Cosmologie (1)

La cosmologie est la science qui étudie l'Univers dans son ensemble. L'observation du cosmos fournit tout un ensemble d'indices qui permettent de tenter de remonter le fil de l'histoire et de se rapprocher  des tout premiers instants de notre Univers. D'un point de vue humain, c'est probablement l'entreprise la plus complexe qui puisse être imaginée ; c'est aussi l'une des plus importantes puisqu'elle tente de fournir une explication à notre propre existence.

La cosmologie moderne a pris son essor lorsque Edwin Hubble a réalisé en 1924 que  ce qu'on appelait jusqu'alors "nébuleuses" étaient en fait des  galaxies, des "univers îles" extrêmement éloignés de notre propre monde. Cette découverte donnait du jour au lendemain une nouvelle dimension à l'Univers. La Terre devenait un grain de poussière dans l'immensité.

Peu de temps après, Hubble découvrit que ces galaxies s'éloignent de nous à une vitesse d'autant plus grande qu'elles sont situées à une grande distance. Cette observation étonnante démontrait que nous vivons dans un Univers en expansion, c'est-à-dire que tous les objets qui le composent s'éloignent les uns des autres, l'espace lui-même étant créé au cours de ce phénomène. La conséquence est que, si les objets de l'Univers s'éloignent les uns des autres, cela veut dire que dans un temps reculé, ils étaient bien plus proches et que si l'on remonte suffisamment loin on aboutit à un instant initial où toute la matière de l'univers visible étaient concentrée en un point, extrêmement dense et chaud. C'est cet instant initial que Fred Hoyle nomma Big Bang par dérision, car il n'y croyait pas.

Une autre avancée majeure en cosmologie fut la découverte du fond de rayonnement micro-ondes qui baigne l'ensemble de l'univers : Durant 380 000 ans, l'univers était composé d'une sorte de soupe de particules en interaction constante ; le rayonnement émis lors de ces interactions sous la forme de photons, était immédiatement réabsorbé. En langage simple, cela veut dire que l'Univers était totalement opaque, la lumière ne pouvant pas se propager. A un instant donné, l'Univers en expansion étant suffisamment refroidi, un évènement majeur s'est produit : le rayonnement (la lumière) a pu se propager librement (et la lumière fut !). Ce phénomène s'est produit en même temps et partout à la fois.

Chaque point de l'espace reçoit maintenant et en permanence un flux de photons émis à cet instant précis. C'est la plus vieille lumière de l'Univers, nous ne pouvons voir plus loin. Ce rayonnement  postulé par Ralph Alpher, Robert Hermann et George Gamow en 1940, fut détecté par hasard par Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson en 1964. Depuis, plusieurs campagnes d'observation se sont succédées pour l'étudier. Lancé en 1989, le satellite COBE a montré qu'il était d'une très grande homogénéité, tellement grande que cela démontrait que des zones maintenant très éloignées dans l'Univers avaient forcément  dues être en contact les unes avec les autres dans le passé. Cette observation a renforcé de manière éclatante la théorie dite de l'inflation qui prétend que très peu de temps après le Big Bang, l'Univers est entré dans une phase d'expansion fulgurante avant de ralentir. Des mesures plus poussées avec COBE puis plus tard avec WMAP ont montré que cette homogénéité n'était pas parfaite et qu'il y avait de minuscules fluctuations dans ce rayonnement fossile. Celles-ci sont très probablement l'empreinte des fluctuations primordiales d'avant l'inflation et qui ont donné par la suite naissance aux grandes structures que l'on observe dans l'Univers. Un Univers parfaitement symétrique et stable n'aurait jamais pu donner naissance  aux agrégats de matière qui ont par la suite évolués vers les galaxies, amas de galaxies, super amas etc...  Sans ces fluctuations primordiales, nous ne serions pas là.

L'étude initiée par WMAP de la distribution spatiale des fluctuations, et poursuivie actuellement par la mission PLANCK, nous livre des renseignements précieux et ultra-précis sur la composition et l'évolution de l'Univers. L'un des résultats le plus inattendu et confirmé simultanément par d'autres méthodes est que la matière ordinaire, celle dont nous sommes faits, ne représente que 4% de la densité d'énergie de l'Univers, 23% est constituée de matière dite noire car nous ne la percevons pas, et dont la nature est inconnue (même si on a des idées sur ce qu'elle pourrait être), les 73% restant est constituée d'une énergie dite noire qui agit comme une force répulsive sur la matière et qui tend actuellement à accélérer l'expansion de l'Univers.

Il y a 20 ans, on pensait sérieusement que l'expansion de l'Univers pourrait s'arrêter et que la gravitation reprendrait alors le dessus pour re-concentrer  l'Univers dans un Big Crunch qui serait ensuite suivi d'un nouveau Big Bang, et ainsi de suite. C'était une manière pratique d'introduire l'éternité et d'éviter le problème du commencement ! Actuellement, point de Big Crunch en perspective, on parle même parfois d'un Big Rip, c'est-à-dire d'une dislocation complète de l'Univers quand l'énergie noire aura complètement pris le dessus et que la matière sera portion négligeable. La nature de l'énergie noire est inconnue, on suppute qu'elle pourrait être liée à la structure même du vide et que plus l'espace se crée au cours de l'expansion plus l'énergie noire devient importante.

A suivre...

Carte des fluctuations des températures du fond cosmologique mesurées par WMAP (froid = bleu, chaud = rouge). - Crédit NASA.