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mercredi, 28 mai 2014 00:00

Qui avait-il avant le Big Bang ? Spécial

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Qui avait-il avant le big bang ?

La machine à remonter le temps existe bien

Les astronomes ont une méthode infaillible pour voyager dans le temps : lever les yeux au ciel. Car la lumière des galaxies témoigne du plus lointain passé. Or, avec les télescopes actuels, c'est toute l'histoire de l'Univers qui se révèle aujourd'hui, jusqu'à 14,7 milliards d'années en arrière. Soit juste à l'orée du big bang ! Longtemps resté mystérieux, le passé de l'Univers est aujourd'hui accessible aux astronomes. A l'aide de télescopes tels Hubble ou le VLT, ils remontent jusqu'à douze milliards d'années en arrière en observant les galaxies changer, comme les fossiles d'une espèce suivie de strate en strate géologique. Depuis 2002, ils disposent même, grâce au satellite Wmap, d'une image précise du plus ancien rayonnement de l'univers, 380 000 ans après le big bang ! Et ils devraient, d'ici à dix ans, remonter encore plus loin, à l'aide d'une nouvelle génération d'instruments capables de capter "l'écho" du big bang.

 

Qui n'a jamais rêvé de savoir ce qu'il y avait "avant" ? De remonter le plus loin possible dans le temps, de naviguer jusqu'aux origines de l'Univers ? Eh bien, c'est possible. Et nul besoin ici d'une hypothétique machine. Il suffit d'attendre la nuit et de s'allonger loin de la lumière des villes. Et de lever les yeux au ciel. Car la vue que nous offre la voûte céleste n'est pas qu'un simple panorama. De fait, l'Univers n'a pas seulement les trois dimensions spatiales qui fondent notre vision du monde, il y en a quatre si l'on y ajoute celle du temps. Le paysage céleste est... spatio-temporel. Et cela change tout quand observer dans l'espace, c'est du même coup observer dans le temps : comme la lumière se déplace à une vitesse finie (près de 300 000 km/s), plus les astres que nous observons se situent loin dans l'espace, plus ils se situent loin dans le temps. La conséquence est imparable : lorsque nous regardons un objet céleste quelconque, ce n'est jamais son "maintenant" que nous voyons, mais toujours son "avant".

LA RELATIVITÉ A TOUT CHANGÉ

Regardez la Lune : distante de 380 000 km, sa lumière met un peu plus d'une seconde à nous parvenir. Nous la voyons donc toujours une seconde dans le passé. La véritable machine à remonter le temps est ainsi purement astronomique. Et sa précision fabuleuse. La planète Mars, qui brille haut dans le ciel du matin durant tout l'été, nous apparaît avec huit minutes exactement de retard. Et tout s'accélère dès que l'on sort du système solaire : l'étoile Véga, de la Lyre, nous apparaît telle qu'elle était il y a vingt-six ans, Antarès, du Scorpion, six cents ans, Deneb trois mille ans !

Les astronomes savent aujourd'hui que l'Univers est né il y a 14,7 milliards d'années. C'est qu'à l'aide des télescopes ultrasensibles, ils sont désormais en mesure de voir directement le passé le plus lointain de l'Univers. Des milliers d'années accessibles à l'oeil nu, ils sont passés à des milliards d'années en arrière, scrutées à travers les lentilles et les miroirs de ces télescopes. Jusqu'à pouvoir reconstituer la chronologie du cosmos.

380 000 ANS APRÈS LE BIG BANG

Si l'on commence par la fin, il y a d'abord ce que les spécialistes appellent "l'Univers local" ; qu'il faut comprendre, bien sûr, au sens spatio-temporel du terme. Jusqu'à environ cinq milliards d'années dans le passé - et donc jusqu'à une distance de l'ordre de cinq milliards d'années-lumière (une année-lumière étant la distance parcourue par la lumière en une année), l'Univers ressemble au ciel qui nous entoure : (les galaxies par milliards, constituées comme notre propre galaxie, la Voie lactée, d'étoiles de tous âges... "Et avant ?" Le télescope spatial Hubble a apporté une part décisive à la cosmologie en observant avec une netteté sidérale et sidérante des galaxies beaucoup, beaucoup plus lointaines : sur les photographies prises par le télescope spatial se révèle le cosmos tel qu'il était voici plus de douze milliards d'années ! Et là, le paysage spatio-temporel change... Les galaxies apparaissent plus nombreuses, plus petites, plus brillantes ; elles sont riches en gaz et en étoiles géantes, très brillantes et très jeunes. Leur composition chimique atteste de leur jeunesse. Ici. nous entrons dans une seconde ère, celle de la naissance des étoiles et des galaxies, que les astronomes appellent "l'âge des ténèbres", parce que leurs télescopes ne sont pas suffisamment puissants pour y voir clair. De fait, ils ne disposent pas encore des instruments qui leur permettraient de remonter jusqu'à la formation même de ces premières galaxies. Mais dans les prochaines années, le successeur de Hubble ainsi que les télescopes géants actuellement en projet devraient lever le voile, restituant ainsi l'histoire cosmique pendant 14,5 milliards d'années...

"Et plus tôt ? Peut-on voir encore plus tôt ? " Eh bien, oui. Car paradoxalement, il est plus facile de voir ce qui s'est passé avant l'apparition des étoiles, tout simplement parce que dans cette troisième ère, dite "de la lumière", le cosmos était dense, brûlant et brillant. C'est à cette époque que fut émis le flash prodigieux connu sous le nom de "rayonnement de fond cosmologique". Pour Alain Riazuelo, chercheur à l'Institut d'astrophysique de Paris, qui travaille sur la mission européenne Planck (destinée à étudier le rayonnement de fond cosmologique, afin de mieux comprendre l'origine et la structure de l'Univers), "le rayonnement cosmologique est actuellement le plus lointain et le plus vieux message que que nous transmet l'Univers. Il a été émis voici presque 14,7 milliards d'années, seulement 380 000 ans après le big bang, d'après les dernières mesures". A cette époque, selon la théorie du big bang, l'Univers était un plasma brûlant d'hydrogène et d'hélium, à la fois brillant et opaque, comme le gaz que l'on trouve à l'intérieur des étoiles : l'espace n'était qu'un brouillard de lumière aveuglante... L'émission du rayonnement cosmologique correspond au moment exact, toujours selon le scénario du big bang, où les noyaux d'hydrogène et d'hélium ont capturé tous les électrons qui circulaient à cette époque librement, pour constituer les premiers atomes. Libérée des interactions incessantes avec ces électrons, la lumière a commencé à se propager dans un espace-temps en expansion rapide, de plus en plus vite et de plus en plus froid. Cette lumière, dernier vestige de l'origine du monde, a vu son énergie baisser au fil de l'expansion cosmique. A tel point que l'Univers, porté à la température de 2 700 °C au moment de son émission, est aujourd'hui glacial : le thermomètre cosmique marque -270 °C, comme l'ont attesté les satellites de la Nasa, Cobe et Wmap, ou le télescope Cosmic Background Imager, installé dans les Andes chiliennes, qui ont étudié précisément ses caractéristiques.

En remontant jusqu'à 380 000 ans après le big bang, les cosmologistes nous permettent donc de saisir 99,999 % de toute l'histoire de l'Univers. Pas mal non ? Mais la question demeure : et avant, que s'est-il passé avant ? Avant ? Il suffit de fermer les yeux et d'imaginer... A chaque seconde qui passe, des milliers de particules, venues du fond des âges, nous traversent de part en part : il s'agit des neutrinos dits cosmologiques, qui ont été émis théoriquement une seconde après le big bang, lorsque le "plasma Univers" hyperchaud et hyperdense s'est suffisamment détendu pour leur permettre de s'échapper !

L'ARLÉSIENNE DES ASTRONOMES

L'ennui, c'est que ces neutrinos cosmologiques sont presque indétectables. Au point d'être, selon Alain Riazuelo, "l'Arlésienne des astronomes. En fait, cette émission cosmologique est probablement le phénomène astrophysique le plus difficile à observer et personne ne sait si nous les observerons un jour, ni même quelle technologie pourrait permettre de les observer..." Et pour cause : pour ces neutrinos, l'Univers est totalement transparent. Ainsi, ceux qui vous traversent tandis que vous lisez ces lignes ont voyagé 14,7 milliards d'années - moins une seconde ! - à la vitesse de la lumière, à travers les étendues infinies, traversant les galaxies, les nébuleuses, les étoiles, sans être interceptés... D'où le problème.

                Voici la plus vieille image de l'univers prise par le satellite Wmap (à gauche) en 2002, elle le montre tel qu'il était "seulement" 380 000 ans après le big bang.

Il n'empêche ; nous voici parvenus à moins d'une seconde du big bang. Osera-t-on reposer la question "Et avant ?" aux scientifiques, leur demander de nous rapprocher encore un peu plus du big bang ? Pourquoi pas ! "Il existe, explique en effet Alain Riazuelo, un dernier rayonnement cosmologique, antérieur encore au rayonnement cosmologique de neutrinos : c'est le rayonnement de fond gravitationnel, émis 10-43 secondes après le big bang, à la fin de ce que l'on appelle l'ère de Planck." Et contrairement aux neutrinos, il est probable que les gravitons cosmologique seront détectés un jour. Peut-être par les premiers grands télescopes gravitationnels, tels l'européen Virgo à Pise, et les américains Ligo, à Hanford, et Livingston en Louisiane.

Nous voici donc arrivés dans les premiers milliardième de milliardième de milliardième de seconde de l'histoire, presque au big bang même. "Et avant ?" Avant cela... La plupart des scientifiques préfèrent ne pas se prononcer. Car aucun télescope ou détecteur si perfectionné ou gigantesque soit-il ne pourra jamais observer directement cet avant. L'ère de Planck, où se cachent l'origine de l'Univers et celle des lois de la nature ne rayonne pas. Quant à la théorie, elle ne permet même plus d'imaginer ce à quoi l'on pourrait s'attendre. La barrière du temps de Planck est la barrière de nos connaissances actuelles. Une barrière bien proche du but (10-43 secondes seulement séparent le temps de Planck du big bang !), mais infranchissable. Au-delà, la température de l'Univers, sa densité, sa courbure divergent vers l'infini. Des infinis qui ne plaisent guère aux physiciens, qui préfèrent jeter un voile pudique sur la scène des origines. Ne saura-t-on donc jamais rien de l'instant zéro, ni de ce qui s'est passé avant ? Ce serait sans compter l'imagination de certains cosmologistes qui, eux aussi taraudés par cette question de l"'avant", sont déjà en train d'élaborer de nouvelles théories pour essayer de décoder les équations de cet "autre côté de la barrière"...  S.B.

Il y a un "avant" que le plus puissant télescope ne pourra jamais observer : la barrière de Plank (écran opaque et infranchissable).

Les scénarios fous de l'avant big bang

Univers miroir de l'autre côté du temps zéro, big bangs multiples naissant à chaque instant dans les trous noirs d'un cosmos primordial, choc de membranes tridimensionnelles valsant dans des dimensions supplémentaires... les physiciens du pré big bang n'ont rien à envier aux scénaristes hollywoodiens ! Ces aventuriers tentent d'ouvrir cette fameuse nouvelle voie qui réconcilierait enfin les deux grandes théories de la physique moderne : la relativité générale et la mécanique quantique. Car ce défi majeur trouve un terrain de jeu des plus stimulants avec le big bang : celui-ci est précisément un point de jointure où les deux théories incompatible devraient s'accorder. Car notre infiniment grand Univers, soumis aux lois de la relativité générale, s'est alors trouvé concentré dans un volume infiniment petit qui, lui, dépend de la physique quantique.

Pionnière de ces nouvelles physiques, la théorie des cordes propose ainsi foison de possibilités. Mais, avant de s'aventurer dans cette terre inconnue, il faut savoir qu'elle ne considère pas les constituants ultimes de la matière comme des particules ponctuelles, mais comme des petits filaments unidimentionnels. Définis par une taille minimale irréductible de 10-34m, ces "cordes" vibrent selon divers modes, reflétant les différentes particules élémentaires constituant les atomes et les forces. La puissance de cette théorie, c'est qu'elle allie la relativité générale à la physique quantique grâce à un corde "graviton" qui quantifie la gravitation, tout comme le photon quantifie le champ électromagnétique. Détail important : la théorie impose une conception de l'espace loin de nous être familière. Ici, il apparaît en effet composé de neuf dimensions spatiales, aux quelles s'ajoute la dimension temporelle. Dans ce cadre, notre Univers peut être considéré comme une sorte de membrane à trois dimensions (une "brane"), à l'interface avec les six autres dimensions qui, elles, nous restent inaccessibles.

"On peut imaginer qu'une brane et une antibrane se percutent et s'annihilent, fournissant ainsi l'énergie du big bang." : Thibault Damour, Professeur à l'IHES.

Si le cosmos préexistait, notre univers pourrait n'en être qu'un parmis d'autres.

 

 

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