Chapitre 5. La cosmologie – 2. L’évolution de l’univers

Théoriquement, à l’origine, l’univers n’est qu’un point puis ce point connaît une expansion formidable.

a. Comment approcher les conditions originelles ?

Nous disposons en réalité de deux moyens d’observation : la physique des particules et l’observation du ciel. On commence (depuis 2016-2017) en avoir un troisième : la détection d'ondes gravitationnelles dues à la grande inflation qui nous permettra de "voir" plus loin que ce que la lumière nous permet d'observer aujourd'hui.* Mais, si l'on est parvenu à détecter de telles ondes (au moyen de l'interféromètre LIGO) elles ne proviennent pour le moment que d'objets largement postérieurs à la grande inflation (la fusion de trous noirs).

*Notons tout de même que nous avons accès, grâce au rayonnement ultraviolet, à un élément qui ne peut dater que des origines de l'univers, à une "époque" antérieure encore à l'apparition de la lumière (fond diffus cosmologique) au moment où le refroidissement dû à l'inflation, permet aux photons de cesser d'interagir avec la matière de sorte qu'ils peuvent enfin rayonner. Cet élément, c'est le deutérium (un isotope de l'hydrogène).

Certes, les étoiles en produisent mais, les conditions de température étant ce qu'elles sont, le détruisent aussitôt (dès un million de degrés). Celui qui est produit à l'origine (l'univers en est à un milliard de degrés de température), un deutérium cosmologique, donc, cesse d'être détruit du fait du refroidissement dû à l'expansion. Il aura fallu trois minutes pour produire ce deutérium primordial.

On est capable de recréer les conditions d’un univers primordial à petite échelle (le LHC, accélérateur de particules du CERN, par exemple pour les collisions de protons). On sait que le LHC, par exemple, a permis de vérifier l’existence du boson de Higgs qui confère leur masse aux particules. Toutefois, nous n’avons pas accès aux énergies considérables en jeu dans l’univers primordial.

Nos télescopes nous permettent sans doute de remonter vers les premiers temps de l’univers. On sait (fond diffus cosmologique) comment était l’univers 380 000 ans après le Big-bang. On sait (fond diffus infrarouge) comment était l’univers il y a 3 milliards d’années. Etc. 

Le télescope James Web, lancé fin décembre 2021, apporte une dimension qui échappait à Hubble : sa détection de l'infrarouge. La durée du parcours effectué par un photon (durée notée "z" et nommée redshift) est donnée par un facteur d'allongement de l'onde lumineuse (correspondant à la diminution de sa fréquence, de son énergie). Plus l'origine du photon est lointaine, plus sa longueur d'onde augmente avec le temps, c'est--à-dire l'espace parcouru (tire vers le rouge). Pour un z = 10, la longueur d'onde s'est multipliée 10 fois depuis son origine jusqu'à sa réception. Un télescope capable de lire dans l'infrarouge étend notre vision vers le passé. Avec Hubble, on pouvait remonter à 500 millions d'années après le Big-bang. On pense pouvoir remonter à 150 millions d'années avec James Web

Mais, les télescopes restent dépendants de la lumière qu’ils reçoivent et qui constitue l’information qu’ils nous apportent (d'où l'intérêt de la recherche d'une détection d'ondes gravitationnelles qui constitueraient une nouvelle source d'informations). Or, dans l’univers primordial, les photons, pris dans les collisions des particules, interagissant avec elles, ne parviennent pas à s’échapper (c’est le cas de la plupart des photons dans le magma solaire qui mettent plusieurs centaines de milliers d’années à parvenir à la surface alors qu'ils mettent  seulement 8 minutes pour atteindre la Terre). 380 000 ans après le Big-bang, l’univers s’est considérablement refroidi, les atomes se sont formés et les photons ont été libérés. Ce sont ces photons qui constituent le fond diffus cosmologique observé par les télescopes (notamment les satellites COBE, WMAP et PLANCK). Mais avant cela il n’y a rien qu’on puisse « voir », excepté le deutérium..

Toutefois, le rayonnement fossile garde l’empreinte de ce qui s’est passé avant lui. Empreinte à partir de laquelle, jusqu’au mur de Plank, on peut tenter de reconstituer les événements.

Qu’est-ce que ce mur de Planck ? l’interaction gravitationnelle, seule en jeu dans le modèle relativiste, n’est pas la seule force physique dans l’univers. Existent aussi la force électromagnétique et surtout l’interaction forte (qui maintient ensemble les composants d’un noyau atomique) et l’interaction faible (responsable  de la radioactivité Bêta) à l’œuvre au niveau des particules. Or, en remontant vers la singularité initiale, l’univers rencontre des conditions physiques où interviennent ces interactions dont la relativité générale (à l’origine, rappelons-le, de l’hypothèse du Big-bang) ne peut rendre compte (elle ne concerne que l’interaction gravitationnelle).

Pour décrire cet univers « primordial » on a besoin d’une théorie capable d’unifier la relativité générale et la mécanique quantique c’est-à-dire de rendre compte en même temps des quatre types d’interactions.

Le moment où les équations de la relativité générale deviennent inadaptées pour rendre compte de la réalité où les quatre forces étaient unifiées (dans ce qu’on nomme la superforce), a été nommé « mur de Planck » (intervenu 10^-43 seconde après l’instant zéro). Ce « mur » est un moment en deçà duquel une description doit intégrer toutes les interactions.

Le moment où l’univers se refroidit « suffisamment » pour que l’interaction gravitationnelle soit seule en jeu (moment qui a duré quelques fractions de seconde), de ce moment on n’a pas d’expérience. Seulement des théories qui le décrivent.
De ce qui est en amont du mur de Planck on ne peut rien dire. Donc on ne peut parler ni d’une singularité, ni d’une origine, ni d’un instant zéro.

b. La grande inflation

 

10^-43 seconde est la limite au-delà de laquelle, donc, notre science n’a pas accès. C’est le mur de Planck. A ce moment, l’univers a un rayon de 10^-33 cm et atteint une température 10³² k. Jusque là, l’univers est soumis à la superforce (qui unifie les 4 forces). A ce moment, la force gravitationnelle se sépare des trois autres (les forces électronucléaires) pour ne plus jouer de rôle dans l’univers quantique. C'est la grande unification (GUT). La matière n’existe pas encore. Il existe un vide quantique soumis à de nombreuses fluctuations : apparition et annihilation de particules et d’antiparticules virtuelles se déplaçant à la vitesse de la lumière.

Durant l'ère de la grande unification, le champ de Higgs possède une valeur nulle dans le vide. Tous les bosons (même les W et Z) sont dépourvus de masse.

[Les expériences du CERN qui amènent en 1983 à la découverte des bosons W et Z montrent l'unification des forces faible et électromagnétique à très haute énergie. A ces niveaux d'énergie (de l'ordre 1 600 milliards de degrés C), les deux forces agissent à intensité égale. Les deux interactions se confondent en une interaction électrofaible. Et comme à mesure que l'énergie augmente on constate que l'intensité de la force forte diminue, on peut penser qu'à des niveaux incomparablement supérieurs (de l'ordre de 10²⁸), la force forte agit à une intensité équivalente à celle des deux autres forces. Energie qui a dû être celle de l'univers primordial, 10 à 30 secondes après le Big-bang].

[Reprenons les choses à l'envers. Comment la force électrofaible donne-t-elle naissance aux deux forces : électromagnétique et faible ? On va voir qu'à 10^-12 seconde la température diminuant, une brisure de symétrie a lieu du fait de l'activation du champ de Higgs qui prend, dans le vide, une valeur non nulle. A ce moment, les bosons W et Z, responsables de l'interaction faible, reçoivent une masse tandis que le photon, responsable de l'interaction électromagnétique, n'en reçoit pas. La portée des deux interactions cesse tout à coup d'être la même : faible pour les premiers, infinie pour le second].

A 10^-35 seconde après le Big-bang, l’espace se dilate 10³⁰ à 10¹⁰⁰ fois en 10^-32 seconde. L’univers se refroidit d’un facteur 10 000 et sa température est alors de 10²⁸ k.

A ce moment se crée un faux vide qui fonctionne comme la surfusion dans le cas de l’eau.

Rappelons de quoi il s’agit : l’eau liquide possède plus de symétrie que l’eau en glace. Cette dernière est orientée selon l’axe des cristaux. La première (imaginons-la sphérique) reste identique quel que soit l’axe autour duquel on tourne. Quand l’eau gèle on assiste à une brisure spontanée de symétrie. Il existe une température critique (0°C) en deçà de laquelle cette brisure a lieu. La structure des cristaux qui se sont formés fait que le paysage change quand on tourne autour d'un axe. La surfusion est un état dans lequel une eau pure peut ne pas geler tout en descendant au-dessous de zéro. Lorsqu’une perturbation quelconque survient, elle gèle brusquement et libère une chaleur latente de fusion. Ainsi l'eau pure dans les nuages ne devient grêle ou neige que parce que des poussières ou des bactéries importées par l'évaporation vont occasionner une rupture de symétrie. Dans le domaine cosmologique, la brisure de symétrie concerne le passage du faux vide (haut niveau d’énergie) à celui du « vrai » vide (niveau fondamental d’énergie, c’est-à-dire niveau le plus bas). Dans ce passage, cette transition de phase, l’unification des interactions est détruite : la force forte se sépare de la force électrofaible. La brisure de symétrie libère alors une énergie formidable qui accélère l’expansion de façon exponentielle.

La Relativité définit la force gravitationnelle à partir de la densité  p (en g/cm³) et de trois fois la pression P ( p + 3P/c²). Cette pression est positive et ordinairement 3P/c² est négligeable par rapport à p. Mais, il existe une relation telle que P = -p.c² où, par conséquent, la pression est négative de sorte que la force gravitationnelle devient répulsive. Le faux vide est fait de cette pression négative. Lorsque à un moment donné, la densité d’énergie potentielle devient très largement  inférieure à la pression négative, une inflation colossale se produit.

Il est clair ici que c’est l’espace lui-même qui se dilate, puisque la vitesse de dilatation est considérablement supérieure à celle de la lumière et que rien (hormis l’espace) ne peut dépasser cette vitesse.

A 10^-32 seconde c’est la fin de l’inflation et le début de l’expansion. La température de l’univers est de 10²⁵ k. Apparaissent alors les quarks et les anti-quarks qui lors de leurs annihilations émettent des photons.

Une brisure de symétrie a lieu qui donne un excédent de matière (1 quark de plus pour 1 milliard d’anti-quark) sans lequel l’univers ne serait que lumière.

L’univers est alors une soupe primordiale de quarks, d’anti-quarks et de gluons. Ce plama (Quark-Gluon Plasma ou encore Quagma) qui se comporte comme un liquide parait, sans viscosité, en rotation à des vitesses faramineuses de 10^7 rotations par seconde, a été, depuis au moins 20 ans, étudié en laboratoire. Hadrons, pions, protons se forment une fois le magma refroidi comme autant de gouttes d'un liquide visqueux.
Il faut préciser ce qu’est une brisure spontanée de symétrie. Toute la physique classique s’est construite sur des objets qui invoquent la symétrie. Un espace homogène (comme celui d’Euclide et de Newton) est un espace symétrique, c’est-à-dire  où chaque point équivaut à chaque autre de sorte qu’une loi physique s’applique de la même manière en tout point de l’espace. La symétrie est donc, en physique, la capacité à rester insensible à certaines transformations (changement de coordonnées, de vitesse, de phase, d’énergie, etc.).

La mécanique quantique, par exemple, est confrontée à une brisure de symétrie lorsqu’elle constate que,  bien que les bosons doivent avoir une masse nulle (c’est le cas pour le photon et le gluon), les bosons intermédiaires (w+, w- et z) ont une masse qui ne l’est pas. Le mécanisme de Higgs a pour fonction d’expliquer cette brisure. La valeur du champ de Higgs à haute température est nulle et toutes les particules sont dépourvues de masse. Quand la température refroidit, le champ prend des valeurs positives et certaines particules qui interagissent avec lui se voient freinées et, du coup, dotées d’une masse.

On relève de telles brisures spontanées de symétrie dans le monde ordinaire par exemple dans les phénomènes d’aimantation. A haute température, les spins des noyaux des particules formées par le champ s’en vont dans tous les sens. Résultat : la résultante de l’aimantation est nulle. Si on abaisse la température tous les spins se mettent à aller dans le même sens et une aimantation macroscopique apparaît : il y a eu brisure de symétrie. Mais la direction prise par cette aimantation est complètement aléatoire : il y a eu brisure spontanée de symétrie La spontanéité de la brisure de symétrie réside dans le caractère aléatoire de la direction « choisie » par les spins.

 Température > température critique  Température < température critique

La brisure spontanée de symétrie dont il est question à 10^-32 s rend compte du fait que l’univers matériel existe. Dans l’univers primordial la symétrie veut qu’il y ait autant d’anti-matière que de matière. Or, il y a finalement plus de matière que d’anti-matière (sinon l’univers se serait annihilé). Quand les deux « réservoirs » se sont mutuellement annihilés, il est resté un excédent de quarks.
On ne sait pas pourquoi il reste plus de matière que d’antimatière. Les mesures concernant la masse du proton, réalisées autour de juillet 2017, on fait apparaître que celle-ci est en réalité inférieure (de 1/30 milliardième de pour cent) à ce qu’on prévoyait (1,00727646466583 unité atomique). On pense que si cette découverte venait à être confirmée, elle pourrait être utile à la compréhension du triomphe de la matière sur l’antimatière.

A 10^-12 seconde,  l’univers fait 300 millions de km de diamètre. Sa température est de 10¹⁵ k. La force faible se sépare de la force électromagnétique (voir plus haut). Les leptons (électrons, tau, muons et neutrinos associés) apparaissent (avec leurs anti-particules, évidemment)..

A 10^-6 seconde a lieu l’apparition des hadrons (protons, neutrons, mésons) dans un univers de 10 milliards de km de diamètre et de température 10¹³ k. Effet de ce refroidissement, le ralentissement des quarks qui s’agglomèrent en hadrons tenus confinés par les gluons qu’ils échangent. Apparaissent donc les baryons (composés de 3 quarks : protons, neutrons) et les mésons (composés d’un quark et d’un anti-quark). Baryons et anti-baryons s’annihilent. Les anti-quarks disparaissent. Seuls des protons et des neutrons subsistent. Quand la température est à 10¹² k  c’est la fin de la production des particules.

A 10^-4 seconde,  on est à 10¹² k de température, leptons (électrons et neutrinos) et anti-leptons s’annihilent. Subsistent quelques leptons. Nouvelle brisure de symétrie. Toute l’anti-matière a disparu de l’univers. Mais la température est encore trop élevée pour la production des atomes.

A 10^-2 seconde, le photon se désintègre en couple électron-positon. Les neutrons peuvent se transformer en protons et inversement (radioactivité bêta)

A 1 seconde, le nombre de protons est 5 fois supérieur à celui des neutrons.

 

Note :

La grande inflation est une hypothèse qui n'est pas sans alternative. Jason Laurie et Sergey Nazarenko, après Sébastien Galtier, s'inspirant des recherches de la mécanique des fluides, imaginent la possibilité, à l'origine de l'univers, pour des ondes gravitationnelles engendrées par des collisions de mini trous noirs primordiaux, de se comporter comme le font les fluides, manifestant de la turbulence. L'espace-temps qui suit le Big-bang aurait été un espace turbulent suffisant à produire un phénomène similaire à l'inflation postulée jusque-là (2020, date de l'article publié par Laurie et Nazarenko).

c. Variante : La théorie des multivers. Alan Guth, revenant au faux vide responsable de la grande inflation, considère que, dans ce vide, des bulles de vrai vide ont dû se former, emplies de pression positive. Le phénomène est comparable à celui du surchauffement qui fait qu'une eau pure ne bout pas à 100° C (comme dans le cas de la surfusion où l'eau ne gène pas à 0°C) mais qui est telle que la moindre perturbation amène à la formation brutale de bulles "explosives".
Cette différence de pression entre les deux vides a permis aux bulles de vrai vide de gonfler à très grande vitesse. L’une de ces bulles contenait notre univers.

Andreï Dmitrievitch Linde et Alexandre Vilenkin pensent, quant à eux, que si l’inflation s’est terminée  dans certaines régions (comme la nôtre) elle se poursuit ailleurs. De nouveaux big-bang ont lieu continuellement faisant naître de nouveaux univers.

Au moment de l’inflation, chaque bulle qui s’est développée a formé son univers, chacun obéissant à ses propres lois, avec ses propres constantes, etc. et chacun se développe indépendamment de chaque autre.

L’hypothèse de l’énergie noire (voir plus loin) pour rendre compte de l’expansion de l’univers se prête à un renforcement de cette hypothèse. L’énergie noire correspond à une force répulsive de l’ordre de 0,1.10¹²². Il suffit d’enlever 2 ou 3 zéros pour que l’expansion soit si rapide que la matière n’ait même pas le temps de s’organiser en étoiles ou galaxies. Chaque valeur prise par cette énergie noire pourrait correspondre à un univers différent.

En outre, la théorie des cordes (voir plus loin) conçoit des dimensions spatiales qui peuvent aller jusqu’à 10⁵⁰⁰ au lieu des 3 auxquelles nous sommes accoutumés. Or, chacune des solutions envisagées correspondrait à un univers où l’énergie noire prendrait une des valeurs particulières.

Toutefois, le modèle du multivers demeure à ce jour intégralement théorique.

Reste à savoir comment, les atomes étant maintenant créés, la matière a pu s’organiser. Reste à expliquer la formation des corps (étoiles, galaxies, amas de galaxies).et l’expansion de l’univers.