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Regardons donc en arrière. Avec une surprise en préambule : les grands points d'interrogation se concentrent sur une très courte période, la première seconde de l'Univers ! Comme le fait remarquer Jean-Philippe Uzan, à l'Institut d'astrophysique de Paris (IAP)1, « à partir d'environ une seconde après le Big Bang, la température est d'environ 10 milliards de kelvins, et tout le monde est à peu près d'accord sur ce qui s'est passé (voir illustration ci-dessous). Il ne fait plus aucun doute que notre Univers est alors en expansion et qu'il a émergé d'une phase dense et chaude. »
La question du « quoi »
Voilà pour les certitudes. Passons à présent au cœur du problème : le déroulé précis de la toute première seconde. À commencer par la question du contenu de l'Univers à ce moment-là. Ainsi, comme le résume Jean-Philippe Uzan, « pour connaître le contenu en matière de l'Univers, il faut faire appel à la physique des particules. Or la théorie en vigueur, le modèle standard, n'est valable que jusqu'à des densités d'énergie qui sont vite dépassées lorsque l'on remonte le temps ».
Ainsi, les cosmologistes imaginent qu'un millionième de seconde (10– 6 seconde) après le Big Bang, les quarks se sont associés pour former les protons et les neutrons. Mais comme le reste des particules de matière, les quarks sont apparus « bien avant », probablement avant 10– 12 seconde après le commencement. À cet instant, pendant l'ère de la grande unification. la théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions est encore à construire. L'Univers, s'il était déjà peuplé des particules que nous connaissons (quarks, électrons…), devait receler d'autres particules aujourd'hui inconnues. Certaines constituent peut-être la matière noire des astrophysiciens. Jamais observée, cette dernière, dont la gravité structure l'Univers et les galaxies, serait pourtant beaucoup plus abondante que la matière ordinaire !
Par ailleurs, tout indique qu'à cette époque reculée, il y avait encore autant de matière que d'antimatière. De quoi s'agit-il ? Pour les scientifiques, chaque particule est associée à une antiparticule en tout point semblable à elle, mais dont la charge électrique est opposée. Ainsi, l'antiparticule de l'électron est le positron. Or de façon étonnante, l'Univers actuel ne comprend quasiment plus que de la matière. Une dissymétrie dont les scientifiques ne comprennent pas encore l'origine. Une partie du voile devrait être levée dans les prochaines années, grâce au LHC, l'accélérateur géant du Cern2. Ainsi, pour Jean-Philippe Uzan, « il nous permettra un accès à une physique au-delà de celle du modèle standard. Si bien que notre description de l'état de la matière durant la phase primordiale de l'Univers devrait bientôt évoluer ».
Le mystère du « comment »
Le contenu de l'Univers primordial est donc une question ouverte. Sa géométrie en est une autre. Et les cosmologistes bâtissent de belles théories sur l'évolution de l'espace-temps, une entité introduite par Einstein dans sa théorie de la relativité. Ainsi, les spécialistes pensent qu'environ 10– 35 seconde après le Big Bang, le cosmos a subi une phase d'expansion extrêmement rapide appelée inflation : sa taille aurait alors augmenté de plusieurs milliards d'ordres de grandeur. ! D'après Thibault Damour, professeur permanent à l'Institut des hautes études scientifiques, « l'inflation recueille un large consensus, bien que restant un modèle spéculatif ». Pour autant, le satellite Planck, de l'Esa, qui devrait être lancé au printemps 2009, pourrait permettre d'en savoir plus sur la nature exacte de l'inflation. Comment ? En mesurant ses conséquences précises sur les propriétés du rayonnement fossile, ou fonds diffus cosmologique.
Au commencement est l'inconciliable
Mais poursuivons notre rebours dans le temps, jusqu'à ce moment que les scientifiques considèrent comme l'étape ultime avant de remonter au Big Bang : le « mur de Planck », situé à 10– 43 seconde après le Big Bang. Un seuil où la physique actuelle ne permet plus de déterminer ce qui a bien pu se produire. En effet, à ce stade, la relativité générale, qui décrit l'évolution de l'espace-temps sous l'effet de la gravité, et la mécanique quantique, théorie de l'infiniment petit, doivent être réconciliées sur le papier. Comme le résume Jean-Philippe Uzan, « durant cette période, la gravitation devient quantique, or on ne dispose pas encore de théorie quantique de la gravitation ». Alors, chacun émet ses propres hypothèses qui conduisent à une vision du commencement défiant l'entendement. Beaucoup prennent place dans le cadre de la théorie des cordes. Extrêmement complexe, encore largement spéculative, elle a été proposée dès les années 1970 pour marier les deux irréconciliables de la physique : la mécanique quantique et la gravitation. Selon cette théorie, les ingrédients fondamentaux ne sont pas des particules ponctuelles, mais de petits filaments linéaires : les cordes. Celles-ci vibreraient dans des espaces-temps non plus à quatre dimensions (les trois de l'espace plus celle du temps), mais à bien plus3 !
Certains chercheurs bâtissent ainsi des hypothèses qui prennent racine avant le Big Bang : par exemple, Pierre Binetruy, au laboratoire « Astroparticule et cosmologie » (APC)4, à Paris, développe un scénario de l'origine dans lequel un Big Bang naîtrait de la collision entre deux Univers à quatre dimensions. « Nous imaginons qu'il y a plusieurs Univers qui parfois entrent en collision, explique le théoricien. Certes, avec ce type d'approche, on ne connaît pas la physique au moment précis du Big Bang, mais on peut décrire en détail l'état de l'Univers juste avant, et juste après. » Dans cette vision, l'Univers aurait ainsi existé avant le Big Bang, celui-ci n'étant alors qu'une péripétie dans une histoire éternelle.
De son côté, Thibault Damour, avec Marc Henneaux et Hermann Nicolai, développe une approche dans laquelle l'espace-temps émerge d'une situation antérieure : « Notre théorie indique que lorsque l'on s'approche de la singularité (le Big Bang), l'espace s'évanouit. Ne reste plus que le temps, d'où aurait émergé l'espace. » Comme le reconnaît lui-même le cosmologiste, « tout ceci est très spéculatif, mais néanmoins mathématiquement extrêmement précis, et connecté à des morceaux robustes de la théorie des cordes ».
L'obstacle de la validation
Saura-t-on jamais s'il y a du vrai dans ces visions théoriques ? Peut-être de façon indirecte. Si les physiciens parviennent à valider même en partie la théorie des cordes, cela donnera plus de crédit à certaines d'entre elles. « C'est vrai que l'on a parfois l'impression de ne rien comprendre, dit Nathalie Deruelle, de l'APC. Mais je crois que la cosmologie vit une période charnière. Certes, il sort un modèle théorique nouveau chaque jour. Mais de ce bouillon de culture émergera sûrement une nouvelle vision de l'Univers. »
Permettra-t-elle de comprendre les mystères des origines ? Difficile à dire. Comme l'a écrit Étienne Klein, directeur du Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière, au Commissariat à l'énergie atomique (CEA), le 20 novembre dernier dans les colonnes du Monde, « [la science] a besoin, pour se construire, d'un “déjà-là”, d'un point de départ explicite, constitué de principes, de lois ou d'objets. Or l'origine absolue ne fait pas partie du déjà-là, puisqu'elle correspond à l'émergence d'une chose en l'absence de toute autre chose. [...] C'est pourquoi la question de l'origine de l'Univers demeure une question impossible ». Une manière de la renvoyer dans le champ de la philosophie peut-être !
www2.cnrs.fr
La question du « quoi »
Voilà pour les certitudes. Passons à présent au cœur du problème : le déroulé précis de la toute première seconde. À commencer par la question du contenu de l'Univers à ce moment-là. Ainsi, comme le résume Jean-Philippe Uzan, « pour connaître le contenu en matière de l'Univers, il faut faire appel à la physique des particules. Or la théorie en vigueur, le modèle standard, n'est valable que jusqu'à des densités d'énergie qui sont vite dépassées lorsque l'on remonte le temps ».
Ainsi, les cosmologistes imaginent qu'un millionième de seconde (10– 6 seconde) après le Big Bang, les quarks se sont associés pour former les protons et les neutrons. Mais comme le reste des particules de matière, les quarks sont apparus « bien avant », probablement avant 10– 12 seconde après le commencement. À cet instant, pendant l'ère de la grande unification. la théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions est encore à construire. L'Univers, s'il était déjà peuplé des particules que nous connaissons (quarks, électrons…), devait receler d'autres particules aujourd'hui inconnues. Certaines constituent peut-être la matière noire des astrophysiciens. Jamais observée, cette dernière, dont la gravité structure l'Univers et les galaxies, serait pourtant beaucoup plus abondante que la matière ordinaire !
Par ailleurs, tout indique qu'à cette époque reculée, il y avait encore autant de matière que d'antimatière. De quoi s'agit-il ? Pour les scientifiques, chaque particule est associée à une antiparticule en tout point semblable à elle, mais dont la charge électrique est opposée. Ainsi, l'antiparticule de l'électron est le positron. Or de façon étonnante, l'Univers actuel ne comprend quasiment plus que de la matière. Une dissymétrie dont les scientifiques ne comprennent pas encore l'origine. Une partie du voile devrait être levée dans les prochaines années, grâce au LHC, l'accélérateur géant du Cern2. Ainsi, pour Jean-Philippe Uzan, « il nous permettra un accès à une physique au-delà de celle du modèle standard. Si bien que notre description de l'état de la matière durant la phase primordiale de l'Univers devrait bientôt évoluer ».
Le mystère du « comment »
Le contenu de l'Univers primordial est donc une question ouverte. Sa géométrie en est une autre. Et les cosmologistes bâtissent de belles théories sur l'évolution de l'espace-temps, une entité introduite par Einstein dans sa théorie de la relativité. Ainsi, les spécialistes pensent qu'environ 10– 35 seconde après le Big Bang, le cosmos a subi une phase d'expansion extrêmement rapide appelée inflation : sa taille aurait alors augmenté de plusieurs milliards d'ordres de grandeur. ! D'après Thibault Damour, professeur permanent à l'Institut des hautes études scientifiques, « l'inflation recueille un large consensus, bien que restant un modèle spéculatif ». Pour autant, le satellite Planck, de l'Esa, qui devrait être lancé au printemps 2009, pourrait permettre d'en savoir plus sur la nature exacte de l'inflation. Comment ? En mesurant ses conséquences précises sur les propriétés du rayonnement fossile, ou fonds diffus cosmologique.
Au commencement est l'inconciliable
Mais poursuivons notre rebours dans le temps, jusqu'à ce moment que les scientifiques considèrent comme l'étape ultime avant de remonter au Big Bang : le « mur de Planck », situé à 10– 43 seconde après le Big Bang. Un seuil où la physique actuelle ne permet plus de déterminer ce qui a bien pu se produire. En effet, à ce stade, la relativité générale, qui décrit l'évolution de l'espace-temps sous l'effet de la gravité, et la mécanique quantique, théorie de l'infiniment petit, doivent être réconciliées sur le papier. Comme le résume Jean-Philippe Uzan, « durant cette période, la gravitation devient quantique, or on ne dispose pas encore de théorie quantique de la gravitation ». Alors, chacun émet ses propres hypothèses qui conduisent à une vision du commencement défiant l'entendement. Beaucoup prennent place dans le cadre de la théorie des cordes. Extrêmement complexe, encore largement spéculative, elle a été proposée dès les années 1970 pour marier les deux irréconciliables de la physique : la mécanique quantique et la gravitation. Selon cette théorie, les ingrédients fondamentaux ne sont pas des particules ponctuelles, mais de petits filaments linéaires : les cordes. Celles-ci vibreraient dans des espaces-temps non plus à quatre dimensions (les trois de l'espace plus celle du temps), mais à bien plus3 !
Certains chercheurs bâtissent ainsi des hypothèses qui prennent racine avant le Big Bang : par exemple, Pierre Binetruy, au laboratoire « Astroparticule et cosmologie » (APC)4, à Paris, développe un scénario de l'origine dans lequel un Big Bang naîtrait de la collision entre deux Univers à quatre dimensions. « Nous imaginons qu'il y a plusieurs Univers qui parfois entrent en collision, explique le théoricien. Certes, avec ce type d'approche, on ne connaît pas la physique au moment précis du Big Bang, mais on peut décrire en détail l'état de l'Univers juste avant, et juste après. » Dans cette vision, l'Univers aurait ainsi existé avant le Big Bang, celui-ci n'étant alors qu'une péripétie dans une histoire éternelle.
De son côté, Thibault Damour, avec Marc Henneaux et Hermann Nicolai, développe une approche dans laquelle l'espace-temps émerge d'une situation antérieure : « Notre théorie indique que lorsque l'on s'approche de la singularité (le Big Bang), l'espace s'évanouit. Ne reste plus que le temps, d'où aurait émergé l'espace. » Comme le reconnaît lui-même le cosmologiste, « tout ceci est très spéculatif, mais néanmoins mathématiquement extrêmement précis, et connecté à des morceaux robustes de la théorie des cordes ».
L'obstacle de la validation
Saura-t-on jamais s'il y a du vrai dans ces visions théoriques ? Peut-être de façon indirecte. Si les physiciens parviennent à valider même en partie la théorie des cordes, cela donnera plus de crédit à certaines d'entre elles. « C'est vrai que l'on a parfois l'impression de ne rien comprendre, dit Nathalie Deruelle, de l'APC. Mais je crois que la cosmologie vit une période charnière. Certes, il sort un modèle théorique nouveau chaque jour. Mais de ce bouillon de culture émergera sûrement une nouvelle vision de l'Univers. »
Permettra-t-elle de comprendre les mystères des origines ? Difficile à dire. Comme l'a écrit Étienne Klein, directeur du Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière, au Commissariat à l'énergie atomique (CEA), le 20 novembre dernier dans les colonnes du Monde, « [la science] a besoin, pour se construire, d'un “déjà-là”, d'un point de départ explicite, constitué de principes, de lois ou d'objets. Or l'origine absolue ne fait pas partie du déjà-là, puisqu'elle correspond à l'émergence d'une chose en l'absence de toute autre chose. [...] C'est pourquoi la question de l'origine de l'Univers demeure une question impossible ». Une manière de la renvoyer dans le champ de la philosophie peut-être !
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