« Le big-bang est devenu une théorie scientifique ordinaire »

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« Le big-bang est devenu une théorie scientifique ordinaire »

Alain Blanchard, astrophysicien explique comment la cosmologie a accédé au rang
de science standard bien que le tout début de l’histoire de l’univers échappe
encore aux observations, expériences et théories physiques.
Par Sylvestre HUET
samedi 26 mars 2005
Alain Blanchard, astrophysicien, professeur à l’Université Paul Sabatier de
Toulouse, déploie son activité de recherche en cosmologie théorique et
observationnelle. Parmi ses objets de prédilection, les amas de galaxies, dont
l’histoire de la formation depuis le Big Bang lui semble constituer un test en
faveur - ou en défaveur selon son opinion - de l’existence d’une constante
cosmologique. Outre ses articles et livres techniques, Alain Blanchard est
l’auteur de deux ouvrages grand public : L’Univers (Flammarion, coll. Domino) ;
Histoire et géographie de l’Univers (Belin/CNRS éditions).

Au XXe siècle, les astrophysiciens découvrent que l’Univers est un objet
historique, rompant avec le trio des cosmogonies traditionnelles : l’éternité,
un cycle sans fin, ou une durée unique encadrée d’une origine et d’une fin des
temps religieux. Quel récit émerge de cette découverte ?
La cosmologie participe des préoccupations les plus anciennes de l’humanité.
Toutes les civilisations produisent des récits remontant le temps et décrivant
l’espace au-delà de l’expérience sensible. Pourtant, elle n’accède au statut de
science qu’au XXe siècle et ne devient une activité scientifique standard que
dans les années 1960. Son origine résulte d’une double révolution,
observationnelle et théorique, révélant un Univers ni statique ni éternel et
dont l’histoire peut se reconstituer. Nous sommes remontés jusqu’à l’époque où,
très chaud et très dense, il fabrique les particules élémentaires, puis les
atomes actuels. Toute l’histoire de l’Univers, depuis son premier milliardième
de seconde jusqu’aujourd’hui, 14 milliards d’années après, se déroule comme une
splendide tapisserie où, refroidissement et dilution aidant, apparaissent
successivement particules, atomes, gaz, étoiles, galaxies et grandes structures
regroupant ces dernières aux frontières de vastes vides. Une histoire chimique,
puisque les étoiles fabriquent à leur tour, puis dispersent dans l’Univers, lors
de leurs explosions (les supernovæ), les éléments lourds Ñ carbone, oxygène,
silicium, fer, uranium... Ñ nécessaires à la naissance des planètes et, au moins
sur l’une d’elles, de la vie.
Quelles parts respectives attribuer aux observations et aux théories, dont la
relativité générale d’Einstein, dans l’élaboration de ce récit ?
Le facteur le plus important réside dans leur concomitance. Une belle théorie
sans données ne vaut pas mieux qu’un bel ensemble d’observations sans cadre
explicatif. A l’origine de la cosmologie moderne, on trouve Albert Einstein qui
résout, en 1916-1917, l’une des impasses mathématiques de la théorie de Newton,
incapable de décrire un univers infini et uniforme. Einstein baptise sa solution
Relativité générale, mais, dans un premier temps, se conforme à la vision
dominante à l’époque d’un Univers statique. Il invente une constante, dite
cosmologique, pour obtenir un tel état, alors que ses équations conduisent à un
Univers en expansion. Pourtant, depuis plusieurs années, les astrophysiciens
observent le décalage vers le rouge de la lumière des nébuleuses. Puis Edwin
Hubble montre qu’il s’agit de galaxies semblables à la nôtre, la Voie lactée,
bouleversant et élargissant notre vision de l’Univers. En 1929, il découvre
qu’elles s’éloignent d’autant plus vite qu’elles sont loin de nous, cette fuite
expliquant le décalage vers le rouge par effet Doppler-Fizeau, un phénomène
physique parfaitement connu. Malgré ce mariage très réussi entre théorie et
observation, la notion de big-bang heurtait les rationalistes. Surtout que l’un
de ses artisans, l’abbé Lemaître, a très vite expliqué qu’il ne fallait pas
confondre le big-bang et le « fiat lux » de la Bible. « La réalité du monde est
bien en deçà de la vérité révélée », plaidait-il. Un argument précieux, rejetant
un possible conflit entre science et religion.
Après les années 1950, le big-bang se voit conforté. La physique nucléaire vient
d’élucider l’origine de l’énergie des étoiles. Les astrophysiciens mesurent la
composition chimique de l’Univers, trois quarts d’hydrogène, un quart d’hélium
et une pitchounette d’atomes plus lourds, négligeables pour le cosmologiste,
carbone, oxygène, fer, silicium... Mais d’où vient ce quart d’hélium ? Si, comme
les autres atomes, il provenait des étoiles, son abondance serait moindre.
Georges Gamow trouve la solution dans les années 1950. L’Univers tout entier,
dans sa phase dense et chaude, a produit cet hélium primordial... ainsi qu’un
rayonnement dont la trace fossile doit se trouver partout dans l’Univers. Avec
la découverte, par hasard, en 1964, de ce rayonnement fossile, le schéma
prédiction-vérification hisse la cosmologie au rang de « vraie » science, au sens
donné par le philosophe Karl Popper. Puis le big-bang devient un champ
d’application de l’ensemble de la physique - atomique, nucléaire, statistique -,
quittant définitivement la zone étroite d’un sous-domaine de la relativité
générale.
Quel est le statut actuel du big-bang : théorie stabilisée, paradigme, ou modèle
en perdition devant des données nouvelles ?
Si le big-bang se limite à un modèle d’Univers en expansion remontant jusqu’au
moment où la physique de laboratoire garde sa validité, alors il se présente
comme une des théories les mieux établies, une des constructions les plus
remarquables de la physique du siècle dernier. Simple de surcroît, elle peut
s’exposer à des étudiants en licence de physique. On observe même une sorte de
renversement de la charge de la preuve. Aujourd’hui, c’est l’astrophysicien
stellaire qui dénicherait une étoile plus vieille que l’Univers - 14 milliards
d’années, plus ou moins un milliard si l’on additionne toutes les incertitudes -
qui aurait du mal à convaincre de la validité de ses calculs ! En revanche,
d’autres problèmes surgissent et perturbent ce monument : le contenu en
masse/énergie de l’Univers et le tout début du big-bang. De l’Univers, nous
percevons surtout son expression lumineuse, ses étoiles. On peut y ajouter,
découverte récente des télescopes à rayons X (Chandra pour la Nasa et Newton
pour l’Esa, l’Agence spatiale européenne), dix fois plus de gaz chauds. A cette
matière ordinaire, les mouvements des étoiles et des galaxies exigent d’ajouter
une matière noire, dix fois plus massive, d’une nature inconnue, en tout cas pas
constituée d’atomes. Mais, pour la plupart des cosmologistes, cela ne constitue
que 20 à 30 % de l’Univers. Pour le reste, ils font appel à une énergie noire,
dominant la densité de l’Univers, dont les propriétés étranges restent à
découvrir. Curieusement, cet empilement de matières et d’énergies pour le moins
énigmatiques, jamais observées en laboratoire, fait presque consensus.
Le concept d’énergie noire est avancé pour expliquer des observations récentes
semblant montrer que l’expansion de l’Univers s’accélère depuis plusieurs
milliards d’années. Vous contestez cette approche ; pourquoi ?
Les partisans de cette énergie noire s’appuient sur les observations du
rayonnement fossile qui permettent de calculer la densité totale de l’Univers.
Si l’on retranche de ce total ce que l’on voit, puis la matière noire, il manque
encore 70 %. Qu’est-ce ? L’énergie du vide, la constante cosmologique d’Einstein
 ? La plupart des cosmologistes en font le pari. Surtout qu’elle confère au vide
sa propre dynamique gravitationnelle dont l’effet serait répulsif - le vide
repoussant le vide -, à l’inverse de la gravitation de la matière. D’où une
dilatation de plus en plus rapide de l’Univers. Or, cette accélération de
l’expansion de l’Univers a été établie, estiment-ils, par des observations de
supernovæ très lointaines. Je fais partie des quelques sceptiques. Ces supernovæ
lointaines, donc très anciennes, pourraient être moins lumineuses que celles de
notre coin d’Univers. Avant d’introduire un élément révolutionnaire, vérifions
bien l’interprétation des mesures. Mes collègues sont surtout convaincus par la
cohérence d’ensemble que permet l’énergie noire. Je préfère souligner qu’un test
indépendant, l’histoire des amas de galaxies, permet lui aussi de mesurer la
densité globale de matière dans l’Univers. Or des mesures récentes, par le
télescope Newton de l’Esa, montrent qu’il y a beaucoup moins d’amas de galaxies
dans l’Univers jeune, ce qui ne peut guère s’expliquer que par une densité de
matière beaucoup plus élevée que les 30 % admis communément, atteignant 100 %.
Du coup, plus besoin d’énergie noire. Est-ce la bonne piste pour sortir de
l’impasse ? Nous verrons.
Sur quels objectifs braquer les télescopes ?
Aucune expérience à elle seule n’apportera la réponse. Il faut de la haute
précision et plusieurs chemins différents pour élucider un mystère aussi
profond. Ma démarche personnelle s’oriente vers les amas de galaxies. Il vaut
mieux observer les supernovæ lointaines afin de lever les questions qu’elles
posent. D’autres se penchent sur les futures cartes du rayonnement fossile par
satellite. Certains comptent sur les physiciens pour dénicher de nouvelles
particules dans les accélérateurs. Mais la plupart des cosmologistes espèrent
surtout comprendre cette mystérieuse énergie noire. Nous sommes devant un objet
nouveau, qui pourrait dominer l’histoire de l’Univers, mais dont aucune
expérience de laboratoire ne semble en mesure de révéler la nature.
Le côté le plus sulfureux du big-bang, philosophique comme physique, provient de
son instant initial. Va-t-il rester longtemps dans les brumes ?
Le public doit bien saisir la profonde différence qui sépare l’étude de
l’Univers depuis quelques instants après le début du big-bang et celle de sa
phase initiale. La première s’appuie sur une démarche standard, des théories

  • la mécanique quantique et la relativité - validées mille fois en laboratoire ou
    confirmées par des observations astrophysiques nombreuses. A l’inverse, lorsque
    l’on s’intéresse à la phase initiale, la physique pertinente reste à construire,
    loin des énergies directement expérimentables en laboratoire. De ce point de
    vue, la grande avancée des vingt dernières années, c’est la théorie de
    l’inflation - en 1981, par Alan Guth -, qui prédit une vive accélération de
    l’expansion durant un bref instant, expliquant l’homogénéité de l’Univers et
    impliquant un espace géométriquement plat. Cette théorie prédisait des
    caractéristiques détaillées du rayonnement fossile, aujourd’hui bien vérifiées
    par une mesure précise qui a sonné le triomphe poperrien de cette théorie.
    En revanche, si l’on remonte encore le temps, jusqu’à l’Univers du temps de
    Planck - la minuscule fraction de seconde où les effets gravitationnels et
    quantiques ne peuvent plus être séparés -, il ne peut se décrire par les
    théories physiques connues. La notion de singularité initiale, souvent évoquée,
    signifie simplement que le calcul débouche sur une valeur infinie d’un paramètre
    physique. Lorsque le physicien tombe nez à nez avec un infini dans une équation,
    il n’a de cesse de le faire disparaître, comme un point aveugle de la théorie.
    Dans la réalité physique, il n’y a pas de place pour l’infini, pensons-nous.
    C’est plutôt une signature de l’incapacité de la théorie à décrire l’espace, la
    matière - mais aussi le temps, puisque aucun élément du trio n’a d’existence
    autonome, comme nous l’apprend la relativité -, dès lors que l’on s’approche
    trop près de l’origine.
    Depuis vingt ans, de nombreux théoriciens parmi les plus brillants tentent de
    sauter par-dessus cette singularité. De l’éliminer en supprimant la notion de
    particule ponctuelle au profit de cordes. D’imaginer, comme Stephen Hawking, un
    univers sans pré-big-bang, mais sans début non plus. Ou des procédés où les
    fluctuations du vide s’amplifient spontanément et font émerger l’Univers. De
    proposer, enfin, la création d’une multitude d’univers, différents, selon l’une
    des interprétations de la mécanique quantique. Tous ces efforts, malgré leurs
    qualités, restent spéculatifs, ne débouchent pas sur des prédictions réfutables
    en pratique à l’aide des outils disponibles. A cette impasse théorique s’ajoute
    l’impasse observationnelle. Les accélérateurs de particules susceptibles de
    reproduire les énergies de cet instant sont hors de portée des technologies
    actuelles et prévisibles. Quant à l’Univers lui-même, les traces fossiles de
    cette phase fugace, si elles existent, demeurent indiscernables. C’est pour le
    moins frustrant. Mais tout autant excitant. Car la sortie de l’impasse risque
    fort de déclencher un séisme scientifique et culturel du même ordre que
    l’ébranlement provoqué par Einstein il y a un siècle.
    http://www.liberation.fr/page.php?A...

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