Un Univers infini ?

Et si l’Univers était finalement… infini

Les Reid se demande si l’univers pourrait s’avérer infini après tout :

« Des scientifiques ont récemment réussi à capturer pour la première fois une image directe d’un trou noir. M87 est un trou noir supermassif à cinquante-cinq millions d’années-lumière, ce qui est plus grand que l’ensemble de notre système solaire. Il y a vingt ans, les trous noirs semblaient plus de la science-fiction que des faits scientifiques. Maintenant, nous avons de bonnes raisons de penser qu’il y a un trou noir au centre de chaque galaxie, y compris la nôtre, la Voie lactée. Donc, non seulement ils sont réels, mais ils sont monnaie courante ! Maintenant, la question est : les trous noirs vont-ils engloutir la cosmologie du Big Bang ?

Bien que son nom soit important dans la cosmologie, Edwin Hubble n’a pas inventé l’idée de l’univers en expansion. Le mérite de l’origine de cette idée appartient à un autre Américain, Vesto Slipher, qui a suggéré en 1912 que le décalage vers le rouge observé dans le spectre de la lumière des galaxies lointaines est causé par leur récession. Selon lui, la lumière des galaxies lointaines a été étirée dans l’extrémité rouge du spectre parce que sa source s’éloigne de nous. Il a comparé le décalage vers le rouge de la lumière à l’effet Doppler observé avec les ondes sonores, où une source sonore s’éloignant de l’auditeur (par exemple, une sirène de police) produit un son plus grave qu’elle ne le ferait si elle était immobile. Hubble a développé l’idée de Slipher en rassemblant et en analysant la lumière de nombreuses galaxies. Il a organisé ses résultats dans un graphique, publié en 1929, qui a révélé un modèle : plus une galaxie est éloignée, plus le décalage vers le rouge de sa lumière, et donc plus sa vitesse loin de nous est élevée. Cette relation entre la distance et la vitesse est connue sous le nom de loi de Hubble. Cependant, bien que le schéma général ait été confirmé dans toutes les observations, le rapport exact entre la distance et la vitesse, appelé constante de Hubble, s’est avéré très difficile à spécifier, et cet échec a conduit à une impasse dans la théorie cosmologique.

L’idée que les galaxies lointaines s’éloignent de nous a conduit à certaines conclusions en cosmologie. Premièrement, si toutes les galaxies reculent maintenant, nous pouvons théoriquement remonter le temps pour trouver un point de départ commun. Deuxièmement, si nous les observons s’éloigner de nous dans toutes les directions, alors ce point de départ commun doit avoir été là où nous en sommes maintenant. Cependant, la deuxième conclusion est inacceptable car elle traite la Terre comme un endroit très spécial - le centre de l’univers. Mais comment éviter cet élitisme ?

La réponse était de réinterpréter la récession non pas comme un mouvement physique dans un espace newtonien fixe, mais comme l’expansion de l’espace lui-même dans un cosmos einsteinien mutable. La différence est que le cosmos tel que Newton l’a compris est infini dans toutes les directions de l’espace : la dimension du temps est également infinie, à la fois dans le passé et dans le futur. Une fusée newtonienne lancée dans l’espace et maintenant une ligne droite voyagerait pour toujours. En revanche, le cosmos selon Einstein est fini et façonné par la matière qu’il contient. La matière courbe l’espace-temps, et l’expansion de la matière entraîne l’expansion de l’espace-temps avec elle. En raison de la courbure de l’espace-temps, une fusée einsteinienne lancée dans l’espace finirait par revenir à son point de départ.Hubble et ses collègues cosmologistes du Big Bang ont conclu que plutôt que les galaxies elles-mêmes s’éloignent de nous, les espaces entre les galaxies sont en expansion, et donc que l’univers lui-même est en expansion. L’expansion provoque un décalage vers le rouge car la lumière a une vitesse constante et donc la lumière que nous observons est étirée pour remplir l’espace accru. Parce que l’expansion se produit partout, le même décalage vers le rouge et la même récession apparente seraient observés, peu importe où dans l’univers les observations ont été faites. En d’autres termes, la planète Terre n’est pas plus au centre de l’univers que n’importe où ailleurs.

Retour à la Source

La théorie d’un univers en expansion implique que si nous remontons l’horloge, l’espace-temps lui-même se rétrécit à une source condensée. Tout émerge de cet œuf primordial : l’espace, le temps, la matière, l’énergie, la terre – dont notre univers actuel est le prolongement, toujours en expansion et en refroidissement.

La cosmologie du Big Bang est contre-intuitive pour certains car elle pose un point de départ pour le cosmos. Nous sommes habitués depuis longtemps à l’idée que les étoiles se forment à partir de gaz et de poussière en raison de la gravité, s’enflamment sous forme de réactions nucléaires et finissent par brûler, laissant du gaz et de la poussière qui seront recyclés dans d’autres étoiles. La même chose peut être vraie pour les galaxies, qui se forment également à partir de gaz et de poussière, puis tourbillonnent vers l’intérieur jusqu’à ce qu’elles finissent par exploser. De tels processus pourraient être sans fin et, contrairement à la cosmologie du Big Bang, ne nécessitent aucun point de départ. Ce point de vue était à la base des cosmologies de Steady State, telles que proposées par Fritz Zwicky, Fred Hoyle et d’autres, à partir des années 1930. Zwicky a contesté l’hypothèse selon laquelle le décalage vers le rouge est causé par la récession. Il a proposé que cela soit causé par la distance parcourue par la lumière ; sa théorie a donc été surnommée « lumière fatiguée ».Cela a expliqué avec succès pourquoi les galaxies les plus éloignées ont le plus grand décalage vers le rouge - la lumière d’elles a parcouru la plus grande distance. Cependant, Zwicky n’a pas pu arriver à un cadre mathématique satisfaisant pour sa théorie, il a donc perdu face au Big Bang malgré tout.

Edwin Hubble est décédé en 1953. L’astronomie a fait de grands progrès depuis lors – certains d’entre eux concernent même la Lune ! Des quasars et des pulsars ont été découverts. Des satellites ont été placés en orbite autour de la Terre, dont le télescope spatial Hubble ; et des engins d’exploration ont renvoyé des images détaillées d’autres planètes et de leurs lunes. Le vaisseau spatial Voyager, lancé dans les années 1970, est sorti du système solaire et voyage maintenant dans l’espace interstellaire. La cartographie des galaxies a révélé des structures à grande échelle impliquant un grand nombre de galaxies ; par exemple, la Grande Muraille, découverte en 1989.

Une découverte que les cosmologistes pensaient très importante a été faite en 1964. Il s’agissait d’un sifflement radio de faible niveau observé dans toutes les directions de l’univers : le rayonnement de fond cosmique à micro-ondes (CMBR). L’existence du CMBR avait été prédite par la cosmologie du Big Bang, et sa découverte a donc été considérée comme une confirmation de la théorie. On dit que c’est la rémanence de l’explosion cosmique initiale, lorsqu’un souffle de lumière a précédé l’éjection de la matière, d’où sa présence uniforme dans tout le cosmos.

Cependant, des doutes se sont glissés plus tard, découlant de cette même ubiquité. Ces doutes sont connus sous le nom de « problème d’horizon ». Le problème est qu’à mesure que l’univers s’étendait, des régions de l’espace diamétralement opposées dépassaient très vite le point auquel des informations pouvaient être échangées à la vitesse de la lumière, et étaient donc absolument coupées les unes des autres. Mais si les diverses régions du cosmos étaient si isolées, comment se fait-il que le rayonnement de fond soit identique dans toutes les directions ? Pour une analogie, pensez à la vie émergeant sur une autre planète complètement coupée de la Terre. Quelle est la probabilité que les formes de vie y soient identiques à celles trouvées sur Terre ? Pas du tout probable.

La solution actuellement acceptée au problème de l’horizon est de poser, avant que l’univers n’assume son taux d’expansion normal, une période « inflationniste » d’expansion très rapide suffisamment tôt après le Big Bang pour que toutes les parties de l’univers se trouvent dans l’horizon d’information nécessaire pour une version uniforme du CMBR. Si cette solution semble plutôt ad hoc, il existe une alternative, basée sur les découvertes du satellite COBE des années 1970, à savoir que le CMBR n’est pas uniforme après tout. Les résultats COBE ont été affinés en une carte montrant les variations du CMBR dans le ciel. Étonnamment, la nouvelle carte de « contour » est traitée comme une preuve en faveur de la cosmologie du Big Bang, tout comme l’était l’uniformité originale du CMBR. Il semble que la théorie du Big Bang ne peut pas perdre !

Mais un autre problème est apparu. Le décalage vers le rouge des galaxies lointaines semble maintenant montrer qu’elles ne se contentent pas de reculer mais qu’elles accélèrent loin de nous. La cosmologie du Big Bang étant autrement incapable d’expliquer cela, il est maintenant proposé qu’il existe une grande quantité d’« énergie noire » autrement indétectable, agissant comme une force répulsive pour séparer les galaxies. Alors que le Big Bang acquiert plus de cloches et de sifflets pour garder les maths corrects, peut-être qu’une refonte cosmologique pourrait être opportune.

Éclipsé par la matière noire

Un développement spectaculaire en astronomie a été la prise de conscience que ce qui ne peut pas être vu est bien plus abondant que ce que nous pouvons voir. Par exemple, nous ne pouvons généralement pas voir un trou noir car sa gravité est si forte qu’aucune lumière ne peut lui échapper (d’où son nom). Nous devons déduire sa présence de son effet sur les corps voisins, généralement des étoiles.

Pendant de nombreuses années, les trous noirs ont été considérés comme une simple possibilité fantaisiste. Mais des études ont depuis trouvé des preuves d’un trou noir au centre de chaque galaxie, y compris notre propre Voie lactée. On pensait également à l’origine que les trous noirs étaient dans un état fixe, mais les travaux théoriques de Stephen Hawking ont montré qu’ils laissent échapper des radiations et finissent par s’évaporer. Les plus gros trous noirs sont appelés « supermassifs » et ils sont vastes. M87, par exemple, fait quarante milliards de kilomètres de diamètre et donc plus grand que le système solaire. Sa masse est six milliards et demi de fois celle du Soleil.

Créativité du trou noir

Comme les trous noirs, l’existence de la matière noire a été proposée bien avant qu’elle ne soit acceptée. En 1933, Zwicky étudiait l’amas de galaxies de Coma. Il a estimé que la meilleure explication de ce qu’il a observé était qu’il y avait plus de « matière noire » (son terme) présente que de matière visible. Il entendait par cette matière qui ne révèle sa présence que par ses effets gravitationnels.

L’idée est restée en sommeil pendant quarante ans. Puis, en 1973, Jeremiah Ostriker et James Peebles ont découvert que leur simulation informatique de la formation des galaxies ne produirait la forme de bras en spirale commune aux galaxies que si elles incluaient une grande quantité de matière noire. De même, lorsque Vera Rubin et Kent Ford ont étudié les vitesses de rotation des galaxies, ils ont conclu que les rotations ne pouvaient pas être expliquées sans de grandes quantités de matière noire. Les astronomes pensent maintenant qu’il y a plus de matière noire dans l’univers que de matière « normale » (baryonique). Ce que c’est exactement, cependant, est encore un sujet de débat.

Les découvertes récentes concernant les trous noirs et la matière noire pourraient être considérées comme un changement des prémisses sur lesquelles l’argument de la cosmologie du Big Bang était basé : il y a beaucoup plus de matière dans l’univers qu’on ne le pensait auparavant, et cela signifie beaucoup plus de gravité, trop. Ces découvertes devraient changer notre conception du voyage que fait la lumière lorsqu’elle voyage d’une autre galaxie à la nôtre. Premièrement, la lumière est repoussée par la gravité de la galaxie d’où elle s’éloigne ; puis il voyage à travers des champs gravitationnels intermédiaires ; enfin, il est attiré vers l’intérieur par la gravité de la Voie lactée. Alors peut-être que c’est la gravité sous toutes ses formes qui provoque le décalage vers le rouge, pas la récession, auquel cas nous n’avons pas besoin de supposer que l’univers est en expansion. Peut-être que Slipher a sauté sur la mauvaise conclusion en 1912, et Hubble aurait dû regarder avant de lui sauter dessus.

Il est fascinant de penser que nous sommes peut-être au point de transition d’un paradigme scientifique à un autre. Tout comme la cosmologie ptolémaïque a cédé la place à la révolution copernicienne, la cosmologie du Big Bang est peut-être sur le point de céder la place à une cosmologie basée sur la gravité et la matière noire. Ce serait un bouleversement de même importance. La théorie du Big Bang nous a donné un univers avec un point de départ et une histoire singulière, alors que la nouvelle cosmologie pourrait impliquer un retour à l’infini - un cosmos sans début ni fin, recyclant éternellement la matière et l’énergie alors que les galaxies et les structures galactiques fusionnent, persistent, exploser, ou s’évaporer, et se disperser, pour fusionner à nouveau ailleurs.

Le Big Bang est une cosmologie standard depuis si longtemps qu’il a acquis l’apparence d’un fait établi. Mais la science continue d’avancer, découvrant de nouveaux faits et révisant ses théories à la lumière de ces découvertes. Comme le Titanic, qui était étiqueté « insubmersible », le Big Bang a peut-être heurté un iceberg noir supermassif. Nous attendons les développements ultérieurs avec intérêt.

Les Reid 2020