Enquête sur le BIG-BANG

ENQUETE SUR LE BIG-BANG.

riobravopar M André RIO

D’où venons nous ?

Que sommes nous ?

Ou allons nous ?

L’Univers a-t-il un commencement?

A ces questions on n’a pu répondre que par des mythes ou des hypothèses hasardeuses, jusqu’à une époque récente où des faits concrets ont enfin permis des approches de plus en plus précises. Considérée longtemps comme le centre du monde, entouré d’un décors vaporeux, la voûte céleste, la Terre est apparue progressivement comme un astre infime dans l’immensité des galaxies, dont l’âge ne se compte plus en milliers mais en milliards d’années et les dimensions en milliards d’années-lumière.
L’univers est-il immuable ou cyclique ;a-t-il été créé ;a-t-il une histoire ? L’astrophysique moderne peut apporter maintenant des réponses au moins partielles à ces questions, et celle que l’astronome Fred Hoyle avait appelée par dérision le Big-Bang semble actuellement la plus satisfaisante .On peut la présenter à la manière d’une enquête policière avec ses acteurs, les lois en vigueur, ses enquêteurs, les témoignages et les indices qu’ils ont pu recueillir.

Les acteurs.

L’univers renferme à la fois de la matière et du rayonnement .Malgré son extrême diversité, la matière tout entière est formée seulement d’une centaine d’atomes qui s’associent en molécules ou en cristaux selon une infinité de combinaisons les électrons, les protons et les neutrons ils n’interagissent presque pas avec la matière ordinaire et leur rôle est très effacé.
Tous les rayonnements :ondes radio ;infrarouge ;lumière visible ;ultraviolet rayons X et gamma, sont de même nature et ne diffèrent que par leur longueur d’onde .Matière et rayonnement interagissent constamment.

Les lois.

A la mécanique de Newton, l’attraction universelle, sont venues s’ajouter la Relativité et la physique quantique .La Relativité, qui concerne le temps, l’espace et l’énergie, nous apprend que, contrairement à celle des objets matériels, la vitesse de la lumière est indépendante de celles de la source et de l’observateur que la masse est une forme d’énergie (E = mC2) et que toute masse déforme l’espace dans son voisinage.
En physique quantique, électrons, protons, neutrons, se comportent tantôt comme des ondes, tantôt comme des particules .Il en résulte une indétermination sur leur position et leur vitesse .Les rayonnements se comportent aussi comme des particules quand ils interagissent avec la matière Les échanges d’énergie entre la matière et les rayonnements ne peuvent se faire que par quantités discontinues, les quanta .Les électrons retenus autour des noyaux des atomes ne peuvent occuper que des niveaux particuliers ;le saut de l’un à l’autre s’accompagne de l’émission ou de l’absorption de rayonnement.

La monnaie des interactions est l’énergie, qui ne peut être créée ni détruite et peut prendre de nombreuses formes différentes :énergie mécanique, électrique, chimique, chaleur, rayonnement…L’énergie totale d’un système isolé est donc constante .C’est le cas de l’univers tout entier si rien d’autre n’existe au delà.

Les méthodes d’investigation.

L’astronomie ne se limite plus à l’observation et aux images obtenues en lumière visible. Tous les rayonnements sont observés .Les ondes radio comme la lumière parviennent à la surface de la Terre et peuvent être détectés par les radiotélescopes, mais les autres rayonnements sont absorbés par l’atmosphère, et leurs détecteurs doivent être embarqués sur des satellites .L’infrarouge, l’ultraviolet, les rayons X et gamma ont considérablement enrichi les connaissances en apportant une foule de renseignements sur les évènements souvent cataclysmiques qui se produisent, ou plus exactement se sont produits dans l’univers :les rayonnements qui nous parviennent depuis leur source ont voyagé dans l’espace à la vitesse de la lumière sur des distances qui peuvent atteindre des milliards d’années-lumière .Les évènements que nous observons peuvent donc s’être produits il y a des milliards d’années.
Aux images obtenues par ces différents rayonnements s’ajoutent les données des méthodes spectroscopiques qui, analysant la répartition des différentes longueurs d’onde, apportent des informations sur la composition chimique des étoiles, des galaxies, des nuages de gaz et de poussières et des réactions qui s’y produisent.

Premier indice :L’expansion de l’univers.

Si tous les rayonnements se déplacent à la vitesse de la lumière, quelle que soit la vitesse de la source par rapport à l’observateur, la longueur d’onde observée est modifiée par cette vitesse relative :elle augmente quand la source s’éloigne(elle rougit);elle diminue quand la source se rapproche(elle bleuit).Etudiant le rayonnement des galaxies lointaines, Hubble constata en 1929 que la plupart s’éloignent les unes des autres, d’autant plus vite qu’elles sont plus lointaines. Contrairement à ce qu’on avait pensé jusque là, de Newton à Einstein, l’univers n’est pas stable .Tous les corps s’attirent mutuellement, mais s’ils ont reçu une impulsion suffisante au départ, ils s’éloignent indéfiniment .Dans le cas contraire, la période d’expansion doit être suivie d’une retombée.
A partir des données actuelles, on a calculé que l’expansion de l’univers a commencé il y a environ 15 milliards d’années .A ce moment il devait donc être beaucoup plus petit, très dense et très chaud. Le rythme actuel de l’expansion serait de 17 km par seconde et par année-lumière .Ces résultats ont ruiné l’hypothèse de Fred Hoyle qui supposait un univers de densité constante.

Deuxième indice :Le rayonnement fossile.

Gamow avait prévu dès 1948 que, si l’univers avait été très chaud au départ, il avait dû être opaque .En effet, à haute température, les noyaux des atomes ne peuvent retenir leurs électrons, et ceux-ci absorbent la lumière .Au dessous de 3000°,cet effet cesse, et la lumière peut s’échapper .L’univers s’étant dilaté et refroidi depuis, on devait retrouver ce rayonnement sous forme d’ondes radio à une température de l’ordre de 3°K(-270°C).
Ce rayonnement a été détecté en 1965 par Penzias et Wilson et beaucoup étudié depuis, en particulier grâce au satellite COBE qui a cartographié le ciel en ondes millimétriques correspondant à cette zone de températures Le rayonnement fossile présente aussi une légère dissymétrie due au déplacement de la Terre avec le système solaire par rapport à l’ensemble de l’univers, à la vitesse de 600 km par seconde.

Troisième indice :La stabilité des noyaux d’atomes.

L’univers est principalement constitué d’hydrogène(90%)et d’hélium .L’atome d’hydrogène est formé seulement d’un proton et d’un électron ;l’hélium de deux protons, deux neutrons et deux électrons .Grâce aux accélérateurs de particules, on a montré que les noyaux d’atomes peuvent être dissociés .A une température d’un milliard de degrés, la transformation de l’hydrogène en hélium est réversible .C’est ce qui se produit dans les étoiles et dans les bombes à hydrogène .On en a déduit que l’hélium actuellement présent s’était formé aux dépends de l’hydrogène pendant le temps très cours(quelques minutes aprés l’origine),où l’univers se trouvait à cette température .Pendant ces quelques minutes il a pu se former aussi du deutérium(hydrogène lourd comportant un proton et un neutron)et un peu de lithium, troisième élément de la classification de Mendeleïev .Les autres éléments n’ont pu apparaître que beaucoup plus tard par les réactions nucléaires dans les étoiles .Il s’y forme constamment de l’hélium, mais en quantité beaucoup plus faible qu’au cours de la synthèse primordiale .Les étoiles massives produisent aussi successivement du carbone, de l’oxygène et tous les autres élément jusqu’au fer .Les éléments plus lourds comme le plomb et l’uranium ne peuvent apparaître qu’au moment de l’explosion des étoiles massives, les supernovae .Les planètes solides comme la Terre sont constituées de ces sous-produits.

Quatrième indice :La stabilité des particules.

Les accélérateurs de particules, qui permettent de leur faire subir des chocs très violents, ont montré que les particules élémentaires elles mêmes, constituants fondamentaux de la matière, peuvent être détruites à des températures de l’ordre de 10 milliards de degrés .Cette température aurait été atteinte une seconde aprés l’explosion initiale .Elle aurait été précédée d’un instant où les quarks, constituants des protons et des neutrons, étaient encore à l’état libre ainsi que les électrons.
Ces quatre indices nous amènent donc progressivement de plus en plus près du Big-Bang.

Et avant?

Les théories actuelles supposent qu’il s’est passé bien des évènements au cours de la première seconde, en particulier une période dite d’inflation, excessivement brève et brutale, comme une seconde explosion .Pendant cette première seconde la température était si élevée qu’aucune particule ne pouvait subsister .L’énergie se trouvait exclusivement sous forme de rayonnement. Selon certaines estimations, au bout de 10-12seconde l’univers avait un diamètre égal à la distance de la Terre au Soleil(150 millions de km)et au bout de 10-34seconde, c’est à dire encore avant, la taille d’un pamplemousse.
Les investigations s’arrêtent quand les théories actuelles ne sont plus adaptées à ces conditions extrêmes .De plus la Relativité et la physique quantique sont difficilement compatibles et ne sont pas encore unifiées malgré les efforts des théoriciens Il existe en particulier des limites :temps de Planck(10-43 seconde)et température de Planck(1032°K) au delà desquelles on ne sait rien, pas plus que ce qui se passe à l’intérieur d’un trou noir ou ce qui aurait pu se passer avant le Big-Bang, si la question a seulement un sens.

Conclusions de l’enquête.

A la question “d’où venons nous ?”l’astrophysique apporte des réponses nécessairement incomplètes, mais que de progrès depuis Aristote et Newton !Ces réponses sont d’autant plus spéculatives qu’on remonte plus loin .Dans les conditions extrêmes de température, de densité, d’énergie, de durées extrêmement courtes on ne peut bâtir et vérifier des théories que dans la mesure où on peut les réaliser expérimentalement ou tout au moins les observer :l’univers est le laboratoire de l’astrophysique .Au delà, s’il est toujours possible de faire des hypothèses, il ne faut pas perdre de vue leur fragilité .Trouvera-t-on un jour une théorie ultime qui explique tout ?Rien n’est moins sûr et il faut se garder de vouloir tout expliquer tout de suite .Il est plus sage de s’estimer heureux d’avoir appris tant de choses en si peu d’années .La vie et son origine, qui pouvaient il y a un siècle paraître encore plus incompréhensibles ne posent plus aujourd’hui de questions aussi fondamentales .Si le problème n’est pas encore entièrement résolu, il est bien circonscrit .On sait assez bien maintenant comment la vie a pu apparaître et se développer.
Quant à l’avenir, il est imprévisible .On ne peut faire que des supputations statistiques qu’un accident toujours possible pourrait remettre en cause .L’évolution nous apprend que toutes les espèces vivantes, y compris la nôtre, subissent des mutations et finissent par disparaître. L’astrophysique prévoit que le système solaire subira un cataclysme dans cinq milliards d’années, mais on n’a pas encore tranché l’avenir de l’univers entier :expansion indéfinie ou contraction ultérieure .Toutes ces réponses valent ce que valent nos connaissances actuelles.

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