Le « Big Bang », ta mère (Partie 2)

6 janvier 2015 , par Christophe Delattre

Si vous n’avez pas lu la première partie de cet article, c’est le moment de vous y rendre.

Deuxième étape : Un peu d’histoire, histoire de se détendre

Entre 1907 et 1915, Albert Einstein élabore sa théorie de la Relativité générale. A cette époque, tous les physiciens imaginent que l’univers (c’est à dire le contenu mais également le contenant) est, a été, et sera toujours le même. Bien sûr, des évènements y surviennent, des moelleux au chocolat sont concoctés et avalés, des étoiles naissent et meurent… mais, globalement, il se passe toujours les mêmes choses. Depuis toujours et pour toujours. Sans doute, était-ce aussi votre intuition avant que vous n’ayez entendu causer du Big Bang. On parle là d’un « univers stationnaire » ou « statique ».

D’un point de vue scientifique (j’exclue donc les religions et les mythes), on ne songeait guère alors à un « univers dynamique », c’est à dire un univers qui aurait été différent par le passé, et qui sera différent dans le futur. Bref, un univers possédant une histoire.
Bon, pour être précis, le second principe de la thermodynamique (et la notion d’entropie qui en découle) qui date du XIXe siècle et dont je ne vous causerai pas ici, impliquait une historicité du contenu (matière et énergie) mais en aucun cas du contenant (l’espace). Fermons la parenthèse.

Et c’est ici qu’un sérieux problème se pose à Albert Einstein. Ces équations décrivent fort bien ce qui se passe au niveau local (entre la Terre et le Soleil par exemple). Malheureusement, lorsqu’il tente de les appliquer à l’univers tout entier, celui-ci ne peut être qu’instable. En d’autres termes, l’espace, à l’échelle de l’univers, ne peut que se contracter ou se dilater. Il n’a aucune raison d’être pile poil à l’équilibre. Pour obliger l’univers à rester stable, Einstein va donc, en 1917, modifier ses équations en leur ajoutant une constante – qu’il nommera « constante cosmologique » – finement calculée pour parvenir au résultat attendu. Il n’a pas aimé faire cela… et il s’en mordra les doigts quelques années plus tard.

De grands mathématiciens, physiciens et astronomes vont, par la suite, intervenir dans l’histoire du Big Bang mais je vais simplifier… enfin, je vais tenter.

L’atome primitif

Dans les années 20, ce sont le Russe Alexandre Friedman puis le Belge Georges Lemaître qui, en étudiant certaines solutions de la Relativité générale, vont développer, indépendamment l’un de l’autre, une théorie de l’univers en expansion. Cela prendra du poids en 1929 lorsque l’Américain Hubble (l’astronome, pas le télescope) apportera une première preuve observationnelle avec le décalage vers le rouge du spectre lumineux des galaxies. Je ne m’étendrai pas là-dessus, on va faire simple : les galaxies lointaines s’éloignent de nous, et plus elles sont lointaines, plus elles s’éloignent vite. C’est l’expansion de l’univers. Et c’est là qu’Albert Einstein, comprenant que ses propres équations avaient raison contre lui, se mord grave les doigts. Il qualifiera d’ailleurs sa constante cosmologique de « plus grande bêtise de ma vie ». Il ne le savait pas mais bien après sa mort, sa constante sera ressuscitée pour une toute autre raison : l’énergie noire (on en reparlera dans la quatrième partie).

Pour autant, la « théorie de l’atome primitif », ainsi que la nomme Georges Lemaître, est loin de retenir tous les suffrages. Celle-ci implique en effet que la densité de matière dans l’univers va en décroissant au fil du temps. En d’autres termes, le contenant (l’espace) s’agrandit, mais le contenu (la matière, l’énergie), uniformément réparti dans cet espace (qu’il soit fini ou infini, on y reviendra aussi) reste le même. On peut donc aussi en déduire qu’en remontant vers le passé, cela devait chauffer un max. En effet, en observant le film à l’envers, on voit l’espace se rétrécir, et de ce fait, les galaxies se rapprocher les unes des autres. Au bout d’un moment, cela ne forme plus qu’une grande bouillabaisse de matière concentrée. Et ce n’est pas terminé. On continue de remonter le temps, et l’espace n’en finit pas de se contracter. La matière devient de plus en plus dense (et donc chaude)… jusqu’à finalement atteindre une densité infinie, une température infinie, et encore plein d’autres infinis. C’est la naissance de l’univers !

N’apportez pas tout de suite les dragées du bébé, parce que là, on a surtout de sérieux problèmes sur les bras. A ce stade de notre récit, la majorité des astrophysiciens demeurent réticents à l’idée que l’univers ait une histoire… et donc une naissance. En outre, ce scénario fait furieusement penser au Fiat lux de la Bible (oui, le « Que la lumière soit, et la lumière fut ! »). Le fait que Georges Lemaître soit un grand physicien mais également un chanoine catholique, l’Abbé Lemaître, ne fait que nourrir les suspicions. Pourtant, si la science n’a pas être contrainte par une quelconque croyance religieuse, elle n’a pas non plus à s’interdire une voie au seul motif qu’elle peut paraître également empruntée par un texte religieux ou le Guide Michelin. Mais bon, les hommes sont les hommes, et la première qualité d’un chercheur est de douter.

Plus prosaïquement, les problèmes sont plus sérieux que cela. Cette « naissance » s’accompagne en effet d’un tas de valeurs qui deviennent infinies, dont la densité que nous avons évoquée. Pour tout dire, le temps et l’espace n’ont même plus aucune signification. En physique, on appelle cela une singularité. En langage courant, on appelle cela un sacré bordel. Là, la Relativité générale s’effondre, et toute la physique avec. On peut s’en sortir en admettant que cet instant zéro n’est plus du ressort de la science… mais bon, ça gratte un peu. Plus épineux encore, plusieurs faits observationnels vont à l’encontre de ce scénario. C’est ainsi que l’on découvre que certaines étoiles sont plus âgées que l’âge supposé de l’univers. Là, ça commence à faire beaucoup.

De l’obscurité à la lumière

De fait, jusqu’en 1964, cette théorie verra sa côte chuter. L’un de ses plus grands détracteurs, le physicien britannique Fred Hoyle s’en moquera d’ailleurs lors d’une émission de la BBC, en 1950, en qualifiant cet instant zéro de… « Big Bang » (« Grand Boum » pour les puristes francophones). Une appellation qui allait connaître un succès que n’aurait jamais imaginé son auteur.

Les théories alors à la mode tentaient soit de réfuter les preuves de l’expansion en supposant une « fatigue » de la lumière expliquant son décalage vers le rouge (j’ai dit que je ne m’étendrai pas), soit d’admettre cette expansion mais en imaginant une création de matière continue permettant de conserver une densité constante, dans un univers infini, éternel, sans naissance et sans mort, c’est à dire un univers dynamique qui, dans les faits, redevenait stationnaire. Bref, beaucoup de suppositions sans grand fondement théorique ou expérimental… mais cela semblait tellement plus sérieux que ce monstrueux Big Bang… Du moins jusqu’en 1964.

Mais que s’est-il donc passé cette année là ?
Je suis né.

Mais que s’est-il donc passé d’autre (et de sûrement plus important) cette année là ?
Dans un trou perdu du New Jersey, deux hommes s’escrimaient à gratter les fientes de pigeons tapissant un grand tas de ferraille en forme de cornet géant.

Et c’est si important que ça ?
Un peu mon neveu. Le tas de ferraille en question était une antenne radio des laboratoires Bell servant à des communications satellite que les physiciens Arno Penzias et Robert Wilson – ce sont eux – souhaitaient transformer en outil de radio-astronomie. Or, depuis des mois, ils tentaient de calibrer leur instrument mais ne parvenaient pas à trouver l’origine d’un curieux signal parasite venant de toutes les directions. Ils cherchèrent en vain toutes les causes possible et – vous l’aurez compris – le nettoyage des fientes de pigeons constituait leur dernière tentative désespérée pour éliminer ce signal. Le signal demeura.

Petit retour en arrière… A la fin des années 40, aux Etats-Unis, des physiciens (Gamow, Alpher, Herman…) étudièrent plus précisément les conséquences que devait avoir le Big Bang. L’une de ces conséquences était que, dans sa prime jeunesse, du fait de sa densité, l’univers était opaque. Jusqu’au jour où, moins dense, il ne le fut plus, ce qui produisit un méga flash lumineux (un rayonnement gamma en fait) emplissant tout l’univers. Ces travaux furent repris et affinés par James Peebles qui, au début des années 60, incita un groupe d’expérimentateurs à construire une antenne pour tenter de capter ce rayonnement qui, aujourd’hui, en raison de l’expansion de l’univers, devait correspondre à un rayonnement micro-onde (oui, comme votre four, mais bon…).

L’un de ces physiciens expérimentateurs, Robert Dicke, reçut alors un coup de fil de nos deux comparses du New Jersey dont, par hasard, un ami d’un ami avait entendu parler de cette recherche de signal. Lorsque Robert Dicke raccrocha, il se retourna vers ses collaborateurs, et leur dit : « Les gars, je crois que l’on vient de se faire doubler ! »

Eh oui, Penzias et Wilson venaient fortuitement d’entendre le premier « areuh » de l’univers : ce signal parasite dont ils n’arrivaient pas à se débarrasser. Ils publièrent en 1965 (j’avais un an !), en parallèle avec Peebles, un article décrivant la chose… et ce fut une bombe. Non seulement, la théorie du Big Bang était seule à expliquer ce rayonnement (appelé « rayonnement fossile » ou « fond diffus cosmologique » ou « CMB » pour les intimes) mais, en outre, elle l’avait parfaitement prévue. Si ça, ce n’est pas le retour de la vengeance !?

Mieux encore : avec l’amélioration de la base théorique et la précision de plus en plus grandissante des instruments d’observation, d’autres prédictions du Big Bang (tel le rapport entre hydrogène et hélium dans l’univers) se voient confirmées, et les contradictions passées disparaissent : l’univers a vu son âge déterminé avec précision : 13,8 milliards d’années (dernière estimation datée de 2015 suite à la mission Planck), et il est effectivement plus âgé que les plus anciennes étoiles.

Pour tout dire, les preuves se sont tellement accumulées au fil du temps qu’il n’existe maintenant plus grand monde pour remettre en cause le Big Bang. La question n’est plus vraiment là. Elle est aujourd’hui de savoir de quel « Big Bang », on cause. Et là, il reste aux astrophysiciens beaucoup, mais alors beaucoup de pain sur la planche.

Etudions d’un peu plus près, ce Big Bang…