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Portrait de la cosmologie contemporaine / Mario Tessier -- 24 mars 1992


COSMOLOGIE : (du grec kosmos, univers, et logos, connaissance) l'étude des lois physiques régissant l'évolution de l'univers ; la science des origines du cosmos.

I - Historique de la cosmologie moderne

A - État des connaissances cosmologiques à la fin du siècle dernier

La théorie des origines est toujours dominée par la pensée newtonienne. L'univers est considéré comme infini et statique, le temps comme l'espace étant absolu et inchangeant. Le cosmos était pensé comme un ensemble stable d'étoiles et de gaz, sans commencement ni fin, que ce soit dans l'espace ou le temps.

B - Début du siècle : naissance de la cosmologie moderne

C - Les nouveaux modèles relativistes : décennie 1920

L'introduction des modèles relativistes provoque une floraison de nouvelles théories cosmologiques vers la fin de la décennie 1910 et durant la décennie 1920.

D - Nouvelles observations : décennies 1920 et 1930

La mise en service de toute une génération d'instruments innovateurs, plus puissants et diversifiés, permettent de réaliser des observations inédites. On assiste alors dans les années 1920 à une révision importante des théories cosmologiques.

E - Grandeur et misère d'une théorie : décennie 1950

Cette décennie verra d'abord le développement et l'acceptation de la théorie de l'univers stationnaire par un bon nombre d'astronomes. Si dans les années 1930, les esprits religieux se soient réjouis de voir naitre la théorie de l'atome primitif, qui apportait une confirmation scientifique à la création divine, les physiciens, quant à eux, se sont rebellés devant l'idée d'une singularité primordiale où toutes les lois physiques connues devenaient caduques. Du côté scientifique, les astronomes ont d'abord rejetés les modèles d'univers en expansion car les premières estimations de la constante de Hubble (H) étaient dix fois trop grande et indiquaient un âge de l'univers moins grand que celui de la Terre. Toutefois, avec la mise en service de télescopes plus puissants et une meilleure méthode de détermination des distances galactiques (grâce à des étoiles variables nommées céphéides), la constante de Hubble et l'âge de l'univers se sont rectifiées. Le modèle de l'univers stationnaire de Hoyle ne répondit plus alors aux observations.

L'ère du Big Bang : 1960-aujourd'hui

La découverte dans les années 1960 du rayonnement fossile porte un coup fatal au modèle de l'univers stationnaire. Au début des années 1970, la théorie du Big Bang est reconnue par la grande majorité des astronomes.

Selon la théorie actuelle, l'univers serait né, il y a 15 milliards d'années, de l'explosion titanesque d'un atome primordial, appelé aussi singularité. Ce Big Bang aurait créé à la fois l'espace ainsi que toute la matière et la radiation observables. Depuis ce temps, le cosmos continue à prendre de l'expansion, et la température ambiante (le rayonnement thermique de bruit de fond) s'est refroidie jusqu'à près du zéro absolu. La gravité y joue un rôle prépondérant dans l'évolution stellaire et galactique.

II - La théorie du Big Bang

A - Les preuves

Le théorie du Big Bang sur l'origine de l'univers repose sur trois observations astrophysiques majeures.

1 - La récession des galaxies

Edwin Hubble a découvert en 1929 que les raies spectrales des galaxies lointaines étaient toutes décalées vers le rouge. Ce décalage des spectres lumineux correspond à l'effet Doppler.

Ce principe repose sur le fait qu'un changement se produit dans les ondes lumineuses quand un objet se rapproche ou s'éloigne d'un observateur. Si un objet s'approche, la fréquence des ondes lumineuses est « comprimée » vers l'observateur et ces fréquences vireront au bleu. Au contraire, si un objet s'éloigne, la fréquence des ondes « s'étirera » et la lumière s'affaiblira, la couleur de l'objet tirera alors vers le rouge.

Le décalage des spectres lumineux indique donc que les galaxies s'éloignent de nous à des vitesses relativistes (certaines atteignant 80 % de la lumière !). Par conséquent, cette fuite des galaxies est une preuve que l'univers est en expansion.

2 - La rayonnement fossile

La découverte en 1965 du rayonnement micro-onde de bruit de fond (cosmic microwave backgound) confirme une des prédictions de la théorie du Big Bang. En effet, l'explosion cosmique originelle aurait dû laisser un rayonnement électromagnétique faible mais persistant à des longueurs d'onde très courte, une sorte d'écho du Big Bang. Cette émission résiduelle, évaluée à 2.7 degrés Kelvin (3 degrés de température au-dessus du zéro absolu), a bien été observée, et est présentement mesurée sur toute l'étendue du ciel par le satellite COBE.

3 - L'abondance des éléments légers

L'explosion originelle est responsable de la genèse des éléments atomiques légers existants aujourd'hui. Si le cosmos primordial était surtout composé d'hydrogène, il contenait également des traces significatives d'hélium, de deuthérium, et de lithium, lesquels ont été découverts spectroscopiquement dans les proportions prédites jusque dans des galaxies éloignées. Le deuthérium (un isotope d'hydrogène), en particulier, est fragile et se trouve détruit par les fournaises stellaires. Son existence indique donc une genèse pré-stellaire, sinon cosmologique.

B - Les problèmes

Un petit nombre d'astronomes ont choisi de rejeter le modèle du Big Bang. D'après eux, celui-ci devient de plus en plus alambiqué au fur et à mesure que des observations contradictoires le forcent à développer des hypothèses gratuites, basées sur des principes physiques invérifiables. Enumérons donc brièvement les problèmes que la théorie du Big Bang ne peut résoudre.

  1. Les structures galactiques à grande échelle : n'auraient pas pu s'agglomérer durant l'âge de l'univers prévu par le Big Bang (15 milliards d'années) si l'on tient compte de la vitesse actuelle des galaxies (60 à 100 milliards d'années).
  2. Le rayonnement thermique de bruit de fond : est beaucoup trop homogène. L'univers n'aurait pas dû avoir le temps d'atteindre cet équilibre thermique. De plus, on a découvert en 1987 une radiation excédentaire sur d'autres fréquences, que l'on ne peut expliquer que par la présence d'étoiles massives de première génération.
  3. L'abondance d'hélium : prédite par le Big Bang serait remise en question par cette présence d'étoiles massives. La solution apportée au problème de l'hélium provoque ainsi un autre problème...
  4. La matière sombre : constitue une hypothèse corollaire au Big Bang. Elle a perdu la faveur des astronomes depuis quelques années et son association avec le Big Bang fait perdre de la crédibilité à cette dernière.
  5. La singularité : a toujours constitué une énigme pour les physiciens, incapables d'imaginer les conditions (infinies) qui règnent dans cet état zéro de l'univers où toutes les lois connues de la physique cessent d'exister.

C - Le grand mystère des galaxies

Le noeud du problème repose sur la formation des galaxies. En effet, la théorie du Big Bang ne parvient pas à expliquer comment les galaxies ont pu se former au sein du bain homogène et isotropique (mot compliqué signifant « pareil partout ») de matière et de radiation qui devait exister peu après la naissance de l'univers. En somme, le Big Bang prédit un univers de particules atomiques, de même densité partout, alors que le cosmos démontre l'existence de grandes inhomogénéités (grumeaux), d'iles de matière perdus dans de vastes vides cosmiques !

III - La cosmologie des plasmas

A - Définition

La matière possèdent 4 états sous laquelle on la retrouve dans l'univers : sous forme solide, liquide, gazeuse, ou de plasma. Le plasma ressemble à un gaz sauf que les particules le composant sont chargées électriquement. Il est donc composé d'ions (noyaux atomiques chargés positivement à cause des protons) et d'électrons libres (chargés négativement). A cause de ses électrons libres, le plasma, comme le métal, constitue un excellent conducteur d'électricité. Par conséquent, il peut être accéléré selon les lignes de force de champs magnétiques.

B - Exemples de plasmas

  1. Les tubes à néon
  2. Les éclairs
  3. Les aurores boréales
  4. Les protubérances solaires
  5. Les étoiles (plasma maintenu en boule par la gravité)

99.999 % de la matière observable est composée de plasma.

C - Historique

L'observation sérieuse des plasmas cosmiques n'a commencée que dans les années 1960. En effet, les plasmas produisent surtout des radiations électromagnétiques de haute énergie comme les rayons X ou gammas. Or, ces rayonnements sont bloqués par la magnétosphère terrestre. Il fallut donc attendre l'ère spatiale avec ses sondes orbitales et ses télescopes spatiaux avant de pouvoir examiner le ciel sous ces longueurs d'onde.

Par ailleurs, les développements théoriques de ces observations ont du, en bonne partie, attendre l'avènement, dans les années 1980, des superordinateurs nécessaires pour effectuer les formidables calculs sous-jacents aux simulations des effets de plasmas.

D - Une théorie cosmologique

Alors que le modèle du Big Bang repose sur la gravité comme principe universel pour expliquer l'évolution de l'univers, la cosmologie des plasmas donne cette prépondérance aux lois de l'électromagnétisme. Puisque le cosmos est rempli de plasma (notamment le matériel interstellaire), et que ce plasma est influencé par les champs électromagnétiques puissants qu'il génère et auxquels il est soumis, l'évolution des étoiles et des galaxies s'expliquera donc en fonction de ses interactions.

Par exemple, les galaxies naitront de la rencontre de deux gigantesques filaments de plasma. Dans l'espace qui entourera ce noeud électromagnétique, le plasma présent se condensera pour produire des étoiles. Les diverses configurations que prennent ces filaments dans l'espace, pareils à des spaghettis, donneront une forme sphérique ou spirale aux gaz en condensation. C'est ainsi que l'on peut expliquer toute la gamme des galaxies et radio-galaxies que l'on retrouve dans le ciel. Elles constituent seulement des stades différents d'une même famille d'objets.

Les plasmas se forment presque toujours sous forme de nid d'abeilles ou de gigantesques cellules et filaments. Cette particularité expliquerait aisément les structures à grandes échelles que l'on observe dans les super-amas.

L'univers, dans ce modèle cosmologique, n'a ni commencement ni fin. Il n'y a pas d'expansion et l'évolution se poursuit éternellement.

E - Contre-arguments

Regardons brièvement comment la théorie des plasmas interprète les principales observations servant de support au Big Bang.

  1. La récession des galaxies : ne serait pas causé par l'expansion de l'univers et l'effet Doppler mais plutôt par un mécanisme de résonance des fréquences lumineuses (l'effet Wolf).
  2. La rayonnement thermique de bruit de fond : ne proviendrait pas du refroidissement des radiations émanant du Big Bang mais plutôt des plasmas eux-mêmes.

IV - Gravité ou électromagnétisme ?

Le Big Bang demeure encore aujourd'hui la théorie préférée par les astronomes. En effet, ce modèle possède plusieurs qualités indéniables : 1) il rencontre les observations astrophysiques de base, 2) il permet des prédictions susceptibles d'être vérifiées, 3) il explique globalement la structure du cosmos ainsi que son évolution et, finalement, 4) c'est un modèle élégant puisqu'il repose sur un principe de base unique !

Les contre-arguments qu'apportent la cosmologie des plasmas semblent par ailleurs faibles, et ne sont pas encore vérifiées par les observations (sinon expérimentalement). De plus, ce modèle 'explique d'aucune façon l'origine des éléments, ou même celle de la matière en général. Il est encore loin d'être un modèle, à proprement parler, cosmologique. Il ignore le problème des origines, de la nature de l'espace, tout en évacuant l'apport moderne de la relativité générale, basée sur la gravitation.

Toutefois, son hypothèse concernant la formation des galaxies et son importance dans la structuration à grande échelle parait extrêmement prometteuse. Les interactions de plasmas pourraient fort bien révéler une solution à l'épineux problème de la formation des galaxies, l'énigme principale de la cosmologie contemporaine.

Il est vrai, néanmoins, que depuis environ une dizaine d'années le Big Bang a dû endossé un nombre croissant de théories et d'hypothèses secondaires (la matière sombre, l'inflation de la phase initiale d'expansion, les textures, etc.) pour expliquer les contradictions que semblent apporter les nouvelles observations. Le Big Bang se trouve donc en ce moment en pleine revision. Il devra plier ou casser ! Notons cependant que le Big Bang vient juste de remporter une éclatante victoire puisque le satellite COBE a décélé, mi-avril 1992, une variation infinitésimale de température indiquant les premiers reliquats de matière.

Pourtant, bien que les tenants de la cosmologie des plasmas dénigrent le modèle du Big Bang, ce dernier est en vérité parfaitement compatible avec un univers plasmatique ! Le Big Bang est une théorie du contenant alors que le plasma est plutôt une théorie du « contenu ». Les deux modèles peuvent, à ce point-ci de nos connaissances, être vrais tous les deux et s'entraider mutuellement à résoudre leurs carences respectives.

Nous assistons en fait à la guerre entre les deux forces fondamentales de la physique moderne, la gravité et l'électromagnétisme, qui échappent encore toutes deux à la Théorie Unifiée. Cette théorie tant désirée, réunissant sous la même équation les quatre forces fondamentales de la nature (gravité, électricité, magnétisme et force faible), constitue le véritable graal de la physique contemporaine. Il est par conséquent possible que l'étude comparée du Big Bang et de la cosmologie des plasmas puissent aider les physiciens à mettre sur pied un modèle exhaustif.

V - Bibliographie


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