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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.

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 nouve
au 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 cosmologistes professionnels produit ces temps-ci des résultats plus bizarres, voire absurdes, que jamais. Certes, « bizarres » et « absurdes » ne veulent pas dire « incorrects ». Depuis la Renaissance, la longue marche de cette science est jalonnée d’hypothèses en apparence toutes plus grotesques les unes que les autres, de Copernic, affirmant que la Terre tourne à toute allure autour du Soleil (nonobstant notre sensation d’immobilité), à Einstein, suggérant que l’espace et le temps possèdent l’instabilité d’un trampoline. La bizarrerie est dans l’œil de l’observateur. Cela étant, nombre d’hypothèses formulées aujourd’hui ont des relents de cirque. Si vous assistez à une conférence donnée par à peu près n’importe quel cosmologiste, vous ne tarderez pas à entendre des expressions comme « dimensions supplémentaires », « collisions de branes » (7), « équation variable d’état de la quintessence  » (8) et « multivers » – un conteneur de dimensions supposées infinies, régi par son propre ensemble de lois physiques, dans lequel la totalité de notre univers observable n’est qu’une bulle infime. L’imagination collective des cosmologistes se comporte comme un fluide incompressible : essayez de lui imposer une direction, il jaillira dans une autre. C’est ce genre de bond inventif que propose Roger Penrose dans son nouveau livre. L’âge exact de l’univers observable étant désormais établi, il suggère que le désordre qui a proliféré depuis le big bang n’est qu’une pichenette dans l’histoire longue (peut-être infinie) de l’univers réel. Au lieu d’admettre que le big bang a tout déclenché il y a 13,75 milliards d’années, Penrose propose un modèle ambitieux. Il l’intitule « cosmologie cyclique conforme », ou CCC. L’univers, selon lui, a déjà connu une foule d’instances préalables avant le big bang qui a créé notre époque, et il continuera sans doute indéfiniment à connaître des cycles similaires. Le mot-clé est « conforme », le troisième « C » de Penrose. Il se réfère aux techniques de projection cartographique, dont le modèle le plus connu est la représentation du globe terrestre de Mercator. Bien que la Terre soit à peu près sphérique, on peut représenter sa surface sur une carte plane à deux dimensions. Cartographe flamand du XVIe siècle, Mercator comprit qu’il pouvait étirer et déformer l’image des masses continentales du globe sur une projection plane afin de préserver les angles entre les routes de navigation à proximité des ports encombrés – information précieuse pour les navigateurs. Le dessin en résultant préservait les angles et la forme des petits objets en tout point de la carte, mais faussait l’échelle de l’ensemble. Sur la projection « conforme » de Mercator, l’Antarctique est une masse gigantesque, plus grande que l’Europe et l’Asie réunies, ensemble pourtant quatre fois plus vaste. Escher, le célèbre artiste néerlandais, s’est souvent servi de projections conformes pour ses lithographies (cette technique semble avoir un attrait particulier pour les natifs des Pays-Bas). Physiciens et mathématiciens utilisent depuis longtemps ce mode de projection pour simplifier des problèmes ou envisager des solutions étranges sous un nouvel angle. La technique s’est révélée éminemment efficace pour étudier la relativité générale d’Einstein, car elle aide à appréhender les courbures et la trame de l’espace-temps. Penrose a lui-même apporté une contribution majeure à la physique mathématique au cours des années 1960 en exploitant brillamment cette méthode. Les « diagrammes de Penrose » ont montré qu’un trou noir génère forcément une rupture de l’espace-temps, une « singularité ». Aucun chemin, pas même celui d’un rayon de lumière, ne peut franchir une limite finie quand il est confronté à une singularité. C’est l’équivalent cosmique du Where the Sidewalk Ends de Shel Silverstein (9).   Essaims de trous noirs Penrose applique à présent la méthode à l’univers tout entier. Il soutient que la fin d’une époque cosmique, ou éon, peut ressembler fort au début d’une autre – au point qu’ils sont peut-être cousus bout à bout, pour former un assemblage infini d’éons répétés. Dans les premiers temps d’un éon, l’univers est chaud et dense, tout comme l’était notre univers observable juste après le big bang. Quand la température est très supérieure à la masse des particules, celles-ci se comportent comme si elles n’avaient pratiquement aucune masse : elles tourbillonnent à une vitesse proche de la lumière, exactement comme des photons. C’est là une donnée cruciale, car le comportement de particules sans masse n’obéit à aucune échelle de référence propre – aucune unité de distance ou de temps, pas de mètre étalon ni d’horloge moléculaire pouvant servir à comparer avec d’autres mesures. Un espace-temps empli de particules sans masse ne disposerait d’aucune échelle permettant de mesurer la distance ou la durée. Il serait gouverné par la géométrie conforme : les formes et les angles auraient du sens, mais les distances globales n’en auraient pas. Chose remarquable, la fin d’un éon pourrait suivre le même schéma. La température ambiante baisserait (ce que nous constatons dans notre univers observable). Les particules massives comme les électrons, les protons, les atomes d’hydrogène et tout ce qui s’ensuit perdraient progressivement de leur énergie : elles ne tourbillonneraient plus aussi vite que les photons, dépourvus de masse. Ce régime finirait par produire des échelles de distance et de temps ; les symétries de la géométrie conforme disparaîtraient. L’univers se comporterait comme fait le nôtre au­jour­d’hui. Des poches de poussière s’agrégeraient et, alimentées par l’énergie de l’effondrement gravitationnel, mettraient à feu ces réacteurs nucléaires que nous appelons étoiles. Sous l’effet de la gravitation, des milliers, bientôt des millions d’étoiles se rapprocheraient les unes des autres pour former un tissu serré de galaxies, lesquelles formeraient à leur tour des amas et des superamas ; et tous les phénomènes cosmiques observables par les instruments les plus pointus s’épanouiraient, exactement comme ceux décrits dans le livre de Weintraub : les galaxies s’écarteraient les unes des autres, quelques naines blanches finiraient en supernovas. Voilà pour le comportement d’un univers après quelques dizaines de milliards d’années. Nous savons avec une quasi-certitude, grâce aux mesures de supernovas et aux données du WMAP, que l’univers observable ne s’effondrera pas sur lui-même et continuera à se dilater. Alors Penrose pousse le bouchon plus loin : à quoi ressemblerait notre univers après, disons, 10100 années, durée équivalant à son âge actuel élevé à la puissance dix ? Après tout ce temps, presque toute la matière existante sera probablement tombée dans des trous noirs. Des essaims de trous noirs se seront sans doute entre-dévorés, formant des trous noirs supermassifs. Mais même les trous noirs, apparemment, ne sont pas des conteneurs à toute épreuve. Stephen Hawking, le célèbre collègue de Penrose, a démontré il y a trente-cinq ans qu’ils doivent émettre, lentement mais sûrement, de l’énergie sous forme d’un très faible rayonnement. (Ce « rayonnement de Hawking » est compatible avec les singularités de Penrose évoquées plus haut. Une singularité elle-même n’émet rien : le rayonnement est généré juste à l’extérieur du trou noir, au-delà d’une frontière appelée « horizon des événements ».) Les trous noirs se comportent comme des compacteurs de déchets cosmiques : ils avalent des masses de détritus et recrachent on ne peut plus lentement de l’énergie dans le cosmos sous forme de photons sans masse. Le processus peut continuer inexorablement, jusqu’à ce que les trous noirs eux-mêmes s’évaporent. Il ne resterait plus qu’un univers presque vide, ne contenant pratiquement rien d’autre que des particules sans masse – un espace-temps gouverné à nouveau par la géométrie conforme.   Frétillements spatio-temporels Penrose trouve la similitude géométrique entre début et fin trop belle pour ne pas s’en servir. Avec son talent de sorcier des mathématiques, il démontre comment la surface d’un univers à la fin d’un éon peut être assimilée à celle du nouvel univers au début de l’éon suivant, et ainsi de suite à l’infini. Cela paraîtra sans doute bizarre à d’aucuns, mais l’audacieuse hypothèse de Penrose est assez conservatrice dans le contexte de la cosmologie contemporaine. D’abord, son modèle ne nécessite pas plus de quatre dimensions spatio-temporelles : une de temps et trois d’espace, les mêmes que la physique de Newton et celle d’Einstein. Inutile de recourir à six dimensions spatiales supplémentaires ou davantage, comme l’exige la théorie des supercordes (10) : des dimensions qui, à en croire ses adeptes, doivent se trouver quelque part à proximité, formant des angles droits avec la longueur, la largeur et la hauteur qui nous sont familières, mais restent pourtant invisibles, soit parce qu’elles se sont mystérieusement enroulées sur elles-mêmes et se sont ratatinées jusqu’à une taille submicroscopique, soit parce qu’un coup du hasard nous fait vivre dans une tranche d’espace en forme de saucisse (membrane ou « brane »), où la gravité agirait comme s’il n’y avait que trois dimensions spatiales. Le modèle de Penrose n’affiche aucune des bizarreries qui affectent la quête actuelle d’une théorie de la gravité quantique (11). D’ordinaire, les cosmologistes supposent que les régimes à très haute énergie et très haute température associés à un big bang provoquent des fluctuations quantiques jusque dans l’espace-temps. Non seulement ce dernier réagirait à la manière d’un trampoline instable, comme dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, mais chaque unité minuscule d’espace et de temps, soumise au principe d’incertitude d’Heisenberg (12), frétillerait dans un microbrouillard. Cela peut paraître excitant, mais personne n’a encore pu avancer une théorie de la gravité quantique capable de décrire ces frétillements spatio-temporels. Inutile de s’inquiéter, assure Penrose : dans son modèle, l’espace-temps à la frontière entre éons se comporte de manière parfaitement lisse et sage, et reste régi par des équations voisines de celles d’Einstein. Inutile de faire appel aux lois folles, floues et encore inconnues de la gravité quantique. Penrose consacre son dernier chapitre aux « implications observationnelles ». Comme la quasi-totalité de ses collègues, il concentre son regard sur le fond diffus cosmologique observé par le satellite WMAP. Il soutient que, si son modèle est exact, il devrait être possible de voir à travers les frontières séparant les éons. Des détails subtils de l’éon précédant le big bang qui a donné naissance au nôtre sont peut-être gravés dans le rayonnement fossile. Ces signaux apparaîtraient sous forme de cercles concentriques dans le ciel (encore un trait cyclique de son modèle). Par exemple, un trou noir massif aurait pu entrer en collisions répétées avec des objets comparables dans les derniers stades de l’éon antérieur. Chacune de ces rencontres aurait généré d’énormes décharges d’énergie, qui se seraient répandues en cercles hors de la zone de collision. Ces vagues auraient franchi la frontière de notre propre éon et formeraient des cercles concentriques de température anormalement uniforme, décelables parmi les faibles fluctuations du rayonnement fossile. Penrose a publié en novembre 2010 un article en collaboration avec le chercheur arménien Vahe Gurzadyan, où il annonce qu’une analyse minutieuse des données du WMAP montre bien les familles de cercles concentriques attendues. Début décembre, trois équipes distinctes ont refait l’analyse des données et n’ont rien trouvé de statistiquement significatif. Les cercles, certes bien présents, seraient aussi bien le fait du hasard, étant donné ce que nous comprenons de l’origine des fluctuations du rayonnement cosmique. Penrose et son collègue ont rapidement répondu, contestant certains des arguments statistiques. Le rythme de ces échanges – passablement hermétiques – entre critique et contre-critique s’est accéléré, pour atteindre un rythme horaire. Les cercles concentriques de Penrose vont-ils résister à l’examen des experts et introduire une révolution en cosmologie ou se perdre dans l’oubli, comme ces agroglyphes (13) dont raffolent les amateurs d’ovnis ? Quelle que soit l’issue, le zèle qu’il met à relier ses idées élégantes à des observations extrêmement pointues donne une idée très juste de l’esprit dans lequel les cosmologistes travaillent aujourd’hui. Maintenant qu’on dispose de tant de données de haute précision, on ne peut plus se contenter de discuter sur les seules bases de l’élégance mathématique ou de la qualité esthétique.   Cet article a été publié dans la London Review of Books le 17 février 2011. Il a été traduit par Dominique Goy-Blanquet.
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