Le rêve d’un univers sans fin
par David Kaiser

Le rêve d’un univers sans fin

Âge de l’univers observable, vitesse de fuite des galaxies… en vingt ans, la compréhension du cosmos a fait des pas de géant. Mais de profonds mystères demeurent.

Publié dans le magazine Books, novembre 2011. Par David Kaiser
Voici vingt ans, le journaliste scientifique Dennis Overbye publiait un livre merveilleux, Lonely Hearts of the Cosmos (« Cœurs solitaires du cosmos »), retraçant le développement de la cosmologie – l’étude scientifique de l’univers dans son ensemble – au cours de la seconde moitié du XXe siècle (1). Les chercheurs présentés par Overbye avaient deux bonnes raisons de se sentir seuls. D’abord, ils étaient parmi les derniers survivants de la génération d’astronomes ayant précédé l’ère de la collecte automatique des données et du travail en commun. Il leur fallait rester assis à longueur de nuit, abandonnés, sous une coupole non chauffée, l’œil rivé à un énorme télescope afin de capter la moindre lueur en provenance de galaxies lointaines. Ensuite, la cosmologie était à la limite de la respectabilité parmi les physiciens, comme une pièce rapportée condamnée à rester dans l’ombre de domaines beaucoup plus prestigieux, à commencer par la physique des hautes énergies avec ses énormes accélérateurs de particules et ses budgets colossaux. Overbye avait su décrire le combat acharné mené par les cosmologistes pour tenter de mesurer les traits élémentaires de notre univers. Le degré de fiabilité de leurs résultats n’était guère supérieur à un facteur de deux – autrement dit, chaque mesure comportait une marge d’incertitude d’à peu près 100 %. Deux galaxies s’éloignent-elles l’une de l’autre à telle ou telle vitesse, ou deux fois plus vite ? De la réponse dépendait l’âge probable de notre univers observable – autre grandeur cruciale qu’il n’était pas davantage possible de connaître avec une meilleure fiabilité. Rien d’étonnant si les cosmologistes ont dû souffrir si longtemps : ces énormes incertitudes sentaient l’amateurisme, comparées aux victoires d’autres branches de la physique. Sur les niveaux d’énergie d’un atome d’hydrogène, par exemple, la théorie et l’expérience s’étaient rejointes depuis longtemps, tombant d’accord jusqu’à la quatorzième décimale. Dans la mesure où il était déjà très difficile de déterminer le taux d’expansion de l’univers, les cosmologistes baissaient souvent les bras (ou discutaient sans fin) devant les questions subséquentes, comme de savoir si l’expansion s’accélère ou ralentit, la réponse devant elle-même révéler la quantité de matière de l’univers. Un univers très rempli, contenant beaucoup de matière et d’énergie par mètre cube, doit à la longue cesser son expansion et s’effondrer sur lui-même, un big crunch final répondant au big bang du début. Au contraire, un univers contenant moins de matière et d’énergie par unité de volume doit connaître une expansion indéfinie animée d’une vitesse croissante et peu à peu se diluer. À mi-chemin des deux hypothèses, les équations d’Einstein prédisent une issue façon Boucle d’Or (2) : il existe une quantité critique de matière par unité de volume pour laquelle le taux d’expansion diminue lentement, mais l’univers ne s’effondre jamais, il glisse doucement vers l’oubli. Le sort de l’univers dépend ainsi de son taux d’expansion et de la quantité de matière par unité de volume. Mais les savants étaient incapables de mesurer ces traits élémentaires avec la fiabilité requise.   Champagne Cela commença à changer, et vite, peu après la parution de Lonely Hearts. Nous autres cosmologistes nous sentons désormais beaucoup moins esseulés. La discipline est en plein essor, attire de nouveaux talents, dispose d’instruments fabuleux et produit pléthore d’idées excitantes. À l’automne 1992, mes jeunes condisciples en physique et moi avons fêté au champagne avec nos professeurs la première livraison de données du satellite Cosmic Background Explorer (COBE). De son perchoir au-dessus de l’atmosphère, il avait mesuré la première émission de lumière après le big bang : des photons qui courent librement dans l’espace-temps depuis le moment où électrons et protons ont commencé à s’unir pour former des atomes d’hydrogène neutres et stables, environ 380 000 ans après le début de l’univers (auparavant, la température ambiante était trop élevée pour permettre la formation d’hydrogène stable). En observant de subtiles variations dans la distribution de ces photons, les cosmologistes ont établi que la température des espaces infinis est de 2,725 degrés au-dessus du zéro absolu, avec une marge d’erreur de 1 pour 100 000. L’année suivante, des astronautes réparèrent le télescope Hubble, ouvrant la voie à de nouvelles recherches en astronomie, non entravées par l’atmosphère terrestre. Deux équipes indépendantes en ont profité pour étudier les supernovas, ces explosions cataclysmiques d’étoile capables d’occulter momentanément des galaxies entières. Annoncés pour la première fois en 1998, leurs résultats ont renversé la perspective des décennies précédentes en suggérant que notre univers ne se contente pas de grandir : il grandit de plus en plus vite. Mais comment concilier ces observations et la relativité d’Einstein ? Les cosmologistes ont été contraints de considérer que l’espace vide possède une énergie intrinsèque, baptisée « énergie noire » (« noire » pour souligner notre profonde ignorance de son origine), qui pousse à l’expansion de l’univers avec plus de puissance que la force gravitationnelle ne pousse la matière à s’agréger. Cinq ans après, d’autres données fournies sur les supernovas par un satellite dont les instruments atteignent une résolution trente fois supérieure à celle du COBE, le Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), confirmaient que près des trois quarts de l’énergie contenue dans l’univers sont de l’énergie noire (3). Le temps est loin où les quantités observables n’étaient connues que dans les limites d’un facteur de deux ou dix. Posez aujourd’hui les questions auxquelles les héros d’Overbye ont vainement tenté de répondre, et n’importe quel cosmologiste vous rétorquera avec la vitesse et l’assurance d’un enfant qui connaît ses tables de multiplication. Quelle est la vitesse de fuite des galaxies ? 70,4 km/s par mégaparsec (4), plus ou moins 1,8 %. Quel est l’âge de notre univers observable ? 13,75 milliards d’années, plus ou moins 0,8 %. Quelle est la quantité de matière et d’énergie contenue dans l’univers ? Si l’on inclut dans le calcul l’étrange et indésirable matière noire, le total pèse exactement la valeur critique résultant des équations d’Einstein, à 0,7 % près, ce qui signifie que l’univers doit continuer à se dilater indéfiniment. À l’heure actuelle, si les cosmologistes amplifient leurs marges d’erreur d’un facteur de 400 quand ils transposent certaines variables sous forme de graphiques, c’est uniquement pour rendre les incertitudes restantes visibles sur le papier.   Hypothèses grotesques Un livre récent de David Weintraub, How Old Is the Universe? (5), saisit parfaitement l’esprit de l’époque qui a succédé à celle des « cœurs solitaires ». Astronome à l’université Vanderbilt, Weintraub nous fait patiemment visiter ce nouveau paysage riche de données inédites. Là où Overbye se focalisait sur des personnalités hors du commun, lui met en avant deux protagonistes assez différents : les naines blanches, en particulier celles qui terminent leur brillante carrière par un certain type d’explosion de supernova (6) ; et le fond diffus cosmologique (CMB), appelé aussi rayonnement fossile, ce faible rayonnement résiduel de la première formation d’hydrogène stable dont le WMAP a mesuré les fluctuations, avec une précision extraordinaire. Comme le souligne Weintraub, c’est seulement au cours des dernières années que diverses lignes de recherche indépendantes – à l’aide d’instruments différents observant plusieurs types de processus physiques – ont convergé pour fournir un ensemble cohérent de réponses. Pour la première fois dans l’histoire de l’humanité, les chercheurs sont en mesure de dire l’âge du cosmos. Aujourd’hui, les astrophysiciens sont plutôt embarrassés par l’abondance de biens. Nous avons recueilli d’énormes ensembles de données et les experts en statistique peuvent s’en donner à cœur joie. La discipline ne s’est pas laissé envahir par les comptables pour autant. En fait, l’activité théorique des…
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