gravité, puis s’est accélérée à partir de 4 à 8 milliards d’années. L’observation des galaxies lointaines montre parfaitement ce ralentissement de leur cours, alors que la vitesse des galaxies moins éloignées, vieilles de moins de 7 milliards d’années s’accroît de manière exponentielle.
En 1998, lors de l’étude d’une supernova, les chercheurs restèrent dubitatifs quand ils s’aperçurent que celle-ci était moins lumineuse et plus éloignée que ce qu’ils pouvaient déduire de leur décalage vers le rouge (redshift) en s’appuyant sur la théorie standard d’une expansion en perte de vitesse. Ils en conclurent alors que l’expansion accélérait. Ces résultats furent confirmés trois ans plus tard par l’observation du télescope spatial Chandra d’une supernova loin de 10 milliards d’années lumière (ce télescope a aujourd’hui mesuré les distances de 26 amas de galaxies lointaines). L’analyse du résultat montra que l’expansion de l’univers a été freinée dans les premiers milliards d’années par la gravité, puis s’est accélérée à partir de 4 à 8 milliards d’années. L’observation des galaxies lointaines montre parfaitement ce ralentissement de leur cours, alors que la vitesse des galaxies moins éloignées, vieilles de moins de 7 milliards d’années s’accroît de manière exponentielle.
La responsable : l'énergie sombre
Cette accélération de l’expansion trouve son explication dans l’existence d’une force répulsive à grande échelle, faisant automatiquement penser à la constante cosmologique d’Einstein, capable de contrer la force d’attraction des corps célestes. Cette force théorique alors si mystérieuse est nommée énigmatiquement « énergie sombre ».
Pour l’instant, les chercheurs ignorent encore la composition de cette énergie, même s’il a été proposé un modèle d’énergie du vide (dans lequel s’exprime mieux la constante cosmologique, puisque cela signifie que la densité de l’énergie sombre est uniforme, constante dans tout l’univers et invariable temporellement), mais il est clair que sa densité déterminera le rythme de l’expansion de l’univers. Depuis longtemps, on pensait que la densité totale d’énergie était proche de la densité critique nécessaire pour obtenir un univers plat (70%), ainsi que la masse puisque l’énergie et la masse sont des notions équivalentes (E=mc² !).
Pourquoi cette énergie ne s’est-elle pas manifestée plus tôt dans l’histoire de l’univers ? Il est fort probable que cette force anti-gravitationnelle existe depuis le début et que son influence ait été masquée alors que l’univers était de taille modeste, donc de densité plus importante. A mesure que la matière baryonique s’est dispersée dans l’espace, l’attraction entre les particules s’est elle-même atténuée (en fonction du carré de la distance). Il y a environ 6 milliards d’années, l’univers aurait alors dépassé une taille critique : la force gravitationnelle aurait été suffisamment diluée pour laisser s’exprimer la force répulsive de l’énergie sombre.
La constante cosmologique d’Albert Einstein (qui retrouve du coup une seconde jeunesse) et la quintessence (existence de particules inconnues, un cinquième élément créé lors du Big Bang en quantité suffisante pour remplir tout l’espace) sont deux formes d’énergie sombre proposée, la première étant de nature statique alors que la seconde est plutôt dynamique.
La masse de l'Univers (matière classique et matière sombre)
Autre fait déterminant l’avenir de l’univers expansionniste, c’est la présence suffisante de matière. Si la matière est suffisamment importante pour que sa masse surpasse la force répulsive de l’énergie sombre, alors l’univers est destiné à se contracter jusqu’au Big Crunch. A contrario, si elle n’est pas suffisante, alors elle est destinée à se diluer dans l’espace jusqu’à la fin des temps.
Le problème, c’est que les scientifiques sont convaincus que nos observations se limitent à 10% de la matière de l’univers. Autrement dit, 90% de la matière de l’univers nous est inconnue, car elle ne peut être vue dans les spectres allant des ondes radio aux rayons gamma. Le terme donné à cette masse manquante est la « matière sombre ». Cette matière existe belle et bien car nous en voyons les effets de son influence gravitationnelle. Pourtant, elle n’émet aucune radiation électromagnétique, c’est pourquoi on la dit sombre. Cette idée de masse manquante fut émise pour la première fois en 1933, lorsque l’astronome Fritz Zwicky étudia les mouvements d’amas de galaxies lointains et massifs (notamment la Chevelure de Bérénice). Dans un premier temps, il estima la masse de chaque galaxie en fonction de leur luminosité, puis les a additionnées afin de déterminer la masse de l’amas entier. Dans un second temps, il estima directement la masse de l’amas en fonction de la mesure de l’étalement des vitesses des galaxies. Problème : la deuxième masse dite dynamique est alors 400 fois plus importante que la première masse estimée sur la base de la luminosité.
Pourtant cette preuve ne fut pas exploitée avant les années 1970, lorsque Vera Rubin et Kent Ford purent confirmer que la Voie Lactée contenait 6 à 8 fois plus de matière sombre que de matière ordinaire.
Le problème, c’est que les scientifiques sont convaincus que nos observations se limitent à 10% de la matière de l’univers. Autrement dit, 90% de la matière de l’univers nous est inconnue, car elle ne peut être vue dans les spectres allant des ondes radio aux rayons gamma. Le terme donné à cette masse manquante est la « matière sombre ». Cette matière existe belle et bien car nous en voyons les effets de son influence gravitationnelle. Pourtant, elle n’émet aucune radiation électromagnétique, c’est pourquoi on la dit sombre. Cette idée de masse manquante fut émise pour la première fois en 1933, lorsque l’astronome Fritz Zwicky étudia les mouvements d’amas de galaxies lointains et massifs (notamment la Chevelure de Bérénice). Dans un premier temps, il estima la masse de chaque galaxie en fonction de leur luminosité, puis les a additionnées afin de déterminer la masse de l’amas entier. Dans un second temps, il estima directement la masse de l’amas en fonction de la mesure de l’étalement des vitesses des galaxies. Problème : la deuxième masse dite dynamique est alors 400 fois plus importante que la première masse estimée sur la base de la luminosité.
Pourtant cette preuve ne fut pas exploitée avant les années 1970, lorsque Vera Rubin et Kent Ford purent confirmer que la Voie Lactée contenait 6 à 8 fois plus de matière sombre que de matière ordinaire.
Autre preuve du besoin de matière sombre dans notre univers : Les étoiles situées en périphérie des galaxies spirales, donc dans une région sensée être bien moins dense qu’au centre, n’obéissent pas à la troisième loi de Johannes Kepler qui dit que plus une planète est loin de son étoile et plus elle est lente dans sa période de révolution. En effet, au lieu de diminuer aux grands rayons, les vitesses des étoiles ne diminuent pas mais restent constantes. Cela veut dire que la masse présente dans les grandes orbites est bien plus importante que ce que l’on pensait. Plus concrètement, si la galaxie n’était constituée que de matière visible, alors ces étoiles éloignées du centre se déplaçant à grande vitesse devraient être éjectées dans l’espace par la force centrifuge … Il faut donc ajouter une masse importante créant une force d’attraction qui permette de garder ces étoiles en orbite. Ainsi, le halo de matière sombre de la Voie Lactée devrait s’étendre sur 300 000 années lumières, ce qui est bien plus vaste que le diamètre de la galaxie faite de matière visible.
Maintenant que l’existence de cette matière invisible est prouvée, il est indispensable de savoir où elle se trouve …
Maintenant que l’existence de cette matière invisible est prouvée, il est indispensable de savoir où elle se trouve …
Plusieurs réponses sont envisageables :
Les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)
Cette particule exotique n’interagit pas avec la matière ordinaire, elle ne possède pas de proton. Par contre cette particule a forcément une masse puisqu’on la repère grâce à son influence gravitationnelle. Omniprésentes, invisibles, elles baigneraient l’univers entier, traversant la Terre de part en part (et donc votre corps !). Ces particules seraient donc de même nature que les neutrinos, mais plus massifs. Comme les neutrinos en 1930, les WIMPs sont des particules hypothétiques, mais des projets sont déjà en cours pour les détecter (projet Edelweiss en France).
Les MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo objects)
Cette dénomination regroupe tous les corps non lumineux tels les étoiles de type naines brunes, de vieilles naines blanches ou encore les étoiles à neutrons. L’avantage de cette hypothèse, c’est qu’elle table sur de la matière connue, donc non exotique, ce qui évite d’avoir recours à l’invention d’une nouvelle forme de matière.
L’hydrogène ionisé
D’après Davidsen et Bi (1997), l’hydrogène visible (sous sa forme neutre) qui baigne dans l’univers ne représenterait en fait qu’une petite partie de tout l’hydrogène de l’univers. En effet, selon eux, la majorité de l’hydrogène serait ionisé, donc invisible. Les parties les plus denses de l’univers seraient essentiellement constituées d’hydrogène neutre, sous forme d’étoiles et de nuages de gaz au sein des galaxies, les régions moins denses (énormément plus vastes) seraient au contraire remplies de ce gaz latent d’hydrogène ionisé.
La composition de l'Univers
Après tous les travaux relatant de l’énergie sombre et de la matière sombre, il ressort que l’univers est constitué de 73% d’énergie sombre (pour l’instant inconnue mais avérée) entraînant un taux d’expansion de 71 km/s par mégaparsec, de 23% de matière sombre (pour l’instant encore hypothétique), et de 4% de matière ordinaire (la matière visible que nous connaissons sous forme de galaxies, nébuleuses et étoiles, etc …).
Il découle de ces chiffres deux résultats : l’univers est âgé de 13.7 milliards d’années, et il serait plat, du moins dans la limite des incertitudes de mesure (observations faites par le satellite WMAP et le télescope spatial Chandra).
Il découle de ces chiffres deux résultats : l’univers est âgé de 13.7 milliards d’années, et il serait plat, du moins dans la limite des incertitudes de mesure (observations faites par le satellite WMAP et le télescope spatial Chandra).
Comment repérer la matière sombre ?
Le seul moyen de repérer la matière sombre, nous l’avons compris, c’est non pas de l’observer directement puisqu’elle n’émet ni ne réfléchi pas la lumière. C’est donc de la débusquer en voyant ses effets sur la courbure de la lumière des autres corps lumineux, de part sa force d’attraction. L’exploit a été réalisé en 2000 par des astronomes de l’Institut d’Astrophysique de Paris et du Laboratoire d’Astronomie Spatiale de Marseille, ainsi que des astronomes canadiens, allemands et américains …
Ci-dessous la reproduction de l’article parue dans Le Monde, le vendredi 17 Mars 2000 :
" Si la matière noire détourne le cours de la lumière, c'est bien qu'elle existe. La déformation d'images de galaxies lointaines prouve l'existence d'immenses objets invisibles. Depuis des années, les astronomes cherchent à mettre en évidence la matière noire (90% de la matière dans l'univers). Bien des hypothèses ont été avancées pour expliquer la nature de ce milieu qui échappe aux télescopes : objets massifs (naines brunes) et particules élémentaires (neutrinos). Mais le compte n'y est pas. Aussi pense-t-on que cette matière pourrait être faite de particules théoriques encore à découvrir. Les Astronomes sont formels : 90 % de la matière de l'Univers échappent aux objectifs de leurs télescopes. Seuls apparaissent sur les clichés les galaxieset les milliards d'étoiles qui les composent, les nébuleuses sombres ou brillantes qui constellent le ciel et de gigantesques flashes d'énergie dont les mécanismes de production de sont pas totalement compris (...). Grâce aux progrès de la technologie, de nouvelles fenêtres se sont ouvertes dans l'infrarouge, l'ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma. Plus récemment, les astronomes se sont ouverts l'astronomie des neutrinos, particules fugaces qui contribueraient sensiblement à la masse de l'univers ... Mais les théoriciens savent bien que, malgré cela, l'essentiel de l'univers échappe à la communauté astronomique qui ne saurait se contenter du terrain d'expérience restreinte - 10% du tout - qui lui est offert. C'est la raison pour laquelle elle cherche depuis de nombreuses années à mettre en évidence cette fameuse matière noire, constituant majeur de notre univers. Une équipe de l'Institut d'Astrophysique de Paris, associée à des astronomes français (CEA Saclay, Télescope Canada-France-Hawaï (CFHT) et Laboratoire d'Astronomie Spatiale de Marseille et étrangers (Canada, Allemagne, Etats-Unis), vient d'ouvrir une fenêtre sur ce monde. Juste avant une équipe britannique menée par Richard Ellis (Cambridge et Caltech) et une américaine conduite par Tyson (Bell Labs, New Jersey) qui, toutes deux, confirment en partie ces résultats. ...Comment les chercheurs ont-ils triomphé de l'invisible et confirmé l'existence de cette matière noire ? En faisant appel à un principe qui veut que la lumière se courbe au voisinage d'une énorme masse de matière (Soleil, amas de galaxies), sous l'effet de la gravitation. Cette hypothèse a été maintes fois vérifiée. Mais les astronomes se sont demandés si le même effet pouvait être observé avec la matière noire qui est supposée être peu dense et exister en quantités considérables. Si c'était le cas, cette matière sombre trahirait sa présence sans pour autant pouvoir être vue. "Astigmatisme cosmique". "En 1991, explique Yannick Mellier, de l'Institut d'Astrophysique de Paris, la théorie prédisait que des objets lointains comme les galaxies pouvaient, du fait de la présence de grandes masses de matière noire sur le passage de leur lumière apparaître légèrement déformées et présenter des formes d'ellipses allongées. Mais cet effet d'astigmatisme cosmique était, selon les calculs, si faible que le détecter tenait de la gageure. " De plus, les chercheurs manquaient à l'époque d'un modèle théorique pour valider d'éventuelles mesures, ainsi d'ailleurs que de caméras suffisamment performantes pour les réaliser. Depuis, la caméra CFH 12K a été mise au point et le canadien Ludovic Van Waerbeke a développé des outils de traitement adaptés à ce programme de recherche. Après cinq ans passés à analyser les quelques 200 000 galaxies lointaines photographiées par le télescope Canada-France-Hawaï, les chercheurs sont enfin parvenus à leurs fins. Sur les clichés du fond du ciel pris par le CFHT apparaissent aujourd'hui, après un traitement adapté, des centaines de petites ellipses de couleur vert d'eau qui sont autant de galaxies. ...Peut-on pour autant en déduire que ce phénomène est bien le fruit d'un effet gravitationnel sur la lumière émise par les galaxies ? "Assurément (...), répond Yannick Mellier. En l'absence de matière sur le passage des rayons lumineux -donc sans effet gravitationnel- , même les galaxies elliptiques apparaissent comme des petits points ronds. Dans le cas contraire, le cliché est couvert de petites ellipses. De plus, l'effet gravitationnel a tendance à organiser ces galaxies. Un peu à la manière d'un aimant qui oriente la limaille de fer selon les lignes du champ magnétique qui lui est appliqué". Particules encore inconnues. Ce sont ces imperceptibles déformations et cette réorganisation des galaxies qui permettent d'affirmer que la lumière a été déviée de sa trajectoire par des filaments de matière diffuse et invisible. Une matière dont la densité est faible (contrairement à celle du Soleil et des amas de galaxies), mais dont les effets sont cependant perceptibles, du fait de leur considérable étendue : 100 million et un milliard de parsecs (1 parsec équivaut à 3,36 années-lumière). A titre de comparaison notre galaxie ne mesure que 34.000 parsecs dans sa plus grande longueur. ..Sur le modèle en trois dimensions que l'équipe française a reconstitué sur ordinateur l'effet est saisissant. Dans son parcours jusqu'à nous, la lumière change constamment de direction au voisinage de ces filaments qui forment comme une sorte de gruyère dans l'espace qu'ils occupent. Une structure qui raconte l'histoire de l'Univers et révèle les conditions initiales de sa formation. Car la matière noire qui échappe à nos regards n'est pas de même nature (baryonique) que celle dont les étoiles et nous-mêmes sommes faits. Selon les théoriciens, elle serait composée de particules - mauviettes (whimps), axions, particules supersymétriques, etc ... encore à découvrir ... Une nouvelle porte vient de s'entrouvrir, aux astronomes de s'y engouffrer. Ils devraient prochainement le faire avec la mise en service, dans deux ans au CFHT, d'une caméra quatre fois plus grande, la MégaCam, développée par le CEA de Saclay. Dans un avenir plus lointain, on envisage la mise en place d'un réseau d'une centaine de télescopes d'un mètre de diamètre et le lancement d'un satellite américain, Snapsat, consacré aux étoiles explosives (supernovae), mais capable aussi de traquer les effets de la matière noire."
" Si la matière noire détourne le cours de la lumière, c'est bien qu'elle existe. La déformation d'images de galaxies lointaines prouve l'existence d'immenses objets invisibles. Depuis des années, les astronomes cherchent à mettre en évidence la matière noire (90% de la matière dans l'univers). Bien des hypothèses ont été avancées pour expliquer la nature de ce milieu qui échappe aux télescopes : objets massifs (naines brunes) et particules élémentaires (neutrinos). Mais le compte n'y est pas. Aussi pense-t-on que cette matière pourrait être faite de particules théoriques encore à découvrir. Les Astronomes sont formels : 90 % de la matière de l'Univers échappent aux objectifs de leurs télescopes. Seuls apparaissent sur les clichés les galaxieset les milliards d'étoiles qui les composent, les nébuleuses sombres ou brillantes qui constellent le ciel et de gigantesques flashes d'énergie dont les mécanismes de production de sont pas totalement compris (...). Grâce aux progrès de la technologie, de nouvelles fenêtres se sont ouvertes dans l'infrarouge, l'ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma. Plus récemment, les astronomes se sont ouverts l'astronomie des neutrinos, particules fugaces qui contribueraient sensiblement à la masse de l'univers ... Mais les théoriciens savent bien que, malgré cela, l'essentiel de l'univers échappe à la communauté astronomique qui ne saurait se contenter du terrain d'expérience restreinte - 10% du tout - qui lui est offert. C'est la raison pour laquelle elle cherche depuis de nombreuses années à mettre en évidence cette fameuse matière noire, constituant majeur de notre univers. Une équipe de l'Institut d'Astrophysique de Paris, associée à des astronomes français (CEA Saclay, Télescope Canada-France-Hawaï (CFHT) et Laboratoire d'Astronomie Spatiale de Marseille et étrangers (Canada, Allemagne, Etats-Unis), vient d'ouvrir une fenêtre sur ce monde. Juste avant une équipe britannique menée par Richard Ellis (Cambridge et Caltech) et une américaine conduite par Tyson (Bell Labs, New Jersey) qui, toutes deux, confirment en partie ces résultats. ...Comment les chercheurs ont-ils triomphé de l'invisible et confirmé l'existence de cette matière noire ? En faisant appel à un principe qui veut que la lumière se courbe au voisinage d'une énorme masse de matière (Soleil, amas de galaxies), sous l'effet de la gravitation. Cette hypothèse a été maintes fois vérifiée. Mais les astronomes se sont demandés si le même effet pouvait être observé avec la matière noire qui est supposée être peu dense et exister en quantités considérables. Si c'était le cas, cette matière sombre trahirait sa présence sans pour autant pouvoir être vue. "Astigmatisme cosmique". "En 1991, explique Yannick Mellier, de l'Institut d'Astrophysique de Paris, la théorie prédisait que des objets lointains comme les galaxies pouvaient, du fait de la présence de grandes masses de matière noire sur le passage de leur lumière apparaître légèrement déformées et présenter des formes d'ellipses allongées. Mais cet effet d'astigmatisme cosmique était, selon les calculs, si faible que le détecter tenait de la gageure. " De plus, les chercheurs manquaient à l'époque d'un modèle théorique pour valider d'éventuelles mesures, ainsi d'ailleurs que de caméras suffisamment performantes pour les réaliser. Depuis, la caméra CFH 12K a été mise au point et le canadien Ludovic Van Waerbeke a développé des outils de traitement adaptés à ce programme de recherche. Après cinq ans passés à analyser les quelques 200 000 galaxies lointaines photographiées par le télescope Canada-France-Hawaï, les chercheurs sont enfin parvenus à leurs fins. Sur les clichés du fond du ciel pris par le CFHT apparaissent aujourd'hui, après un traitement adapté, des centaines de petites ellipses de couleur vert d'eau qui sont autant de galaxies. ...Peut-on pour autant en déduire que ce phénomène est bien le fruit d'un effet gravitationnel sur la lumière émise par les galaxies ? "Assurément (...), répond Yannick Mellier. En l'absence de matière sur le passage des rayons lumineux -donc sans effet gravitationnel- , même les galaxies elliptiques apparaissent comme des petits points ronds. Dans le cas contraire, le cliché est couvert de petites ellipses. De plus, l'effet gravitationnel a tendance à organiser ces galaxies. Un peu à la manière d'un aimant qui oriente la limaille de fer selon les lignes du champ magnétique qui lui est appliqué". Particules encore inconnues. Ce sont ces imperceptibles déformations et cette réorganisation des galaxies qui permettent d'affirmer que la lumière a été déviée de sa trajectoire par des filaments de matière diffuse et invisible. Une matière dont la densité est faible (contrairement à celle du Soleil et des amas de galaxies), mais dont les effets sont cependant perceptibles, du fait de leur considérable étendue : 100 million et un milliard de parsecs (1 parsec équivaut à 3,36 années-lumière). A titre de comparaison notre galaxie ne mesure que 34.000 parsecs dans sa plus grande longueur. ..Sur le modèle en trois dimensions que l'équipe française a reconstitué sur ordinateur l'effet est saisissant. Dans son parcours jusqu'à nous, la lumière change constamment de direction au voisinage de ces filaments qui forment comme une sorte de gruyère dans l'espace qu'ils occupent. Une structure qui raconte l'histoire de l'Univers et révèle les conditions initiales de sa formation. Car la matière noire qui échappe à nos regards n'est pas de même nature (baryonique) que celle dont les étoiles et nous-mêmes sommes faits. Selon les théoriciens, elle serait composée de particules - mauviettes (whimps), axions, particules supersymétriques, etc ... encore à découvrir ... Une nouvelle porte vient de s'entrouvrir, aux astronomes de s'y engouffrer. Ils devraient prochainement le faire avec la mise en service, dans deux ans au CFHT, d'une caméra quatre fois plus grande, la MégaCam, développée par le CEA de Saclay. Dans un avenir plus lointain, on envisage la mise en place d'un réseau d'une centaine de télescopes d'un mètre de diamètre et le lancement d'un satellite américain, Snapsat, consacré aux étoiles explosives (supernovae), mais capable aussi de traquer les effets de la matière noire."
Jean-François Augereau.
Reprise de la photo du dessus, en négatif. La vue de droite représente un recouvrement de la figure de gauche superposée par la carte de la gravitation causée par la matière sombre. La longueur de chaque ligne rouge est proportionnelle à la "force" de la gravitation convergente. L'orientation de chacune des lignes indique la direction de la gravitation : c'est perpendiculaire aux filaments de matière noire, les images de la galaxie s'étendent le long d'une direction perpendiculaire à ces lignes.
En construisant la carte de ces lignes par l'observation de centaines de milliers de galaxies sur de larges portions du ciel (cette image ne couvre que 5 x 5 degrés-carré), les scientifiques seront capables de dresser une carte de la matière noire dans l'Univers.
En construisant la carte de ces lignes par l'observation de centaines de milliers de galaxies sur de larges portions du ciel (cette image ne couvre que 5 x 5 degrés-carré), les scientifiques seront capables de dresser une carte de la matière noire dans l'Univers.
La théorie MOND
Nous l’avons vu, selon la théorie de la matière sombre, l’univers serait composé en majorité de matière invisible et froide. Seulement, il existe une autre théorie, beaucoup moins en vogue, voire marginale, mais qui mérite d’être mentionnée : le Mond.
La théorie Mond (MOdified Newtonian Dynamics), propose de modifier les lois de la gravitation d’Isaac Newton afin d’expliquer le problème de la masse manquante. Il convient de préciser que ces lois de la gravitation sont les bases fondamentales sur lesquelles se reposent toutes la physique contemporaine, y compris la théorie de la relativité générale … Autant dire que la théorie du Mond s’attaque à un gros poisson !!
C’est d’abord Moti Milgrom, de l’institut des sciences Weizmann (Israël), qui contesta en 1983 la présence de matière noire dans l’univers. Selon lui, il suffit de modifier les lois de Newton, qui lient masse, vitesse et accélération. Les lois de la gravitation ne seraient en fait cohérentes que pour des accélérations supérieures à la valeur critique estimée à 10-10 mètres / seconde². En deçà de ce seuil critique, l’équation de Newton n’est plus valable. Aussi polémique que soit ce modèle, il explique néanmoins la vitesse de rotation constante des étoiles en périphérie des galaxies dont nous avons parlé plus haut. Stacy McCaugh, astronome à l’université de Maryland, appuie cette théorie en exposant les caractéristiques du spectre du rayonnement fossile obtenu par l’expérience « Boomerang » : « Avant la publication des données des expériences sur le rayonnement micro-ondes, j’ai analysé ce que serait le spectre de puissance des anisotropies si l’univers était purement baryonique, sans matière sombre froide. Une telle cosmologie prédit l’existence d’un second pic de faible amplitude. » Et force est de constater que ce second pic existe bel et bien et reste inexpliqué par la théorie de la matière sombre. Il existe néanmoins tellement de variables cosmologiques encore hypothétiques ou à découvrir que toutes les hypothèses sont permises. La théorie Mond n’emporte pas vraiment l’adhésion des astronomes, d’autant qu’en remettant en cause les lois de Newton, elle échoue à expliquer d’autres résultats importants en l’absence de tout cadre physique approprié. La matière sombre semble donc avoir encore de beaux jours devant elle …
La théorie Mond (MOdified Newtonian Dynamics), propose de modifier les lois de la gravitation d’Isaac Newton afin d’expliquer le problème de la masse manquante. Il convient de préciser que ces lois de la gravitation sont les bases fondamentales sur lesquelles se reposent toutes la physique contemporaine, y compris la théorie de la relativité générale … Autant dire que la théorie du Mond s’attaque à un gros poisson !!
C’est d’abord Moti Milgrom, de l’institut des sciences Weizmann (Israël), qui contesta en 1983 la présence de matière noire dans l’univers. Selon lui, il suffit de modifier les lois de Newton, qui lient masse, vitesse et accélération. Les lois de la gravitation ne seraient en fait cohérentes que pour des accélérations supérieures à la valeur critique estimée à 10-10 mètres / seconde². En deçà de ce seuil critique, l’équation de Newton n’est plus valable. Aussi polémique que soit ce modèle, il explique néanmoins la vitesse de rotation constante des étoiles en périphérie des galaxies dont nous avons parlé plus haut. Stacy McCaugh, astronome à l’université de Maryland, appuie cette théorie en exposant les caractéristiques du spectre du rayonnement fossile obtenu par l’expérience « Boomerang » : « Avant la publication des données des expériences sur le rayonnement micro-ondes, j’ai analysé ce que serait le spectre de puissance des anisotropies si l’univers était purement baryonique, sans matière sombre froide. Une telle cosmologie prédit l’existence d’un second pic de faible amplitude. » Et force est de constater que ce second pic existe bel et bien et reste inexpliqué par la théorie de la matière sombre. Il existe néanmoins tellement de variables cosmologiques encore hypothétiques ou à découvrir que toutes les hypothèses sont permises. La théorie Mond n’emporte pas vraiment l’adhésion des astronomes, d’autant qu’en remettant en cause les lois de Newton, elle échoue à expliquer d’autres résultats importants en l’absence de tout cadre physique approprié. La matière sombre semble donc avoir encore de beaux jours devant elle …
Après avoir étudié les facteurs déterminants à l’avenir de notre univers, il convient de détailler (de façon sommaire tout du moins) les différents schémas théoriques de l’évolution de l’univers proposés par les astrophysiciens. Nous avons vu dès le début que c’était la géométrie de l’univers (conditionnée par la matière sombre et l’énergie sombre) qui déterminerait son avenir.
Pour rappel : Un univers ouvert (courbure négative), où la matière ne sera pas en assez grande quantité pour ralentir l’expansion par sa force gravitationnelle, entraînera une expansion sans limite de l’univers, jusqu’à la disparition du dernier atome … Au contraire, un univers fermé (courbure positive), où la matière sera suffisamment importante pour que son attraction stoppe la force répulsive de l’énergie sombre, engendrera un arrêt de l’expansion jusqu’à une contraction infinie de l’univers (semblable à l’état dans lequel il était lors de l’instant t=0), appelé Big Crunch.
Troisième possibilité, la plus en vogue au vu des mesures d’énergie et de matière sombres, un univers plat. Un univers plat subirait le même sort qu’un univers ouvert.
Univers fermé : Le Big Crunch
« Il faut vivre avec la volonté que l’instant présent se répètera un nombre infini de fois. »
Cette maxime de Nietzsche n’a bien sûr rien de scientifique, mais c’est une intéressante philosophie de la vie …
Nous partirons ici du principe que l’univers est fermé, que sa courbure est positive, et donc que la matière sombre contenue dans l’univers est suffisamment importante pour stopper le phénomène d’expansion de l’univers. Précisons immédiatement que cette théorie est de moins en moins prise au sérieux, voire déjà obsolète … Néanmoins nous tenons à en détailler les évènements dans un souci de culture et d’ouverture d’esprit.
Nous partirons ici du principe que l’univers est fermé, que sa courbure est positive, et donc que la matière sombre contenue dans l’univers est suffisamment importante pour stopper le phénomène d’expansion de l’univers. Précisons immédiatement que cette théorie est de moins en moins prise au sérieux, voire déjà obsolète … Néanmoins nous tenons à en détailler les évènements dans un souci de culture et d’ouverture d’esprit.
L'expansion s'arrête, et l'Univers s'effondre
Que se passera-t-il concrètement lorsque l’univers cessera, d’ici 50 milliards d’années, de s’étendre ? Eh bien la force d’attraction de la matière fera se réduire les distances petit à petit, en fait nous assisterons aux mêmes évènements pendant la phase de contraction que pendant la phase d’expansion, à la différence près que la détente gravitationnelle n’existera plus et que les trous noirs joueront un rôle prédominant.
Dans 50 milliards d’années, lorsque l’univers sera figé, la température sera tombée à 1°k. Le rayon réel de l’univers s’étendra à 1025 années lumière. Naturellement, plus la matière est dense et plus la force d’attraction est forte : la matière attire la matière avec une force inversement proportionnelle au carré de sa distance. La taille de l’univers diminuera alors selon un rythme inversement proportionnel à sa température. Evidemment, 50 milliards d’années après le début de la contraction, l’univers sera redevenu ce qu’il est aujourd’hui, avec une température de -273.15°c, et avec un paysage cosmique identique. La seule différence, c’est que les objets présenterons une raie spectrale allant vers le bleu et non vers le rouge (puisqu’elles se rapprocheront), avec de plus courtes longueurs d’ondes … Ce sera donc un anti effet Doppler.
De fait, les astres donneront sûrement l’illusion d’être plus brillants qu’ils ne le seront en réalité. Des étoiles renaîtront lorsque les nuages de gaz se seront suffisamment re-condensés. Mais le temps passant, leur durée de vie deviendra très courte car le combustible sera devenu bien trop dense et donc trop lourd, en outre les collisions interstellaires deviendront de plus en plus fréquentes … La température sera alors de 173°k.
Les galaxies entreront elles aussi en collision lorsque la bulle de l’univers visible aura la taille de 10 milliards d’années lumière. Elles fusionneront, comme cela peut aujourd’hui être le cas, pour former d’énormes structures stellaires maintenues par la gravitation. La température grimpera alors à 300°k. Si la Terre existait encore, nous verrions le ciel scintiller en plein jour !
Dans 50 milliards d’années, lorsque l’univers sera figé, la température sera tombée à 1°k. Le rayon réel de l’univers s’étendra à 1025 années lumière. Naturellement, plus la matière est dense et plus la force d’attraction est forte : la matière attire la matière avec une force inversement proportionnelle au carré de sa distance. La taille de l’univers diminuera alors selon un rythme inversement proportionnel à sa température. Evidemment, 50 milliards d’années après le début de la contraction, l’univers sera redevenu ce qu’il est aujourd’hui, avec une température de -273.15°c, et avec un paysage cosmique identique. La seule différence, c’est que les objets présenterons une raie spectrale allant vers le bleu et non vers le rouge (puisqu’elles se rapprocheront), avec de plus courtes longueurs d’ondes … Ce sera donc un anti effet Doppler.
De fait, les astres donneront sûrement l’illusion d’être plus brillants qu’ils ne le seront en réalité. Des étoiles renaîtront lorsque les nuages de gaz se seront suffisamment re-condensés. Mais le temps passant, leur durée de vie deviendra très courte car le combustible sera devenu bien trop dense et donc trop lourd, en outre les collisions interstellaires deviendront de plus en plus fréquentes … La température sera alors de 173°k.
Les galaxies entreront elles aussi en collision lorsque la bulle de l’univers visible aura la taille de 10 milliards d’années lumière. Elles fusionneront, comme cela peut aujourd’hui être le cas, pour former d’énormes structures stellaires maintenues par la gravitation. La température grimpera alors à 300°k. Si la Terre existait encore, nous verrions le ciel scintiller en plein jour !
100 millions d’années avant le Big Crunch, l’univers aura un diamètre d’1/1000ème par rapport à aujourd’hui, il règnera déjà un enfer de 3000 K.
Il reste désormais 900 000 ans, il fait 10 000 K. Les premiers atomes d’hydrogène se ioniseront car l’énergie de l’univers atteindra alors les 13.6eV. Déjà, la matière changera de forme … Les molécules commenceront à se dissocier de la matière, séparant protons et électrons. Comme avant l’époque du rayonnement fossile, l’univers redeviendra opaque du fait de sa densité très élevée, il deviendra aveuglant de lumière.
Il reste désormais 900 000 ans, il fait 10 000 K. Les premiers atomes d’hydrogène se ioniseront car l’énergie de l’univers atteindra alors les 13.6eV. Déjà, la matière changera de forme … Les molécules commenceront à se dissocier de la matière, séparant protons et électrons. Comme avant l’époque du rayonnement fossile, l’univers redeviendra opaque du fait de sa densité très élevée, il deviendra aveuglant de lumière.
800 000 ans plus tard, la température atteint le chiffre effrayant de 10 millions de Kelvins. Les étoiles se désagrègeront en un plasma bouillonnant. L’énergie arrivant à ½ million d’électronvolts ; les atomes éjecteront leurs neutrons et se désintègreront en particules élémentaires, en libérant des photons. Les trous noirs avaleront alors des galaxies entières … L’hydrogène libéré sera étiré en filaments par la vitesse de contraction de l’univers. Les trous noirs seront tellement massifs qu’ils éjecteront des ondes gravitationnelles titanesques. Au fur et à mesure que l’univers se rétrécira, le rayonnement qui se décalait jusqu’à présent vers le bleu, se décalera alors vers l’ultraviolet, puis les rayons x et enfin les rayons gamma.
1 an avant la fin, les trous noirs devenus trop massifs et trop rapprochés fusionneront comme plus tôt les galaxies …
1 mois avant le grand effondrement, la température devient astronomique : 10 milliards de Kelvins. La matière survivante sera constituée de neutrinos, de protons et de neutrons. L’énergie et la température ambiante verront se recréer des antiparticules, comme au commencement de l’univers. A 10 000 milliards de Kelvins, les protons et neutrons disparaîtront à leur tour, libérant les quarks dans l’espace.
Il arrivera à un moment donné un instant où le rayonnement abandonné dans l’espace en quelques millions d’années sera englouti par les trous noirs.
Trois minutes avant le Big Crunch, les trous noirs fusionnent.
1 mois avant le grand effondrement, la température devient astronomique : 10 milliards de Kelvins. La matière survivante sera constituée de neutrinos, de protons et de neutrons. L’énergie et la température ambiante verront se recréer des antiparticules, comme au commencement de l’univers. A 10 000 milliards de Kelvins, les protons et neutrons disparaîtront à leur tour, libérant les quarks dans l’espace.
Il arrivera à un moment donné un instant où le rayonnement abandonné dans l’espace en quelques millions d’années sera englouti par les trous noirs.
Trois minutes avant le Big Crunch, les trous noirs fusionnent.
Arrive l’apocalypse : La taille de l’univers passe d’1 million de milliard d’années lumière (1015) à quelques millions de kilomètres (sorte d’anti inflation), puis il continuera à se contracter jusqu’à redevenir une singularité.
Ci-dessus : Simulation de la structure de l' Univers. La gravité ordonne la matière le long de fins filaments. Les fortes densités sont en jaune, créant un effondrement qui engendre des étoiles. Ces flots de galaxies le long des filaments (rouge indique une densité moyenne) se rencontrent dans les nœuds causant le développement des galaxies. Les zones bleues sont de densité faible. A l’inverse, nous pouvons reprendre cette image pour décrire l’univers lors de la phase de contraction (dans le cas d’un Big Crunch), lorsque l’hydrogène libéré des étoiles et des galaxies reprendra cette forme de filaments.
Le cycle reprend
L’univers aura disparu … Mais que se passera-t-il après ?? De la même façon qu’on ne peut pas poser la question de l’avant Big Bang, ne pouvons-nous pas nous demander ce qui se passera après ? Puisque la matière et l’espace ne seront plus, alors le temps sera devenu lui aussi caduque … Sera-ce la fin de tout ? Ou sera-ce une façon de reculer pour mieux sauter ? Si on reprend la phrase citée par Nietzsche en début de paragraphe, on peut penser que tout se répète, et donc extrapoler un modèle d’univers dit « oscillant ». En effet, Friedmann (1922), Lemaître (1927) et enfin Tolman (1934) exposèrent un modèle d’univers rebondissant de Big Crunch en Big Bang, puis en Big Crunch, etc, etc … Il pourrait alors mourir puis renaître pour recréer le monde tel qu’il était finalement. Georges Lemaître donna le nom d’univers « phoenix » à cette idée. Cette notion d’univers réincarné s’exprime plus dans la philosophie que dans la science, et dénote surtout la volonté irrépressible de l’homme à vouloir perpétuer la vie. Ainsi, cette notion est surtout présente dans les philosophies et religions orientales, ou le concept de réincarnation est bien ancré dans les mœurs. Dans l’antiquité déjà, Platon avait émis l’hypothèse d’un univers cyclique, comme étant une « conséquence naturelle du règne de « Chronos » (dieu grec du temps).
Le Big Crunch : un scenario fictif
Comme dit précédemment, cette théorie d’effondrement universel n’est plus réellement d’actualité, car il est facilement démontrable que l’univers ne se contractera pas.
Des télescopes (ISO) et spectrographes orbitaux, voyant dans l’infra rouge, de l’ESA (Agence Spatiale Européenne) viennent de déterminer l’abondance de deutérium dans la pouponnière d’étoile de la nébuleuse d’Orion, réputée pour être une zone très représentative de l’univers. La valeur calculée semble démontrer que l’univers ne contient pas assez de matière baryonique pour stopper l’expansion.
Le deutérium, isotope de l’hydrogène et indicateur le plus fiable pour mesurer la quantité de matière de l’univers, est donc de première importance pour les chercheurs. Lors de la nucléosynthèse primordiale, peu après le Big Bang, le deutérium a été tour à tour créé puis détruit, le reste de matière dépendant de l’équilibre entre ces mécanismes antagonistes. Il est important de noter que le nombre de deutérium est fortement lié au nombre de baryons, protons et électrons. Plus la densité de baryons est importante, et moins le deutérium pourra se former. On sait que le sort de l’univers est lié à la densité critique de matière, qui engendrera soit une expansion infinie, soit un effondrement gravitationnel. C’est pourquoi il est nécessaire de connaître le nombre total d’atomes de deutérium dans l’univers : afin de déterminer la quantité de baryons.
L’abondance de deutérium a été récemment déterminée dans un région d’intense activité stellaire (une pouponnière d’étoile) située dans la ceinture d’Orion, à 1 500 années lumière de la Terre. Le satellite ISO, armé de son spectromètre à grande longueur d’ondes a rapporté un résultat d’un atome de deutérium pour 100 000 atomes d’hydrogène. Si la matière avait été suffisamment importante pour provoquer un Big Crunch, alors ce rapport aurait été bien plus grand : 1 atome de deutérium pour 1 million d’atomes d’hydrogène.
Le Big Crunch n’aura donc pas lieu !
Des télescopes (ISO) et spectrographes orbitaux, voyant dans l’infra rouge, de l’ESA (Agence Spatiale Européenne) viennent de déterminer l’abondance de deutérium dans la pouponnière d’étoile de la nébuleuse d’Orion, réputée pour être une zone très représentative de l’univers. La valeur calculée semble démontrer que l’univers ne contient pas assez de matière baryonique pour stopper l’expansion.
Le deutérium, isotope de l’hydrogène et indicateur le plus fiable pour mesurer la quantité de matière de l’univers, est donc de première importance pour les chercheurs. Lors de la nucléosynthèse primordiale, peu après le Big Bang, le deutérium a été tour à tour créé puis détruit, le reste de matière dépendant de l’équilibre entre ces mécanismes antagonistes. Il est important de noter que le nombre de deutérium est fortement lié au nombre de baryons, protons et électrons. Plus la densité de baryons est importante, et moins le deutérium pourra se former. On sait que le sort de l’univers est lié à la densité critique de matière, qui engendrera soit une expansion infinie, soit un effondrement gravitationnel. C’est pourquoi il est nécessaire de connaître le nombre total d’atomes de deutérium dans l’univers : afin de déterminer la quantité de baryons.
L’abondance de deutérium a été récemment déterminée dans un région d’intense activité stellaire (une pouponnière d’étoile) située dans la ceinture d’Orion, à 1 500 années lumière de la Terre. Le satellite ISO, armé de son spectromètre à grande longueur d’ondes a rapporté un résultat d’un atome de deutérium pour 100 000 atomes d’hydrogène. Si la matière avait été suffisamment importante pour provoquer un Big Crunch, alors ce rapport aurait été bien plus grand : 1 atome de deutérium pour 1 million d’atomes d’hydrogène.
Le Big Crunch n’aura donc pas lieu !
Univers ouvert : Expansion infinie
Il est donc désormais établit que l’univers ne subira pas de Big Crunch, car la matière présente en son sein semble ne pas être en suffisante quantité pour que sa masse perturbe la force répulsive de l’énergie sombre, force qui provoque l’expansion. Que deviendra alors l’univers si l’espace est destiné à se dilater encore et encore ? Quel est donc, à terme, l’avenir de la matière et donc de la vie ?
Habitués que nous sommes de voir un ciel étoilé, nous ne nous rendons pas compte de la chance que nous avons … Pour nous, cela va de soi, nous évoluons dans une galaxie remplie d’une centaine de milliard d’étoiles, alors quoi de plus logique ? Eh bien nous avons tort de penser que cela va de soi justement. Nous savons déjà que l’univers n’a pas toujours été dans la configuration actuelle, et nous devons nous attendre à ce qu’il change encore de visage. Nous ne reviendrons pas en détail sur la période du Big Bang, seulement pour rappeler qu’à cet instant a commencé la fantastique aventure de l’espace, de l’énergie et de la matière. Matière qui s’est organisée, se condensant et formant nuages de gaz, étoiles et galaxies … L’espace, quant à lui, s’est d’abord dilaté avec un facteur énorme, puis son expansion a continuée jusqu’à aujourd’hui, on s’est même aperçu qu’elle accélérait sous l’effet de la poussé de l’énergie sombre.
Habitués que nous sommes de voir un ciel étoilé, nous ne nous rendons pas compte de la chance que nous avons … Pour nous, cela va de soi, nous évoluons dans une galaxie remplie d’une centaine de milliard d’étoiles, alors quoi de plus logique ? Eh bien nous avons tort de penser que cela va de soi justement. Nous savons déjà que l’univers n’a pas toujours été dans la configuration actuelle, et nous devons nous attendre à ce qu’il change encore de visage. Nous ne reviendrons pas en détail sur la période du Big Bang, seulement pour rappeler qu’à cet instant a commencé la fantastique aventure de l’espace, de l’énergie et de la matière. Matière qui s’est organisée, se condensant et formant nuages de gaz, étoiles et galaxies … L’espace, quant à lui, s’est d’abord dilaté avec un facteur énorme, puis son expansion a continuée jusqu’à aujourd’hui, on s’est même aperçu qu’elle accélérait sous l’effet de la poussé de l’énergie sombre.
A l’avenir, l’espace sera donc de plus en plus dilaté et froid. Néanmoins, cette évolution va s’étendre sur une durée interminable … Autrement dit, la matière ne dira pas son dernier mot de sitôt.
Le règne des étoiles et des galaxies
Pour commencer, les prochaines dizaines de milliards d’années à venir seront encore soumises au règne des étoiles et galaxies. Ce sera plus précisément une époque de grande collision intergalactique. Par exemple, notre Voie Lactée entrera prochainement en collision avec M31, la galaxie d’Andromède. Les étoiles n’entreront quant à elles pas en collision comme on pourrait le supposer, puisque les espaces les séparants resteront bien évidemment énormes. Donc plutôt que dire parler de collision, le terme fusion est plus approprié. Par contre la fusion de deux galaxies entraîne la collision de leurs nuages de gaz respectifs qui, eux, se percutent et forment de nouvelles étoiles. La grosse galaxie elliptique résultante entrera à son tour en collision avec les autres supergalaxies voisines.
Malgré ces naissances d‘étoiles, le processus ne cessera de diminuer, car la matière en suspension s’atténuera au fil du temps … C’est déjà le cas aujourd’hui, la naissance d’une étoile est un fait bien plus rare que par le passé : seulement une à deux étoiles naissent chaque année dans notre galaxie. Alors bien sûr, la matière stellaire faite de gaz et poussières est bien souvent rejetée dans l’espace lorsqu’une étoile meurt (supernova ou nébuleuse planétaire), mais celle-ci n’est jamais recyclée intégralement, ce qui explique sa raréfaction.
Malgré ces naissances d‘étoiles, le processus ne cessera de diminuer, car la matière en suspension s’atténuera au fil du temps … C’est déjà le cas aujourd’hui, la naissance d’une étoile est un fait bien plus rare que par le passé : seulement une à deux étoiles naissent chaque année dans notre galaxie. Alors bien sûr, la matière stellaire faite de gaz et poussières est bien souvent rejetée dans l’espace lorsqu’une étoile meurt (supernova ou nébuleuse planétaire), mais celle-ci n’est jamais recyclée intégralement, ce qui explique sa raréfaction.
En fait, les étoiles ayant le plus de chance de survivre longtemps, sont les naines brunes. Bien qu’elles soient les plus modestes parmi les étoiles, elles sont les plus nombreuses : environ 80% des étoiles sont des naines brunes. La particularité de ces étoiles, c’est que leur durée de vie, de part leur constitution, est bien plus élevée que les autres, et de plus leur état change à la fin de leur existence … On dit qu’elle s’épanouit. C'est-à-dire qu’à la fin de leur vie, sur une période de 5 à 6 milliards d’années, elles se mettent à briller avec le même rayonnement que notre Soleil.
L'Univers s'éteint
Au fil des milliards d’années qui s’écouleront, les étoiles se mettront à s’éteindre, et le renouvellement des générations ne s’effectuera plus, faute de carburant … La dernière étoile s’éteindra vers 10 000 milliards d’années. Il restera néanmoins des naines brunes, blanches, des étoiles à neutrons, des trous noirs, etc … Elle représenteront alors l’intégralité de la matière engendrée par l’instant zéro.
L’univers est-il alors figé dans une torpeur infinie ? La réponse est non, l’univers n’est pas encore à l’agonie …
L’univers est-il alors figé dans une torpeur infinie ? La réponse est non, l’univers n’est pas encore à l’agonie …
Disparition des galaxies
Vers 1019 années, les galaxies organisent encore leur matière et les étoiles qui se rapprochent entre elles sont parfois accélérées par la force de leur voisine. Il arrive alors que certaines s’échappent de leur galaxie pour aller nourrir un trou noir situé au cœur d’une autre galaxie. De plus, ces voyages intempestifs provoqueront dans une minorité des cas des collions entre deux naines brunes qui rallumeront la flamme pendant un cours instant … Une galaxie standard pourra alors espérer compter entre 10 et 100 étoiles actives en son sein. Mais plus intéressante est la collision entre deux naines blanches, collision qui provoque une supernova, illuminant de sa lumière l’espace alors devenu ténèbre. Ce phénomène pourra durer quelques heures, avant de replonger l’univers dans sa noirceur. Vers 1020 ans, les galaxies auront terminé leur évaporation et disparaîtront. L’univers sera alors un vaste champ d’étoiles mortes, de rochers et poussières, toutes condamnées à mourir elles aussi.
La stabilité du proton
L’étape suivante de la lente mort matérielle, est prévue en fonction d’un facteur capital : la stabilité du proton.
Le proton est instable
Commençons par partir du principe que le proton soit instable … Entre 1035 et 1080 années, le proton se transforme en positron (antiélectron). Une naine noire rayonne alors comme quatre ampoules électriques. Dans 1030 années, les trous noirs seront devenus plus chauds que l’univers (10-8 à 10-17 K ). Ils se videront alors peu à peu de leurs matières et de leur lumière. Le processus est très long, un trou noir massif peut mourir en 10100 ans !
A ce stade, seuls subsistent les photons, neutrinos, électrons et antiparticules, extrêmement dilués dans l’espace. Il n’y a plus de trous noirs, plus d’atomes. Les longueurs d’onde deviennent gigantesques, phénomène dû à l’expansion toujours active de l’espace-temps. On peut se représenter à cette époque une longueur d’onde grande comme la distance Terre - Lune !!
A ce stade, seuls subsistent les photons, neutrinos, électrons et antiparticules, extrêmement dilués dans l’espace. Il n’y a plus de trous noirs, plus d’atomes. Les longueurs d’onde deviennent gigantesques, phénomène dû à l’expansion toujours active de l’espace-temps. On peut se représenter à cette époque une longueur d’onde grande comme la distance Terre - Lune !!
Mais la nature n’a pas encore dit son dernier mot … Vers 1071 années, il est encore possible de voir se construire des structures de matières à partir de briques élémentaires telles que celles citées ci-dessus. Il se peut alors qu’un électron et un positron s’unissent pour former un nouvel atome qu’on appelle positronium. Ce résultat est possible car, qu’elle que soit la distance les séparant, la charge positive du positron et la charge négative de l’électron ne cesseront jamais de s’attirer. Cette opération ne sera seulement possible que si le taux d’expansion de l’univers n’est pas trop important … Chaque positron sera alors condamné à fusionner avec un électron. On retournera dans une période d’annihilation matière – antimatière, comme aux premiers instants de l’univers. La fin du positronium est prévue pour 10116 ans. Il se produira alors un feu d’artifice de photons à haute énergie gamma, à l’occasion de la grande annihilation. Ce sera le dernier souffle de vie de l’univers.
Le proton est stable
A moins que le proton ne soit stable …
Si c’est le cas, l’univers aura alors un répit, avec l’apparition de ce qu’on appelle l’effet tunnel. L’effet tunnel, c’est la possibilité de franchissement de barrières d’énergie, même sans apport d’énergie extérieure (phénomène propre à la physique quantique, mais rejeté par la physique classique). Le fer est l’élément chimique le plus stable dans l’univers. Si les autres tomes n’avaient pas ce mur à franchir, alors la nature de l’univers serait entièrement constituée de fer depuis fort longtemps. L’effet tunnel prévoit néanmoins la transformation de tous les atomes en fer par fusion ou par fission. Par exemple, 101500 ans sont nécessaires pour qu’une naine noire, faite d’hydrogène et d’hélium, devienne une boule de fer. Cela prendra le temps qu’il faudra, mais toute la matière sera alors condamnée à se transformer en fer.
Le fer est, comme nous l’avons dit, l’élément chimique le plus stable, mais il n’est pas forcément l’état le plus stable de la matière. Une purée de neutrons est beaucoup plus stable encore … Grâce à l’effet tunnel, tous les protons se transforment en neutrons. Ce n’est pas terminé pour autant. Les objets solides n’existent plus, on peut alors considérer les objets comme des boules liquides, notamment ces neutrons qui, se mouvant les uns par rapport aux autres, donnent l’impression d’un océan. Il existe alors une probabilité infime mais non nulle pour qu’un neutron s’échappe de l’ensemble … Le neutron se désintégrant en ¼ d’heure, une partie des neutrons formant l’univers finira de cette façon. Pour le reste, les neutrons se mettront à se condenser vers le centre d leur « astre » jusqu’à un tel degré densité qu’apparaîtra un trou noir. De microscopiques trous noirs apparaîtront de disparaîtront cycliquement. Après 101076 ans, la matière aura rendue l’âme.
Les connaissances théoriques de nos physiciens s’arrêtent là.
Si c’est le cas, l’univers aura alors un répit, avec l’apparition de ce qu’on appelle l’effet tunnel. L’effet tunnel, c’est la possibilité de franchissement de barrières d’énergie, même sans apport d’énergie extérieure (phénomène propre à la physique quantique, mais rejeté par la physique classique). Le fer est l’élément chimique le plus stable dans l’univers. Si les autres tomes n’avaient pas ce mur à franchir, alors la nature de l’univers serait entièrement constituée de fer depuis fort longtemps. L’effet tunnel prévoit néanmoins la transformation de tous les atomes en fer par fusion ou par fission. Par exemple, 101500 ans sont nécessaires pour qu’une naine noire, faite d’hydrogène et d’hélium, devienne une boule de fer. Cela prendra le temps qu’il faudra, mais toute la matière sera alors condamnée à se transformer en fer.
Le fer est, comme nous l’avons dit, l’élément chimique le plus stable, mais il n’est pas forcément l’état le plus stable de la matière. Une purée de neutrons est beaucoup plus stable encore … Grâce à l’effet tunnel, tous les protons se transforment en neutrons. Ce n’est pas terminé pour autant. Les objets solides n’existent plus, on peut alors considérer les objets comme des boules liquides, notamment ces neutrons qui, se mouvant les uns par rapport aux autres, donnent l’impression d’un océan. Il existe alors une probabilité infime mais non nulle pour qu’un neutron s’échappe de l’ensemble … Le neutron se désintégrant en ¼ d’heure, une partie des neutrons formant l’univers finira de cette façon. Pour le reste, les neutrons se mettront à se condenser vers le centre d leur « astre » jusqu’à un tel degré densité qu’apparaîtra un trou noir. De microscopiques trous noirs apparaîtront de disparaîtront cycliquement. Après 101076 ans, la matière aura rendue l’âme.
Les connaissances théoriques de nos physiciens s’arrêtent là.
Précisons qu’avec la matière, c’est l’espace-temps qui disparaîtra … On ne peut pas sérieusement penser que l’espace continuera de s’étendre à l’infini alors que la matière aura disparue. L’infini est un concept dénué de toute signification physique : cela correspondrait à abandonner toute échelle de mesure alors même que c’est la base de toute science physique.
Ce n’est pas le cas en mathématiques, où la notion d’infini peut légitimement exister, mais on ne peut pas appliquer cette notion à la réalité sous peine de plonger l’homme dans une totale illusion.
Pour simplifier, l’univers ne connaît pas la mort dans le temps, mais il connaît la mort du temps, et donc de l’espace. Autrement dit, la question de la naissance et la mort de l’univers ne se pose ni dans le temps ni dans l’espace. Ils sont eux même la trame de l’univers.
Ce n’est pas le cas en mathématiques, où la notion d’infini peut légitimement exister, mais on ne peut pas appliquer cette notion à la réalité sous peine de plonger l’homme dans une totale illusion.
Pour simplifier, l’univers ne connaît pas la mort dans le temps, mais il connaît la mort du temps, et donc de l’espace. Autrement dit, la question de la naissance et la mort de l’univers ne se pose ni dans le temps ni dans l’espace. Ils sont eux même la trame de l’univers.
Le destin de l'Univers
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