L'UNIVERS A UNE HISTOIRE
L'espace est peuplé d'étoiles semblables à notre Soleil. Les étoiles qui nous entourent sont groupées en galaxie, la notre, que nous appelons la Voie Lactée.Il existe des milliards de galaxie comme la notre dans l'univers. Ces galaxies se groupent en amas .Et ces amas s'assemblent en super-amas.
C'est grâce à la lumière que nous observons le monde. Dans certains cas, elle met des millions voire des milliards d'années à nous arriver, elle nous permettra donc de voir dans le passé.
Les galaxies s'éloignent les unes des autres, ce mouvement d'expansion se poursuit depuis environ quinze milliards d'années: c'est l'âge de l'univers. L'expansion débute par une fulgurante explosion dont on a détecté les vestiges de la lumière éblouissante qui l'accompagnait. On aimerait bien voir ce qu'il y avait "avant", mais il faudrait traverser le" mur du temps zéro" et des difficultés redoutables nous y attendent sur le plan de la physique et de la logique elle-même.
le monde des étoiles
Le soleil est une étoile semblable aux milliards de milliards d'étoiles que nos téléscopes nous révèlent. Si les autres étoiles apparaissent comme des points de faible luminosité, c'est que, vraiment, elles sont très loin. La lumière met une seconde pour aller de la Terre à la Lune, la Lune est donc à une seconde-lumière; le Soleil est à huit minutes-lumière et la plus proche étoile est à ...quatre années-lumière, Sirius est à huit années- lumière et les trois Rois Mages d'Orion sont à mille cinq cents années-lumière ! Le ciel est pratiquement vide: par rapport à leur taille, les étoiles sont très éloignées les une des autres; à la même échelle, votre plus proche voisin serait à cinquante milles kilomètres!
Quand on observe le ciel, les étoiles sont plus concentrées dans une large bande blanche: c'est la voie lactée. L'ensemble de ces étoiles, y compris notre Soleil, forme notre Galaxie. Elle renferme plus de deux cents milliards d'étoiles réparties dans un volume en forme de disque de cent mille années-lumière de diamètre..
Nous avons maintenant une nouvelle estimation de la masse de notre Galaxie: elle est dix fois plus massive que nous ne le pensions: la différence s'appelle la "masse manquante". Elle nous force à admettre qu'une fraction majeure de la matière universelle est encore en dehors du champ de notre connaissance.
Le monde des galaxies
Dans le ciel vu à l'oeil nu, il n'y a pas que des étoiles, il y a aussi des nébuleuses ou "taches lumineuses étendues". Certaines sont des masses gazeuses situées dans notre galaxie, mais la nébuleuse d'Andromède par exemple est en-dehors de notre galaxie: c'est aussi une galaxie semblable à la notre. Aujourd'hui, les téléscopes dénombrent les galaxies par milliards !! Les distances moyennes entre galaxies sont environ un million d' années-lumière.
Un univers hiérarchisé
D'atomes en molécules,d'étoiles en galaxies, d'amas en super-amas, notre univers est construit sur un mode hiérarchique. Cette hiérarchie s'étend de l'infiniment petit à l'infiniment grand.
Depuis Copernic, nous savons que notre Terre est une planète toute ordinaire et que notre glorieux Soleil est une banale étoile. On sait maintenant que notre galaxie est tout à fait classique. Un groupe d'étoiles forme une galaxie, un groupe de galaxies forme un amas de galaxies, un super-amas regroupe plusieurs milliers de galaxies dans un volume dont les dimensions se mesurent en dizaines de millions d'années-lumière. Et après? Y a-t-il des super-super-amas? Il semble bien que non. Jusqu'aux limites de l'univers observable, à une quinzaine de milliards d'années-lumière, les super-amas se succèdent inlassablement.
Pourquoi les galaxies se sont-elles disposées de cette façon? Celà est lié à l'origine des galaxies; une des plus mystérieuses questions de notre époque.
Regarder loin c'est regarder tôt
Nous savons aujourd'hui que la lumière se propage à la vitesse de 300 000 km/s, par rapport aux dimensions dont nous parlons, cette vitesse est plutôt faible ! Les informations qu'elle nous apporte ne sont plus fraîches du tout ! En regardant loin, on regarde donc "tôt". La galaxie d'Andromède nous apparait telle qu'elle était il y a deux millions d'années, au moment où les premiers hommes apparaissaient sur Terre...A l'inverse, d'hypothétiques habitants d'Andromède, munis de puissants téléscopes, pourraient voir, en ce moment, l'éveil de l'humanité sur notre planète.
Les objets les plus lointains visibles au téléscope sont les quasars. On les appelle ainsi car leur image au téléscope ressemble à des étoiles proches (quasi-stellaire). Certains quasars sont situés à douze milliards d'années-lumière, la lumière qui nous en arrive nous informe donc sur la jeunesse de l'univers.
Tout autour, notre regard plonge vers le passé.
L'univers crée son propre espace
Grâce à l'effet Doppler, on peut savoir si les objets célestes s'approchent où s'éloignent de nous. Les premières mesures de vitesse de galaxies ont été réalisées vers 1920. En 1929, Edwin Hubble montrait que presque toutes les galaxies s'éloignent de nous et, fait capital, qu'elles fuient d'autant plus vite qu'elles sont plus loin !
En s'appuyant sur la théorie de la relativité générale d'Einstein, des chercheurs ont developpé la théorie de l'expansion universelle ou, en anglais, le Big Bang. Depuis, d'autres observations ont été faites qui sont devenues autant de preuves en sa faveur.
L'univers est-il infini?
Il n'est pas facile de se représenter par l'imagination l'expansion de l'univers, mais nous avons tous les outils mathématiques nécessaires à l'étude d'un fluide infini.
Avec des téléscopes toujours plus puissants, on pourrait voir des objets s'éloignant à 99% de la vitesse de la lumière; or, un rayon lumineux émis par une source s'éloigant aussi rapidement perd presque toute son énergie et donc, au-delà d'une certaine distance, on ne "voit" plus. Il existe un "horizon universel", on le situe à environ quinze milliards d'années-lumière.. Mais de l'univers, on ne peut pas dire qu'il "occupe" l'espace et qu'il "s'insère" dans le temps car il engendre lui-même l'espace et le temps
L'âge de l'univers
Il y a trois méthodes pour mesurer l'âge de l'univers.
- En remontant dans le temps l'expansion universelle des galaxies, on arrive à un moment où leurs matières se superposaient. Cet "instant zéro" qu'on peut appeler le "début de l'univers" se situe entre quinze et vingt milliards d'années dans le passé.
- La vie des étoiles dure aussi longtemps que durent leurs réserves de "carburant" nucléaire. On observe que les étoiles naissent en groupe et forment des amas. Dans notre Galaxie, les plus vieux amas ont entre quatorze et seize milliards d'années.
- Les atomes radioactifs ne sont pas stables, on en connait plus d'un millier, en particulier les deux isotopes de l'uranium: l'uranium 235 et l'uranium 238. L'abondance relative de ces deux isotopes peut servir d'horloge et on trouve que les plus vieux atomes radioactifs ont entre dix et dix-sept milliards d'années. Les trois méthodes donnent des résultats qui concordent d'une façon assez impressionnante.
Une lueur fossile
Les astronomes américains Penzias et Wilson ont découvert l'existence d'un rayonnement nouveau qui occupe tout l'espace de l'univers. Cette découverte avait été prévue trente années auparavant par un astrophysicien génial nommé George Gamov. Avec Friedman et Lemaître, Gamov a été un théoricien de la découverte du big bang.
Si l'on remonte le cours du temps dans le cadre de l'expansion, alors les galaxies se rapprochent les une des autres, la densité de l'univers augmente et la température aussi ainsi que l'énergie du rayonnement lumineux. Au début, l'univers est donc dominé par la lumière. "Cette lumière originelle existe toujours, mais son énergie est maintenant très faible" avait prédit Gamov, comme le bruit d'une explosion qui diminue avec le temps. Et c'est avec un radiotélescope très sensible que ce rayonnement a été observé en 1965.
Le passage de l'opacité à la transparence
Pendant le premier million d'années, l'univers était opaque: la lumière émise fut tout de suite réabsorbée et n'a eu aucune chance de parvenir jusqu'à nous. Cette opacité nous enlève tout espoir de "voir" l'origine de l'univers. Le rayonnement fossile fut émis juste au moment de passage de l'opacité à la transparence lorsque les électrons furent captés par des nucléons pour former les premiers atomes.
Les cendres de l'explosion initiale
Les atomes d'hélium de nos ballons gonflables, ainsi que les atomes de deutérium (un atome isotope de l'hydrogène), sont les plus vieux atomes du monde; ce sont les cendres du grand brasier originel. Ils témoignent, pour nous, des températures de milliards de degrés qui régnaient aux premières secondes de l'univers.
Deux filons à exploiter: la population de photons et l'absence d'antimatière
Il y a dans le cosmos un milliard de photons lumineux pour chaque atome. Pourquoi ce nombre? Personne ne le sait. Il y a deux variétés de matière : la matière dite "ordinaire" (dont nous sommes formés) et l'antimatière; lorsqu'elles se rencontrent, elles s'annihilent entièrement et se transforment en lumière. Aux premières secondes de l'univers, matière et antimatière coexistent. Continuellement, elles s'annihilent en lumière et renaissent de la lumière. Au cours du refroidissement ultérieur, tout disparait, sauf un résidu minime qui provient de l'infime supériorité de la matière: il y a une particule de matière de plus par milliard de particules. Quelle est l'origine de cette différence à laquelle nous devons d'exister?? Encore aucune réponse satisfaisante...
Et qu'il y avait-il avant?
L'observation du rayonnement fossile nous a permis de remonter jusqu'à un million d'années du début, la mesure d'abondance de l'hélium jusqu'à quelques secondes de l'origine, à des températures de plusieurs milliards de degrés, et la population de photons et l'absence d'antimatière beaucoup plus tôt encore; peut-on remonter encore plus près de l'origine? Le problème est que la chaleur détruit l'information et la question "Qu'est-ce qu'il y avait avant?" n'a probablement pas de sens, il n'y aurait aucun moyen de s'y aventurer.
La mesure du temps
Il est de tradition de diviser le temps en tranches égales. Ce n'est pas la seule façon de mesurer le temps: on pourrait aussi compter "un" chaque fois que la distance entre deux galaxies est multipliée par deux; il s'agit alors d'une échelle logarithmique. Le temps "zéro" serait alors le moment présent et le passé se verrait assigner des temps négatifs. Nous verrions les plus lointains quasars au temps "moins quatre" (il y a douze milliards d'années dans l'échelle traditionnelle). A mesure qu'on recule dans le passé, on s'en irait vers "moins l'infini", qu'on n'atteindrait jamais, et on ne serait pas tenté de se demander ce qu'il y avait "avant"...
Aux limites du langage et de la logique
"On ne peut pas imaginer un commencement à partir de rien!" Ces difficultés philosophiques disparaisent d'elles-mêmes si on reconnait que le seul vrai "problème", c'est celui de l'existence même de l'univers: pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ?...
Il y a quelque chose, il y a la réalité ! C'est par notre conscience que nous percevons l'existence de " quelque chose plutôt que rien". Or, cette conscience n'est pas en dehors de l'univers, elle en fait partie...discussion passionnante!
L'avenir de l'univers
Combien de temps encore va durer l'expansion? Il y a une force qui s'oppose à l'expansion: c'est la gravité. La matière attire la matière. La gravité représente l'attraction de tout l'univers sur n'importe qu'elle galaxie. Si cette attraction est assez puissante, les galaxies cesseront un jour de s'éloigner (univers fermé); elles reviendront alors les unes vers les autres dans un vaste mouvement de contraction universelle. Si, par contre, l'attraction n'est pas assez puissante, l'expansion se poursuivra indéfiniment (univers ouvert).Pour connaitre la réponse, il faut évaluer la gravité de l'univers c'est-à-dire sa densité de matière. En faisant une moyenne, on trouve environ un atome par mètre cube. Pour arrêter et renverser le mouvement d'expansion, il faudrait que la densité soit supérieure à dix atomes par mètre cube. Notre univers serait donc ouvert.
Par ailleurs, le problème de la matière manquante et un certain nombre de considérations théoriques militent en faveur d'un univers dont la densité serait très précisément égale à la densité critique. Affaire à suivre...
L'ultime désagrégation
On a des raisons de croire que les atomes vont un jour se désintégrer. Les atomes sont constitués de nucléons eux-mêmes constitués de quarks. Or ces quarks ne seraient pas stables, ils se transformeraient en rayonnement. On leur prévoit une demi-vie de cent mille milliards de milliards de milliards d'années ....!
4. Pourquoi la nuit est-elle noire?
Les étoiles émettent de la lumière. Cette énergie se répand dans l'espace comme l'eau dans une baignoire; pourquoi la baignoire ne déborde-t-elle pas? Simplement parce que l'espace, la baignoire, est de plus en plus vaste.
Avant l'émission de la lumière fossile, le ciel initial est éblouissant; c'est l'expansion de l'univers qui nous a fait passer du ciel brillant à la nuit actuelle. Il est remarquable de constater la simplicité et la puissance d'explication de la théorie du big bang. Mais comment cette simplicité permettra d'expliquer la complexité de l'univers? Où se situait cette complexité aux premières minutes de l'univers?
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