À quoi ressemble l'Univers ?

['Bruno]

De temps en temps, des participants s'interrogent sur les théories de l'Univers (big bang et tout ça), mais ont une idée fausse des théories scientifiques. C'est le cas notamment de ceux qui ne "croient pas" en le big bang. Le texte qui suit est destiné à essayer d'expliquer ce que je crois avoir compris de la théorie, en espérant que ça colle à peu près à nos connaissances scientifiques, et dans le but de servir de rappel à ceux qui voudraient comprendre l'Univers. Oui, c'est prétentieux, mais je crois que c'est utile et il faut bien que quelqu'un s'y colle. Et comme les scientifiques n'ont pas le temps (il faut croire)...

 

Dans cette présentation, il y a deux parties. La conclusion de la première partie est sûre à 100 %. Par contre, la seconde partie est moins sûre, parce qu'il est possible que j'ai mal compris ce dont je parle. Ça me paraît quand même tenir debout, mais je vous laisse juger et on peut en débattre, on est là pour ça.

 

Important : je cherche à décrire la théorie actuelle de l'Univers. Je ne cherche pas à décrire l'Univers.

 

Première partie : le Big Bang.

 

Il fait froid. Il fait noir. Il n'y a pas un bruit. Pas une lumière. Rien. Le vide.

 

Et puis soudain, dans un flash aveuglant et extrêmement bref, une explosion gigantesque, colossale, armageddonesque, illumine le ciel. C'est là, juste à côté, qu'a lieu l'évènement le plus important de tous : le Big Bang. Une explosion créatrice de matière. Le Grand Boum ! L'énergie libérée est inimaginable. Elle est si forte que des milliards d'années après, la matière surgie du néant et éjectée dans toutes les directions par l'effroyable explosion, eh bien cette matière continue de s'éloigner inexorablement vers les confins de l'espace. Si forte que, peut-être, rien ne peut arrêter les débris de l'explosion. Et ces débris, ces particules de matière créées par l'explosion, c'est nous : des atomes, des molécules, puis des planètes, des étoiles, des galaxies.

 

C'est cette fantastique explosion qui explique que toutes les galaxies s'éloignent aujourd'hui progressivement les unes des autres. Entraînées en ligne droite vers les confins de l'espace (dont on ne sait s'il est infini ou non), les galaxies continuent à avancer à des vitesses vertigineuses. Peu à peu, tout en s'éloignant de l'endroit où a eu lieu l'explosion, l'ensemble de ces galaxies s'étend et forme un Univers en expansion. L'éloignement progressif des galaxies a été mesuré grâce à la spectroscopie : lorsqu'une galaxie s'éloigne de nous, ses raies sont décalées vers le rouge. Eh bien toutes les galaxies ont leur raies spectrales décalées vers le rouge, et d'autant plus qu'elles sont éloignées. C'est la confirmation que l'Univers est en expansion, ou plus précisemment que l'ensemble des galaxies forment une masse en expansion.

 

Il se trouve que la lumière ne se propage pas instantanément. Elle se parcourt "que" 300.000 km chaque seconde. C'est une chance, car lorsqu'on observe une galaxie lointaine, on l'observe telle qu'elle était dans le passé. Grâce à cette propriété de la lumière, on peut même observer des objets qui étaient très jeunes. Si l'on pointe un radiotélescope vers un point précis du ciel (situé du côté de la constellation du Centaure, je crois), on peut même observer la lueur primordiale du Big Bang, ce qu'on appelle le rayonnement de fond cosmologique. Il s'agit du résidu d'énergie causé par l'explosion. Cet objet n'est âgé que de 300.000 ans. L'énergie colossale libérée lors du Big Bang a provoqué une température monstrueuse. La lumière issue de cette zone chauffée à blanc (et même plus que ça, bien plus) nous parvient fortement décalée vers le rouge, elle est en quelque sorte refroidie. Mais elle fait encore 2,7K. C'est exactement ce qu'a prévu la théorie.

 

Mais qu'est-ce qui a provoqué cette explosion ? D'où vient l'énorme énergie qui a "poussé" la matière au point que, des milliards d'années après, elle continue à être expansion ? D'ailleurs, à quelle vitesse a lieu cette expansion ? Où s'est produit exactement le Big Bang ? Et qu'y avait-il avant cette explosion ? Est-ce l'oeuvre de Dieu ? Par ailleurs, l'expansion va-t-elle durer ou bien est-ce que la matière va reprendre le chemin inverse ? Et qu'y a-t-il au delà de l'Univers, devant nous en quelque sorte ? Peut-être y a-t-il eu d'autres Big Bang ailleurs, plus loin, trop loin pour qu'on puisse encore apercevoir ces autres Univers ? Que se passerait-ils si nous croisions ces autres Univers (à force de s'étendre, on finira bien par les rejoindre) ?

 

Toutes ces questions sont souvent posées par les amateurs d'astronomie, et je les lis souvent sur les forums. Ce sont des questions naturelles. Après tout, cette histoire de Big Bang paraît tellement bizarre. Une explosion fulgurante, de la matière qui est éjectée partout et qui forme l'Univers... Certaines personnes trouvent ça absurde, d'autres y voient une confirmation de l'existence de Dieu, il y a aussi les sceptiques, et puis ceux qui ont confiance dans la science et se disent que, sans doute, c'est ainsi qu'est né l'Univers.

 

En fait, il y a un problème.

 

Ce que j'ai décrit plus haut, c'est n'importe quoi. C'est bidon. Un délire. Du pipeau. C'est aussi abracadabrant que le mythe de la Terre plate portée sur les épaules du géant Atlas. Et pourtant, beaucoup de personnes croient que c'est ainsi que les scientifiques décrivent l'Univers. Comme c'est très important, je le répète : la descriptions ci-dessus est du grand n'importe quoi, c'est drôle, c'est fascinant, c'est beau, peut-être... comme les mythes de nos ancêtres. Mais ce n'est pas ainsi que les scientifiques décrivent l'Univers. L'Univers n'a pas été engendré par une explosion fulgurante. Non, l'Univers n'a pas été engendré par une explosion fulgurante. Pour les scientifiques, l'Univers n'a pas été engendré par une explosion fulgurante.

 

Mais la théorie du big bang est tellement compliquée que si on la vulgarise mal, ou si on comprend mal une bonne vulgarisation, on risque de comprendre la théorie de travers et croire qu'elle parle d'une explosion primordiale. D'où une floppée de questions (voir plus haut) qui, en fait, n'ont pas lieu d'être. Par exemple, la question "où a eu lieu le Big Bang ?" suppose que le Big Bang est une explosion ayant eu lieu quelque part. N'importe quoi. Du coup, la quesiton n'a plus tellement de sens (mais j'en parlerai quand même).

 

Notez bien : j'ai parlé de la théorie du big bang, pas du Big Bang. Le Big Bang (nom propre) est un évènement mythique construit par ceux qui n'ont pas compris la théorie (et ceux qui l'ont mal expliquée, surtout). Le big bang (nom commun) est le nom d'une théorie de l'Univers. Ce nom est trompeur car dans cette théorie il n'y a pas de Big Bang. En fait, le nom a été affublé à la théorie par ses premiers détracteurs, pour la ridiculiser. Mais les cosmologistes de l'époque avaient de l'humour et l'ont gardé. Le nom est malheureusement porteur d'ambigüité. Évidemment, les chercheurs savent bien qu'il n'y a pas de Big Bang dans le big bang, mais le grand public se fait souvent avoir, je l'ai constaté maintes fois dans les forum. D'autant mieux que j'étais moi aussi tombé dans le panneau la première fois !

 

Deuxième partie : le big bang, cette fois pour de vrai !

 

Tout ce qui suit va utiliser des diagrammes d'espace-temps. Alors commençons doucement. Voici un premier diagramme :

 

(Figure 1)

 

Ce diagramme représente l'espace-temps autour de nous. Comme la feuille de papier n'a que deux dimensions, on a représenté l'espace par 1 seule dimension (au lieu de 3). L'espace est représenté par des lignes horizontales (abscisses). Le temps correspond aux ordonnées.

 

Le point O (comme "observateur"), c'est nous au temps t=0. B (comme "Bibi") est un point situé à 300.000 km de nous, au temps t=0 également. La ligne horizontale qui passe par A, O et B est l'espace au temps t=0. La ligne verticale qui passe par O représente tous les états passés, présent et futurs de O. La ligne verticale qui passe par B représente tous les états passés, présent et futurs de B. Par exemple, le point B" est un point d'espace-temps qui représente l'état à t=2 secondes de Bibi. C'est "Bibi dans le futur". Du moins si on suppose que personne ne se déplace.

 

Envoyons un rayon de lumière vers Bibi. Il ne parvient qu'au bout de 1 seconde, à cause de la vitesse finie de la lumière. Il atteint donc Bibi au point d'espace-temps appelé B'. La trajectoire dans l'espace-temps de ce rayon de lumière est le segment dessiné en bleu (entre O et B'). En choisissant une échelle où 1 seconde et 300.000 km sont représentés par la même longueur, ce segment est forcément "en diagonal", à 45° par rapport aux axes. Remarque importante : les rayons de lumière parcourent toujours, dans l'espace-temps, des trajectoires faisant 45° par rapport aux axes. C'est obligé puisqu'un photon, pour parcourir 300.000 km, met toujours 1 seconde.

 

Si maintenant nous envoyons à Bibi une baballe à la vitesse de 150.000 km/s, il lui faudra 2 secondes pour l'atteindre. Elle va donc l'atteindre au point d'espace-temps B". La trajectoire dans l'espace-temps de la balle est donc le segment dessiné en vert. Comme rien ne va pas plus vite que la lumière, toutes les trajectoires allant de l'observateur à Bibi sont des segments situés "au-dessus" du segment bleu (et font un angle plus petit que 45° avec l'axe vertical).

 

Quand nous observons des galaxies, nous recueillons la lumière issue de ces galaxies. Comme la lumière est représentée par des trajectoires faisant 45° avec les axes, les rayons de lumière qui nous parviennent sont représentés par les demi-droites rouges. Ainsi, lorsque nous voyons Bibi, nous le voyons tel qu'il était il y a 1 seconde, donc sa lumière n'est pas partie de B mais d'un point de l'espace-temps situé aux coordonnées (300.000 km ; -1 s).

 

C'est pourquoi les deux demi-droites rouges représentent notre Univers observable (évidemment, elles se prolongent dans le passé). Sur le dessin, il s'agit d'un espace à 1 dimension. Donc en réalité c'est un espace à 3 dimensions, bien sûr. L'espace qu'on observe en regardant au télescope, c'est uniquement ce qui correspond à la portion rouge.

 

Mais bon, ce dessin correspond à un Univers plat. Or on sait qu'il n'est pas ainsi.

 

Voici une représentation d'un premier modèle (le mot est un peu exagéré) d'Univers, assez simpliste :

 

(Figure 2)

 

La petite portion quadrillée représente celle de la première figure. Le temps est représenté par les axes qui partent du point appelé "BB". J'ai juste dessiné l'axe du temps pour le point O. Les cercles représentent l'espace à un temps donné. Cet espace est courbe : ce n'est plus une ligne. De plus, il est fini : il n'y a pas de limite et on peut parcourir l'Univers sans s'arrêter, mais son volume est fini. Les trois cercles extérieurs correspondent à l'espace âgé de 8,7 milliards d'années ("Ga" = milliard d'années), 13,7 Ga (présent) et 18,7 Ga. Le cercle intérieur représente l'Univers âgé de 300.000 ans (en réalité il devrait être situé plus près du centre, je n'ai pas respecté l'échelle pour qu'il ne soit pas minuscule.)

 

Il est important de bien comprendre que les lignes horizontales de la figure 1 ont été remplacées par des cercles, et que les lignes verticales de la figure 1 ont été remplacées par des lignes radiales. Rappel : chaque ligne (ou courbe) d'espace de dimension 1 sur la figure correspond en réalité à un espace de dimension 3, pusiqu'on perd 2 dimensions dans la représentation.

 

A est une galaxie lointaine. A' est sa position dans l'espace-temps il y a 5 milliards d'années (t=8,7 Ga). La courbe rouge partant de A' et atteignant O fait 45° avec tous les cercles concentriques intermédiaires : il s'agit donc de la trajectoire des photons. Autrement dit, la lumière issue de A', il y a 5 milliards d'années, nous a rejoint aujourd'hui : nous pouvons observer cette galaxie. La galaxie est donc située à 5 milliards d'années-lumières. Aujourd'hui, la galaxie est en A, mais en A nous ne pouvons pas l'observer puisque sa lumière ne nous a pas encore atteint. C'est donc A' que nous voyons.

 

Et si on regarde plus loin que cette galaxie ? Eh bien il suffit de prolonger la courbe rouge, qui correspond en fait à notre Univers observable. En F, nous voyons un point de l'Univers âgé de 300.000 ans. Cet âge correspond au découplage photon/matière, et à l'émission du rayonnement 3K (fond diffus cosmologique). Il est impossible de regarder plus loin en arrière car l'Unviers était alors opaque, c'est pourquoi j'ai arrêté la courbe à ce point F.

 

Les points F et G ont 0 dimension, donc représentent un espace de dimension 2 en réalité. (J'ai oublié de dessiner G ! G est l'extrêmité de l'autre branche de courbe rouge.) Comme il s'agit de l'ensemble des points de l'espace situés à 13,6997 milliards d'années-lumière de nous, c'est une sphère (rappel : la sphère est la surface d'une boule). Nous sommes à l'intérieur de cette sphère, au centre. Et la portion d'espace-temps dessinée en rouge, c'est-à-dire l'Univers observable, est un espace de dimension 3. C'est l'ensemble des points dont la distance est inférieure ou égale à 13,6997 milliards d'années-lumières, donc c'est une boule (l'intérieur d'une sphère).

 

Le schéma montre bien que nous sommes au centre de l'Univers observable, que celui-ci est une boule, et qu'il est limité par la sphère d'où provient le rayonnement 3K. C'est cette sphère qu'a cartographiée COBE, par exemple. Notons bien que la carte correspond, non pas à tout l'Univers âgé de 300.000 ans, mais seulement à la portion qui fait partie de notre Univers observable.

 

Une autre propriété est montrée dans cette figure : l'éloignement des galaxies. O et A sont immobiles : leur coordonnées spatiales ne changent pas (ils restent sur le même axe radial). Pourtant, la distance entre O et A augmente peu à peu (en fait, je crois que c'est la distance OA' puis O''A qu'il faut regarder). La récession des galaxies n'est pas une fuite des galaxies, ce n'est pas un mouvement, c'est juste une conséquence de l'expansion de l'espace.

 

Si on remonte en arrière, on voit que l'Univers (disons : l'espace d'âge donné) est de plus en plus petit (les cercles sont de plus en plus petits). En t=0, ils se confondent en un point. Et si t<0 ? Eh bien le schéma montre qu'il n'existe pas de point d'espace-temps ayant une coordonnée temporelle nulle. Dans cette réprésentation, tous les points de l'espace-temps ont une coordonnée temporelle >=0, ce qui signifie que le temps démarre au point BB (comme Big Bang, bien sûr). La question : "qu'y a-t-il avant le Big Bang" n'a donc pas de sens.

 

En outre, chaque point de l'Univers (par exemple A ou O), si on remonte le temps en arrière, finit par atteindre le point BB. Ceci illustre le fait que le Big Bang s'est produit partout. Il n'y a pas d'endroit précis, dans l'Univers, où le Big Bang se serait produit, l'Univers est né partout. C'est pour ça, d'ailleurs, que le rayonnement 3K s'observe partout autour de nous (sur le schéma, c'est {F,G}, qui représente une sphère dont on est à l'intérieur, au centre, comme on l'a dit plus haut).

 

Voilà donc un modèle où le Big Bang s'est produit partout, où le temps est né avec le Big Bang (qui n'est pas un évènement mais juste l'origine des temps), où l'espace est fini et fermé, mais sans limites bien sûr, et en expansion. C'est à peu près ce que décrit la théorie du big bang, sauf que ce schéma est encore trop simpliste et que le point BB n'appartient pas à la science (on ne sait pas ce qui s'est passé avant t=10^-42 seconde). De plus, la feuille où j'ai dessiné ce schéma est plane. Or c'est tout l'espace-temps qui est courbe, il faudrait donc faire un dessin sur une feuille courbe. On en reparlera plus loin. De plus, ici le taux d'expansion est constant (l'espace augmente régulièrement). Or on sait qu'il y a probablement eu d'abord une phase d'inflation, où l'Univers s'est considérablement agrandi en un temps extraordinairement court, puis une phase d'expansion bien plus lente, qui est aujourd'hui en accélération (ce qu'on ne sait pas expliquer autrement qu'en parlant d'énergie sombre, si j'ai bien compris).

 

Pour simuler l'inflation sans courber la feuille, j'ai trouvé une astuce : l'échelle des temps est variable. Voici le schéma obtenu :

 

(Figure 3)

 

Sur un axe temporel quelconque, quelques milliardièmes de seconde sont représentés par une bien plus grande longueur que les miliards d'années qui suivent (du coup on perd la propriété des rayons lumineux qui font 45° : qu'importe car l'inflation s'est produite quand l'Unviers était opaque). Ainsi, à t=300.000 ans, quand l'Univers cesse d'être opaque, il est déjà très étendu. Par la suite, il continue à s'étendre bien plus lentement. C'est pourquoi la courbure est faible : les cercles sont immenses, du coup ils sont proches d'être des droites. Effectivement, le satellite WMAP a mesuré la courbure de l'Univers et a trouvé qu'il était presque plat. C'est la preuve que l'Univers total (pas seulement l'Univers observable) est effectivement énorme !

 

La double courbe rouge représente toujours l'Univers observable. On voit bien que celui-ci est minuscule par rapport à l'ensemble de l'Univers. D'ailleurs, l'Univers est peut-être infini (dans ce cas, cette représentation n'est pas valide).

 

Le point "BB" sort du dessin (j'ai indiqué par une flèche qu'il se trouve par là, en bas à droite). En fait, ce point sort aussi de nos connaissances, ce dont la figure 2 ne tenait pas compte (je l'y avais mis juste afin d'illustrer le fait que le Big Bang s'est produit partout).

 

À quoi ressemble un schéma d'une expansion accélérée, si on veut garder une échelle uniforme sur l'axe des temps ? Il faut en fait utiliser une feuille courbe. Il est temps de dessiner un vrai espace-temps courbé ! Voici un dessin assez imprécis qui montre une expansion accélérée de l'espace :

 

(Figure 4)

 

Cette fois, j'ai dessiné en perpective la feuille courbe où le diagramme d'espace-temps est dessiné... On voit bien que l'espace (les cercles) est en expansion, et celle-ci est accélérée : le rayon des cercles augmente de plus en plus vite.

 

On reconnaît sur ce dessin les deux courbes rouges issues de O qui représentent l'Univers observable, et la galaxie lointaine A (A' est caché).

 

Le schéma suivant montre l'Univers tel qu'on le connaît aujourd'hui : issu d'une inflation (expansion accélérée extrêmement rapide), puis subissant une expansion moins rapide qui, aujourd'hui, s'accélère, avec une orgine inconnue (car la science ne permet pas de remonter plus loin que t=10^-42 seconde).

 

(Figure 5)

 

L'espace-temps ressemble à une espèce de cloche. C'est un espace-temps courbe. En haut de la "cloche", le '?' représente le fait qu'on ne sait pas remonter plus loin que t=10^-42 seconde, par conséquent rien ne prouve qu'il y ait un point du type BB (de la figure 2). Une fois l'inflation terminée, l'Univers poursuit son expansion de façon plus modérée, d'où la forme en cloche. À nouveau, on reconnaît le point O, les deux courbes rouges représentant notre Univers observable et la galaxie A' située à 5 milliards d'années-lumière (donc à 5 milliards d'années en arrière).

 

En fait, la "cloche" est beaucoup plus large, car l'inflation a démesurément gonflé l'espace. Elle est donc plus proche du petit dessin en bas à droite. Et encore, c'est plus plat en haut et bien, bien plus large. L'Univers observable (en rouge) est donc tout petit par rapport à l'Univers complet.

 

Est-ce que ces représentation correspondent bien aux théories des scientifiques ? Est-ce qu'elles sont au moins de bonnes analogies, meilleures que l'analogie trompeuse du ballon à gonfler ? Certes, elles ne décrivent pas un Univers hyperbolique et encore moins un Univers infini, donc pas le cas général. Mas j'ai espoir qu'elles sont plutôt valides. D'ailleurs, dans un livre de R. Penrose, j'ai trouvé ces diagrammes :

 

(Figure 6)

 

Ce sont les mêmes que la figure 5, sauf que les "cloches" sont à l'envers. Donc j'ai confiance.

 

Voilà. J'espère avoir été clair, et surtout aider ceux qui ont été contaminés par de la mauvaise vulgarisation (comme celle de ma première partie ) à rectifier un peu leurs idées...

 

 

 

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