(illustration : grotte dans le golfe de Salerne par Joseph Wright de Derby, 1780)

Depuis que la mise au point de la Relativité Générale par Albert Einstein (1908-1917) et la mise en place de nouveaux télescopes (le télescope Hooker de 250 cm au Mont Wilson et les observations d’Edwin Hubble à partir de 1925) ont permis de construire des modèles d’univers et de clairement voir au-delà de notre galaxie, la cosmologie est devenue une science.

La cosmologie est la science qui tente de décrire l’évolution passée de l’univers observable. C’est une science historique ou au moins généalogique.

  1. Univers observable : la matière et plus généralement l’information ne peut dépasser une vitesse limite, celle de la vitesse de la lumière (Relativité Restreinte et toutes les expériences qu’elle explique et suscite). Donc par exemple, nous ne pouvons avoir d’information sur ce qui s’est passé il y a un million d’années sur une étoile qui serait située à deux millions d’années-lumière ; il faudra attendre au minimum un autre million d’années. Et comme la lumière la plus ancienne que nous recevons a été émise il y a environ 13,8 milliards d’années, cela nous renseigne sur la portion d’univers autour de nous englobée dans une sphère de rayon égal à 13,8 milliard d’années-lumière ou, plus exactement, comme l’univers est en expansion, le rayon de cette sphère est plus grand (46,6 milliards d’années-lumière) mais fini. Pour résumer, l’univers observable est fini, le cosmos scientifique n’est pas le cosmos des philosophes et des religieux.
  2. Évolution passée : c’est ça justement qui change par rapport à la physique des siècles passés. Cette physique était locale, elle étudiait le comportement des planètes, du soleil et même si cela pouvait être extrapolé en assimilant les autres étoiles à notre soleil, nous restions dans une image locale, alors que l’univers dans son ensemble était supposé rester toujours identique à lui-même. La cosmologie de l’Univers Stationnaire (Hoyle, Gold et Bondi), qui était concurrente de celle du Big Bang jusque dans les années soixante se rattachait à ce modèle (Principe cosmologique parfait, voir ci-dessous). Au 19e siècle certains avaient tenté d’appliquer le deuxième principe de la thermodynamique à l’univers tout entier, mais l’évolution imaginée restait déconnectée de celle des systèmes stellaires et de toute observation.

Généalogie des systèmes stellaires :

En un siècle, les techniques d’observation ont explosé et couvrent maintenant tout le spectre électromagnétique (des ondes radios aux rayons gamma), l’interférométrie s’est généralisée… et depuis que des preuves certaines de l’évolution de l’univers observable sont apparues, il s’est produit un renversement des perspectives. La généalogie des étoiles s’intègre dans celle de cet univers : nous avons un univers où au départ sont engendrés comme atomes uniquement de l’hydrogène et de l’hélium, puis des étoiles de première génération qui marchent à ce carburant, explosent et engendrent d’autres atomes dans cette explosion… et le soleil est une étoile de seconde ou troisième génération, ou plus exactement le système solaire est un système de seconde ou troisième génération. Car depuis vingt ans, nous avons découvert que pratiquement toutes les étoiles ont un système planétaire autour d’elles, et ces systèmes de génération ultérieure bénéficient d’un environnement plus riche en atomes plus lourds.

Fin de l’anthropocentrisme :

Les observations du 20e siècle ont achevé d’un certain côté le décentrement commencé à partir de Copernic. A partir des années vingt, du siècle dernier, nous avons découvert qu’il y avait d’autres galaxies et de proche en proche, non seulement la Terre n’est plus au centre du cosmos, mais l’homme devient un pou sur la troisième planète d’une étoile quelconque dans la banlieue d’une galaxie ordinaire d’un amas de galaxies comme les autres, lui-même membre d’un superamas… Cela ne s’accorde guère avec notre « système de valeurs furieusement anthropocentrique » (Jacques Merleau-Ponty).

Il y a vingt-cinq ans, nous pouvions encore penser que notre système planétaire était unique ou rare, mais maintenant nous avons découvert que c’est la règle, même les systèmes d’étoiles doubles ont un système planétaire.

Il reste encore la possibilité que nous soyons les seuls êtres intelligents (enfin, si peu) de cet univers observable, conséquence de particularités uniques de notre système solaire comme la présence d’un satellite de la taille de la Lune… mais cela n’est plus objet de réflexions théologiques et philosophiques, qui s’appuient sur des principes sortis du cerveau de personnages soi-disant inspirés, mais d’hypothèses, de modèles et d’observations à construire…

Modèles cosmologiques

Les modèles cosmologiques supposent une certaine uniformité des lois utilisées dans l’espace et dans le temps :

Cela peut s’exprimer sous la forme du principe cosmologique. Voici sa définition dans Wikipédia (principe cosmologique) : Le principe cosmologique est l’hypothèse aujourd’hui généralement considérée comme vérifiée selon laquelle l’Univers est spatialement homogène, c’est-à-dire que son apparence générale ne dépend pas de la position de l’observateur. Il a pour conséquence que l’Homme n’occupe pas de position privilégiée dans l’Univers, en opposition avec la théorie géocentrique (aujourd’hui abandonnée), mais en accord avec le principe copernicien. En pratique, le principe cosmologique présuppose aussi que l’Univers est isotrope, c’est-à-dire que son aspect ne dépend pas de la direction dans laquelle on l’observe (par exemple son taux d’expansion ne dépend pas de la direction). Le principe cosmologique parfait y ajoutait que l’univers devait être aussi temporellement homogène.

Mais ce principe reste une hypothèse, vérifiée pour l’instant, pas l’un des axiomes d’un dogme. Toujours la différence entre le cosmos moderne et les cosmos anciens. Cette hypothèse entraîne des conséquences fortes sur les modèles d’univers concevables, ce qui en retour autorise à la contrôler et éventuellement la modifier ou la rejeter.

Il faut bien garder à l’esprit qu’en science, une observation seule ne signifie rien, elle doit être intégré dans un faisceau d’hypothèses, un modèle, et c’est d’ailleurs souvent ce modèle qui va amener à proposer des observations. Inversement un modèle comme celui de la théorie des cordes, qui n’est pas capable de proposer des observations à faire, reste pour l’instant un objet mathématique plutôt que physique (et c’est pour cela qu’Ed Witten a reçu la médaille Fields et non le prix Nobel de physique).

PS : dans la (?) théorie des cordes, il y a une myriade de paramètres ajustables, ce qui rend cette théorie mathématique ajustable à tous les univers possibles et incapable d’aucune prédiction. Un moyen utilisé pour contourner cela est d’utiliser un principe anthropique, mais cela peut revenir à ajuster les paramètres à notre univers, et quelque part nous sommes devant un cercle vicieux.

Après de nouvelles découvertes dans quelques années, le principe cosmologique pourrait se révéler n’être que local (enfin un très grand local !) car nous pourrions découvrir en périphérie des zones qui abritent d’autres entités physiques que celles que nous connaissons dans notre environnement, différentes des étoiles, des galaxies par exemple.

Le problème de l’origine et du Big Bang :

Les modèles d’univers bâtis sur la Relativité Générale et tenant compte des observations sur l’expansion de l’univers ont une particularité choquante, dès le départ. Si on remonte le temps, l’univers se contracte toujours plus et on arrive à un moment où la densité de l’univers est infinie, comme un instant initial où l’univers que nous connaissons serait créé. Cela a gêné beaucoup de scientifiques, surtout qu’accidentellement l’hypothèse de l’expansion de l’univers fut émise pour la première fois par l’abbé Georges Lemaître (et Alexandre Friedmann indépendamment). On a supposé alors, sans le dire ouvertement, des intentions apologétiques à ce pauvre abbé qui était au contraire un savant d’une très grande probité, et qui a toujours su éviter que sa foi contamine ses idées scientifiques. Il avait même recadré (en y mettant les formes) le Pape dans les années cinquante sur ce sujet. Dès le départ d’ailleurs, il avait mis le doigt sur ce qui sera peut-être la solution du problème. Il parlait d’un atome primitif, pas d’un point de densité infinie, montrant que le problème ne pouvait être résolu que par une théorie intégrant l’infiniment grand et l’infiniment petit, donc la Relativité Générale et la Mécanique quantique.

Temps cosmique

Déjà en préambule, un premier point qui peut choquer les connaisseurs : en relativité restreinte ou générale, on parle d’espace-temps, il n’y a pas de temps commun à deux observateurs qui se déplacent relativement. Chaque observateur a sa propre horloge et il n’y a plus de temps newtonien absolu. Mais dans ces modèles d’univers, on parle d’événement comme le Big-Bang survenu il y a 13,8 milliards d’années. Alors, un autre observateur se déplaçant par rapport à nous ne mesurerait-il pas un temps différent ?

Sans doute, mais nous nous plaçons implicitement dans un référentiel particulier, nous utilisons des observateurs privilégiés et le temps absolu sorti par la porte est revenu par la fenêtre grâce à la notion de temps cosmique.

Je vous renvoie à l’article de Wikipédia sur le sujet : Temps cosmique dont voici le premier paragraphe : En cosmologie, le temps cosmique est le temps propre d’un observateur dit « fondamental » ou « comobile » appartenant à un univers homogène et isotrope. En pratique, l’univers n’est pas exactement homogène et isotrope, mais en moyennant la distribution de matière de l’univers, on peut considérer qu’il l’est et ainsi utiliser le principe cosmologique. Le temps cosmique est alors le temps propre d’un observateur au repos par rapport à cette distribution de matière moyenne : c’est le temps de son référentiel comobile qui est le même pour tous les référentiels comobiles puisque l’univers est homogène et isotrope. Cette situation, permise par le principe cosmologique, est exceptionnelle en relativité générale (fondement théorique de la cosmologie), car normalement il n’y existe pas de temps universel absolu, mais un temps qui est propre à chaque observateur et sa ligne d’univers.

Le deuxième point à vérifier alors est de voir si nous sommes un tel observateur fondamental, c’est-à-dire si nous sommes au repos par rapport à la distribution de matière moyenne, au repos ou au moins se déplaçant à une vitesse faible devant celle de la lumière par rapport à ce dit observateur. Actuellement, il semble que nous soyons effectivement au repos ou presque, au moins par rapport au fond diffus cosmologique : notre mouvement résiduel produirait des écarts dans les observations inférieurs à 0,3%. Si ce n’était pas le cas, rien ne serait perdu mais il faudrait appliquer des corrections relativistes, ce qui ajouterait un niveau d’approximation.

Singularité :

Si on bâtit un modèle d’univers homogène et isotrope (pour commencer), il peut avoir une forme globale sphérique (et dans ce cas il est fini), plate ou hyperbolique (il est alors infini dans ces deux cas). Avec notre modèle, si on fait tourner la machine, on arrive à une densité aussi grande qu’on veut quand on s’approche du point de temps cosmique nul, donc à une singularité quand t = 0, mais il s’agit d’une singularité dans la théorie et le modèle, pas dans la réalité, qui reste pour l’instant inaccessible à nos moyens observationnels.

La relativité générale seule ne peut pas décrire ce qui se passe à des densités aussi fortes, trop d’effets quantiques interviennent alors. Et la mécanique quantique qui n’intègre ni la gravitation ni l’espace-temps (même quand elle se dit relativiste) ne peut pas décrire non plus ce qui se passe.

Il est faux de dire que l’univers se réduit à un point lors du Big Bang : d’abord dans les modèles plats et hyperboliques, l’univers reste infini en taille quelle que soit la densité finie qu’il atteint tant que le temps cosmique reste supérieur à zéro. C’est le cas classique connu dès le lycée d’une fonction f(x)/g(x) où f et g tendent toutes deux vers 0 quand x tend vers une valeur x0. Ce 0/0 peut aussi bien signifier 0, une valeur finie non nulle, ou une valeur infinie, il faut détailler le comportement des fonctions f et g quand on approche de x0 pour en savoir plus et trancher.

La réalité est que nous ne savons pas décrire pour l’instant avec la RG et la MQ ce qui se passe quand nous nous approchons trop près du temps cosmique nul, il y a 13,8 milliards d’années.

Au delà de la singularité :

Mais certaines approches théoriques montrent déjà comment cette singularité pourra être supprimée. C’est le cas par exemple de la gravitation quantique à boucles. Dans cette théorie qui est encore en pleine construction, l’univers passe par une phase de dimension minimale, mais non nulle et le Big Bang devient le Big Bounce (le Grand Rebond) entre un univers en contraction et notre univers en expansion. Cela apparaît naturellement car la LQG (loop quantum gravity) quantifie l’espace et le temps, l’univers ne peut se réduire au-delà du volume élémentaire et le temps devient discret.

C’est dit très très vite et sur ce dernier point, je voulais écrire un article mais celui-là de David Louapre sera toujours mieux que ce que je pourrais faire. Je vous y renvoie : la gravité quantique à boucles.

Je vous renvoie aussi à l’ouvrage de Martin Bojowald, l’univers en rebond, (Albin-Michel, 2009 pour l’édition originale), qui est le premier à avoir appliqué la gravité quantique à boucles à la cosmologie et à celui de Carlo Rovelli, Par-delà le visible : la réalité du monde physique et la gravité quantique (Odile Jacob, 2015) – voir mon article sur ce livre : https://patricefaliph.wordpress.com/2015/04/23/par-dela-le-visible/.

On voit comment les approches scientifiques (théorie et observation) disqualifient les postures philosophiques et/ou théologiques. Cette approche empêche toute position figée, car demain le dogme peut être remis en cause par une expérience et n’en est donc plus un.

Suggestion : les penseurs philosophiques ou religieux devraient imaginer une philosophie ou une religion expérimentale.

Pour une présentation des découvertes scientifiques sur lesquelles  s’appuient les réflexions qui précèdent, je renvoie aussi aux articles de Science Étonnante (David Louapre), voir /le-rayonnement-cosmologique/ qui cite ses précédents articles sur ce sujet.

Note sur les unités astronomiques (tirée de Wikipédia) :

L’année-lumière (al) est la distance parcourue par la lumière en une année (à la vitesse d’environ 300 000 km/s, exactement 299 792, 458 km/s). Par exemple, Neptune est à 4 heures-lumière du soleil, la sonde Voyager 1 est déjà à 19,2 heures-lumière (0,0022 al = 138,8 UA) et au-delà de la ceinture de Kuiper, donc elle a quitté la zone d’influence électromagnétique du soleil. La limite gravitationnelle de l’influence du Soleil (limite extrême du système solaire en quelque sorte) est entre 1 à 2 al, c’est la position du nuage d’Oort. Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du Système solaire, se trouve à 4,22 al, la galaxie d’Andromède se situe à environ 2,5 millions al et le halo de la Voie lactée a un diamètre d’environ 100 000 al.

L’unité astronomique (UA) est une unité utilisée par les astronomes pour mesurer les distances à l’intérieur des systèmes planétaires. Elle correspond historiquement à la distance moyenne Terre-Soleil soit environ 150 millions de kilomètres. Plus précisément : 1 UA = 149 597 870,700 km = 15,812 × 10−6 al = 4,8481 × 10−6 pc.

Le parsec (pc) vaut (648 000 / π) UA = 3,26 al et est utilisé pour mesurer les distances entre étoiles par les astronomes, plutôt que l’al qui reste confinée aux articles de vulgarisation.

Accompagnement musical : dans les étoiles noires

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