Comment l’Univers a-t-il commencé? Comment finira-t-il?

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Au cours des dernières décennies, des progrès significatifs dans les domaines de l’astronomie et de l’astrophysique ont entraîné une révolution dans la compréhension des origines et de la nature de notre univers et de comment il finira. Nous proposons ici les réponses aux questions sur l’origine et la fin de l’Univers, sur base des connaissances actuelles.


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Figure 1. Nébuleuse de la tarentule – Crédit: © NASA, ESA, The Hubble Heritage Team (STScl/AURA), A. Nota (ESA/SRScl), and the Westerlund 2 Science Team.

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Les scientifiques pensent que l’univers a commencé avec un “big bang”. Une grande explosion. La théorie du Big Bang est la théorie la plus largement acceptée sur la façon dont l’univers a commencé. Comment cela se terminera… c’est un mystère “sombre”. La théorie du Big Bang dit que l’univers est né d’un point unique, incroyablement chaud et dense (alias, une singularité) il y a plus de 13 milliards d’années. Cela ne s’est pas produit dans un espace déjà existant. Au contraire, il a initié l’expansion – et le refroidissement – de l’espace lui-même.

Pourquoi soutenir cette théorie?

Il explique de nombreuses choses que les astronomes voient à travers les télescopes terrestres et spatiaux. Cela explique pourquoi d’autres galaxies s’éloignent de nous alors que l’espace continue de s’étendre. Cela explique une faible lueur observée partout dans l’univers. (La lueur est la chaleur résiduelle de la naissance de l’univers, maintenant refroidie à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu.) En bref, c’est une explication remarquablement puissante et élégante de la naissance de l’univers observable. La théorie explique la création des éléments les plus légers de l’univers – l’hydrogène, l’hélium et le lithium – à partir desquels tous les éléments les plus lourds ont été forgés dans les étoiles et les supernovas. Une extension du Big Bang, connue sous le nom d’inflation cosmique, explique même pourquoi l’univers est si homogène (également composé) et comment les galaxies sont réparties dans l’espace.

De nombreuses caractéristiques de l’univers d’aujourd’hui prennent tout leur sens si l’espace a connu une expansion extraordinaire très tôt dans son histoire. Selon la théorie de l’inflation, l’univers s’est considérablement étendu une infime fraction de seconde après le Big Bang, entraîné par des quantités fantastiques d’énergie contenues dans l’espace lui-même. Après cette période d’inflation, l’univers a continué à s’étendre et à se refroidir, mais à un rythme beaucoup plus lent. L’inflation a étiré l’espace si rapidement qu’il est devenu extrêmement uniforme. Mais l’espace n’est pas complètement homogène. De petites fluctuations de la densité de matière présente dans le tout premier univers ont été massivement amplifiées lors de l’inflation. Ces fluctuations de densité ont finalement créé la structure à grande échelle de l’univers, y compris de grandes nappes, des bulles et des amas de galaxies.

C’est le début, le Big Bang. Qu’en est-il de la fin de l’univers?

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A noter que le concept de Big Bang n’indique pas si l’univers continuera à s’étendre et à se refroidir ou s’il finira par se contracter vers une autre singularité super chaude, peut-être en redémarrant tout le cycle. Le destin ultime de l’univers dépend probablement des propriétés de deux phénomènes mystérieux connus sous le nom de matière noire et d’énergie noire. Une étude plus approfondie des deux pourrait révéler si l’univers se terminera par le feu ou la glace.

Récemment, le théoricien Matt Caplan, de l’université d’État de l’Illinois (États-Unis), a publié ses travaux dans la revue britannique MNRAS ( Comptes rendus mensuels de la société royale d’astronomie ). Selon lui, un gigantesque feu d’artifice! est ce à quoi pourrait ressembler la fin de l’Univers, marquée par une explosion fantastique d’étoiles, inconnues jusqu’alors, appelées naines noires. Une succession de formidables jets de matières … avant que tout ne s’éteigne et ne se fige à jamais. Pour ce faire, le scientifique a dégainé un arsenal théorique en accord avec les lois de la physique, mais riche en hypothèses décoiffantes, pour décrire le dernier événement astrophysique de l’Univers.

En fait, les travaux originaux de Matt Caplan s’inscrivent dans une longue recherche sur le futur de l’Univers. Jusqu’au début des années 2000, les réflexions dans ce domaine étaient de deux types: soit le cosmos connaît un Big Crunch (un grand effondrement), soit il se fige dans un Big Freeze (un grand gel). Dans le Big Crunch, après une période d’expansion, l’Univers s’effondre sur lui-même, pour atteindre un état extrêmement chaud et dense, similaire à celui qui avait cours aux toutes premières fractions de seconde de son existence. Dans le Big Freeze, il connaît au contraire une expansion éternelle et un lent refroidissement. Deux hypothèses rendues possibles grâce à la cosmologie relativiste, celle née à la suite de la théorie d’Einstein au début du 20e siècle.

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Car l’un des résultats les plus importants sur lequel se fonde cette discipline est que l’Univers est en expansion: l’espace se dilate, emporté par l’énergie héritée du Big Bang. Mais la matière, qui agit par la force gravitationnelle, s’y oppose. Et le résultat de ce bras de fer dépend, selon les théoriciens, de la densité moyenne de matière dans l’espace. Au-delà d’une certaine valeur appelée densité critique – estimée à quelques atomes par mètre cube d’espace -, la gravité devrait l’emporter sur l’expansion: c’est le Big Crunch; en deçà, la gravité est vaincue par l’expansion devenant éternelle: c’est le Big Freeze. Mais coup de théâtre en 1998 ! Cette année-là, les astrophysiciens prouvent que l’expansion va en s’accélérant, signe qu’un ingrédient inconnu jusque-là domine le contenu de l’Univers. Parmi les suspects, une énigmatique énergie noire. Dès lors, le scénario du Big Crunch s’effondre, au profit du Big Freeze devenu le futur le plus probable de l’Univers.

Ce donc que sous l’effet de l’expansion, le cosmos deviendra de plus en plus froid et de moins en moins dense. Il ne parviendra plus à former des galaxies et celles-ci ne donneront plus naissance à de nouvelles étoiles. L’Univers sera alors âgé de 10100 ans et dans cet espace qui s’étirera et gonflera, la température diminuera progressivement jusqu’à atteindre le zéro absolu (-273,15 °C), la température la plus basse autorisée par la physique. Ce sera la mort thermique. Les galaxies se disloqueront et les étoiles s’éparpilleront.

Un peu de lumière sur l’énergie sombre?

En effet, toute la matière familière – la Terre, le reste du système solaire, les étoiles, les galaxies et le gaz interstellaire – ne représente qu’environ un sixième de la masse de l’univers. Les scientifiques peuvent voir les effets du reste de la masse de l’univers, qu’ils appellent matière noire. Sa présence dans les galaxies les fait tourner plus rapidement que s’il n’y avait que de la matière normale, et de fortes concentrations de celle-ci courbent sensiblement la lumière venant de loin. Mais sa nature reste un mystère. La matière noire peut être constituée de particules élémentaires créées lors du Big Bang mais pas encore détectées sur Terre. L’une des raisons pour lesquelles les physiciens veulent construire des accélérateurs de particules plus puissants est de rechercher ces particules manquantes.

Galaxie d'Andromède

Figure 2. Galaxie d’Andromède – © Robert Gendler.

Encore plus mystérieuse que la matière noire, ”l’énergie noire”. Les observations de supernovae distantes suggèrent que l’espace est imprégné d’une énergie – appelée énergie noire – qui sépare les objets, tout comme deux charges électriques positives se repoussent. Cette entité mystérieuse, qui représente plus de 70 % du contenu énergétique de l’univers, pourrait être liée à l’énergie qui a causé l’inflation. Mais aujourd’hui, on ne sait pratiquement rien de ce qu’est l’énergie noire ou de la façon dont elle exerce ses effets sur la matière. L’expliquer peut nécessiter des concepts entièrement nouveaux d’espace et de temps.

Comment les astronomes ont-ils appris l’existence de l’univers primitif?

Lorsque les astronomes regardent à travers un télescope, ils regardent dans le temps. Ils voient la galaxie d’Andromède, la galaxie principale la plus proche de la nôtre, non pas telle qu’elle est aujourd’hui, mais telle qu’elle était il y a plus de 2 millions d’années, car c’est le temps qu’il a fallu à la lumière de la galaxie pour traverser l’espace jusqu’à la Terre. D’autres galaxies sont beaucoup plus éloignées dans l’espace et dans le temps. Le télescope spatial Hubble peut voir des galaxies vieilles de plus de 13 milliards d’années et formées peu de temps après le Big Bang. Des observations ont été faites sur le fond diffus cosmologique, la faible lueur laissée par le Big Bang, qui aident à se faire une idée de ce à quoi ressemblait l’univers primitif, en particulier avant la formation de ces premières étoiles.

Où allons-nous à partir d’ici?

Les astronomes planifient maintenant une série de nouveaux télescopes spatiaux et terrestres ainsi que des équipements et des recherches à plus petite échelle. Avec ces outils, ils prévoient d’étudier la matière noire et l’énergie noire, les trous noirs au centre des galaxies, la formation de planètes comme la Terre autour d’autres étoiles, et bien d’autres aspects de notre étonnant univers.

Pour aller plus loin

M. E. Caplan, “Black dwarf supernova in the far future”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 497, Issue 4, October 2020, Pages 4357–4362, https://doi.org/10.1093/mnras/staa2262

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