Quatrième Partie

Sur la formation des grandes structures

De plus l’inflaton possède, comme toute forme de matière, des fluctuations quantiques (résultat du principe d'incertitude d'Heisenberg). Une des conséquences inattendues de l’inflation est que ces fluctuations, initialement de nature quantique, évoluent durant la phase d’expansion accélérée pour devenir des variations classiques ordinaires de densité. Par ailleurs le calcul du spectre de ces fluctuations effectué dans le cadre de la théorie des perturbations cosmologiques montre qu’il suit précisément les contraintes du spectre de Harrison-Zeldovitch.

Ainsi, l’inflation permet d’expliquer l’apparition de petits écarts à l’homogénéité de l’univers, résolvant du même coup le problème de la formation des structures susmentionné. Ce succès inattendu de l’inflation a immédiatement contribué à en faire un modèle extrêmement attractif, d’autant que le détail des inhomogénéités créées lors de la phase d’inflation peut être confronté aux inhomogénéités existant dans l’univers actuel.

L’accord remarquable entre des prédictions et les observations, observé par l’étude des données relatives aux fluctuations du fond diffus cosmologique observé entre autres par les satellites COBE et WMAP (et bientôt également par le satellite Planck), ainsi que les catalogues de galaxies comme celui réalisé par la mission SDSS est sans nul doute un des plus grands succès de la cosmologie du XXe siècle.

Il n’en demeure pas moins vrai que des alternatives à l’inflation ont été proposées malgré les succès indéniables de celle-ci. Parmi ceux-ci, citons le pré Big Bang proposé entre autres par Gabriele Veneziano, et l’univers ekpyrotique. Ces modèles sont globalement considérés comme moins génératiques, moins esthétiques et moins achevés que les modèles d’inflation. Ce sont donc ces derniers qui à l’heure actuelle sont de loin considérés comme les plus réalistes.

Le modèle standard de la cosmologie

La construction de ce qui est désormais appelé le modèle standard de la cosmologie est la conséquence logique de l’idée du Big Bang proposée dans le première partie du XXe siècle. Ce modèle standard de la cosmologie, qui tire son nom par analogie avec le modèle standard de la physique des particules, offre une description de l’univers compatible avec l’ensemble des observations de l’univers. Il stipule en particuliers les deux points suivants :

  • L’univers observable est issu d’une phase dense et chaude (Big Bang), durant laquelle un mécanisme a permis à la région qui nous est accessible d’être très homogène mais de présenter de petits écarts à l’homogénéité parfaite. Ce mécanisme est probablement une phase de type inflation, quoique d’autres mécanismes aient été proposés.
  • L’univers actuel est empli de plusieurs formes de matières :
    • Les photons, c’est-à-dire les particules représentant toute forme de rayonnement électromagnétique,
    • Les neutrinos,
    • La matière baryonique, qui forme les atomes,
    • Une ou plusieurs formes de matière inconnues en laboratoire mais prédites par la physique des particules appelées matière noire, responsable entre autres de la structure des galaxies, bien plus massives que l’ensemble des étoiles qui les composent,
    • Une forme d’énergie aux propriétés inhabituelles, appelée énergie noire ou constante cosmologique, responsable de l’accélération de l'expansion de l'univers observée aujourd’hui (et probablement sans rapport direct avec l’inflation).

Un très grand nombre d’observations astronomiques rendent ces ingrédients indispensables pour décrire l’univers que nous connaissons. La recherche en cosmologie vise essentiellement à déterminer l’abondance et les propriétés de ces formes de matière, ainsi qu’à contraindre le scénario d’expansion accélérée de l’univers primordial (ou d’en proposer d’autres). Des ingrédients de ce modèle standard de la cosmologie, trois nécessitent de faire appel à des phénomènes physiques non observés en laboratoire : l’inflation, la matière noire et l’énergie noire. Néanmoins, les indications observationnelles en faveur de l’existence de ces trois phénomènes sont telles qu’il semble extrêmement difficile d’envisager pouvoir éviter d’y faire appel. Il n’existe de fait aucun modèle cosmologique satisfaisant s’affranchissant d’un ou plusieurs de ces ingrédients.

Quelques idées fausses sur le Big Bang

Le Big Bang ne se réfère pas à un instant « initial » de l’histoire de l’univers

Il indique seulement que celui-ci a connu une période dense et chaude. De nombreux modèles cosmologiques décrivent de façons très diverses cette phase dense et chaude. Le statut de cette phase a d’ailleurs été soumis à maints remaniements. Dans un des ses premiers modèles, Georges Lemaître proposait un état initial dont la matière aurait la densité de la matière nucléaire (1015 g/cm3). Georges Lemaître considérait (avec raison) qu’il était difficile de prétendre connaître avec certitude le comportement de la matière à de telles densités, et supposait que c’était la désintégration de ce noyau atomique géant et instable qui avait initié l’expansion (hypothèse de l’atome primitif, voir l’article en question). Auparavant, Lemaître avait en 1931 fait remarquer que la mécanique quantique devait invariablement être invoquée pour décrire les tout premiers instants de l’histoire de l’univers, jetant par là les bases de la cosmologie quantique, et que les notions de temps et d’espace perdaient probablement leur caractère usuel[16]. Aujourd’hui, certains modèles d’inflation supposent par exemple un univers éternel, d’autres modèles comme celui du pré Big Bang supposent un état initial peu dense mais en contraction suivi d’une phase de rebond, d’autres modèles encore, basés sur la théorie des cordes, prédisent que l’univers observable n’est qu’un objet appelé « brane » plongé dans un espace à plus de quatre dimensions (le « bulk »), le big bang et le démarrage de l’expansion étant dus à une collision entre deux branes (univers ekpyrotique). Cependant, c’est lors de cette phase dense et chaude que se forment les particules élémentaires que nous connaissons aujourd’hui, puis, plus tard toutes les structures que l’on observe dans l’univers. Ainsi reste-t-il légitime de dire que l’univers est né du Big Bang, au sens où l’univers tel que nous le connaissons s’est structuré à cette époque.

Le Big Bang n’est pas une explosion, il ne s’est pas produit « quelque part »

Le Big Bang ne s’est pas produit en un point d’où aurait été éjectée la matière qui forme aujourd’hui les galaxies, contrairement à ce que son nom suggère et à ce que l’imagerie populaire véhicule souvent. À l’époque du Big Bang les conditions qui régnaient partout dans l’univers (du moins la région de l’univers observable) étaient identiques. Il est par contre vrai que les éléments de matière s’éloignaient alors très rapidement les uns des autres, du fait de l’expansion de l’univers. Le terme de Big Bang renvoie donc à la violence de ce mouvement d’expansion, mais pas à un lieu privilégié. En particulier il n’y a pas de « centre » du Big Bang ou de direction privilégiée dans laquelle il nous faudrait observer pour le voir. C’est l’observation des régions lointaines de l’univers (quelle que soit leur direction) qui nous permet de voir l’univers tel qu’il était par le passé (car la lumière voyageant à une vitesse finie, elle nous fait voir des objets lointains tels qu’ils étaient à une époque reculée, leur état actuel nous étant d’ailleurs inaccessible) et donc de nous rapprocher de cette époque. Ce qu’il nous est donné de voir aujourd’hui n’est pas l’époque du Big Bang lui-même, mais le fond diffus cosmologique, sorte d’écho lumineux de cette phase chaude de l’histoire de l’univers. Ce rayonnement est essentiellement uniforme quelle que soit la direction dans laquelle on l’observe, ce qui indique que le Big Bang s’est produit de façon extrêmement homogène dans les régions qu’il nous est possible d’observer. La raison pour laquelle il n’est pas possible de voir jusqu’au Big Bang est que l’univers primordial est opaque au rayonnement du fait de sa densité élevée, de même qu’il n’est pas possible de voir directement le centre du Soleil mais que l’on ne peut observer que sa surface. Voir l’article fond diffus cosmologique pour plus de détails.

La question de l'infini

Dans la réalité, notre Univers peut-il être vraiment infini ? Si dans la physique de Newton un modèle infini constituait l'hypothèse la plus naturelle, la situation a changé avec l'invention de la relativité générale. En effet selon la nouvelle théorie de la gravitation élaborée par Einstein l'espace est doté d'une courbure induite par les masses présentes dans l'univers et peut de ce fait s'avérer fini et néanmoins sans frontière, comme le montre le modèle de Friedmann, le plus simple que l'on puisse construire. Le problème de l'infini se pose alors différemment : tandis que le modèle fini est incontestablement cohérent d'un point de vue physique le modèle infini (solution mathématique des équations d'Einstein) ne l'est pas à priori pour un physicien, l'infini étant en principe exclu du champ de la physique. Contenant des régions (de taille infinie) par essence inaccessibles le modèle infini n'est pas mesurable et devrait donc être banni de la catégorie des modèles cosmologiques admissibles[17].

La plupart des cosmologistes actuels semblent estimer que le problème de l'infini ne se pose pas. Ils jugent que les observations, déterminantes, plaident en faveur d'un univers infini[18]. Cependant tout en défendant résolument la justesse de l'idée de Big Bang certains scientifiques contestent cette position majoritaire. À leurs yeux l'expansion de notre Univers est un fait parfaitement établi, notamment parce que ce concept repose à la fois sur une théorie solide, celle de la gravitation d'Einstein, dont les équations conduisent inéluctablement à l'expansion, et sur les observations de Hubble, qui ont directement mis en évidence la fuite des galaxies[19]. Mais pensant que seul un modèle fini peut décrire la réalité ces mêmes scientifiques jugent impossible d'accorder un sens physique à un modèle d'univers infini.

Attentifs aux ordres de grandeur manipulés, les partisans de l'univers fini font remarquer que la partie visible de notre Univers ne s'étend « que » (si on peut dire) 17 ordres de grandeur environ depuis la distance de la Lune (à 1,3 seconde de lumière) à celle de l'horizon cosmologique (à quelque 14 milliards d'années de lumière, ou 4,4×1017 secondes de lumière). Selon eux il est absurde de vouloir étendre le domaine d'investigation de la théorie sur non plus 17 mais sur 17 mille, 17 millions, 17 milliards (voire infiniment plus) d'ordres de grandeur, cela n'ayant plus aucun rapport avec le monde des choses réelles. Il est vrai que sur l'échelle des puissances de 10 les nombres physiques (ceux donc qui mesurent la réalité) ont tous un exposant de seulement deux chiffres[20] et il semble en effet irrationnel de prétendre mesurer le réel par des exposants comportant des milliers ou des milliards de milliards de chiffres.

En deuxième lieu les équations d'Einstein sont des équations que l'on qualifie de différentielles. Pour en trouver la solution il est nécessaire de poser des conditions aux limites. Or ces conditions sont problématiques dans le cas d'un univers infini car elles doivent être rajoutées de façon artificielle, alors qu'on pourrait s'attendre à ce que le problème soit bien déterminé. En revanche la question ne se pose pas pour un univers fini puisque ce dernier n'a pas de limites. « Pas de limites, pas de conditions aux limites » : la situation décrite par un telle formule est particulièrement simple. Or le critère de simplicité est un principe que la physique a toujours eu à cœur de ne pas négliger.

Enfin le principe de Mach, selon lequel l'inertie d'un corps dépend de la présence et de l'action mutuelle des corps en présence, est contenu de façon implicite dans les équations de la théorie de la relativité générale, mais cette idée n'est valable que dans un univers fini et non dans un univers infini. Or même s'il reste encore mystérieux, le principe de Mach reste digne d'attention.

Einstein considérait que seul le modèle fermé était une solution acceptable des équations qu'il avait écrites et les arguments précédents relatifs aux conditions initiales et au principe de Mach viennent de lui[21]. Dans le modèle infini la théorie de la relativité générale apparaît comme incomplète et Einstein ne pouvait pas accepter une telle situation. Wheeler est la figure emblématique, et incontestablement qualifiée, défendant encore de nos jours l'univers fermé. Il expose ce point de vue avec C. W. Misner, Kip Thorne dans le livre Gravitation[22] et avec Taylor dans le livre d'introduction à la relativité générale[23]. Wheeler déclare que si l'on cherche à résoudre les équations d'Einstein un espace fermé est la seule condition initiale existante conduisant à une solution d'espace-temps à quatre dimensions unique et bien définie. En France, Christian Magnan, astrophysicien au GRAAL et au Collège de France, s'oppose à la notion d'univers infini, quoique défendant fermement la réalité du Big Bang. Il s'attache à montrer que faute d'établir un rapport avec la réalité les théories sont vouées à la stérilité et critique notamment ce qu'il décrit comme « la soumission inconditionnelle au modèle d'univers homogène et isotrope » (c'est-à-dire satisfaisant au Principe cosmologique) qui conduirait selon lui aux incohérences physiques des modèles actuels (comme celle de l'irruption de l'infini).

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Source : Big Bang sur Wikipedia
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Le Big-Bang