L’état de l’Univers au passé, présent et futur

Illustration par Emile Parent

17 juin 2021 — Ariane Bussières-Fournel

Interstellaire, Gravité, et 2001, l’Odyssée de l’espace sont quelques œuvres témoignant de notre fascination concernant la cosmologie, notre place dans l’Univers et notre compréhension de celui-ci. Si la physique offre quelques pistes de réflexion concernant la création de l’Univers, elle permet aussi d’imaginer le destin de celui-ci. Ce texte fait un tour d’horizon de l’existence en trois temps. D’abord, nous aborderons la création de l’univers selon la théorie du Big Bang et celle du rebond. Ensuite, il sera question des découvertes et des projets de recherche d’actualité, tels que le lancement d’Euclid en 2022 et les retombées de la découverte de GN-z11, en 2016. Nous terminerons par une présentation du destin possible de l’Univers.

La théorie du Big Bang stipule que l’Univers a connu cinq ères. Dans la première, l’Ère de Planck, le Big Bang survient, soit l’apparition simultanée de l’espace-temps, en tout lieu au même moment. Cette apparition est accompagnée de l’apparition de la gravitation quantique. La seconde période, l’Ère d’Unification, est celle où les particules virtuelles apparaissent (en accord avec le principe d’incertitude d’Heisenberg). Selon le modèle standard des particules, les quatre interactions fondamentales (force gravitationnelle, forte, faible et électromagnétique) résultent de l’échange de particules virtuelles. S’ensuit l’Ère de la matière et de la lumière, une période de croissance exponentielle due à une fluctuation quantique, phénomène que l’on nomme l’inflation cosmologique. À ce sujet, il existe une alternative à la théorie de l’inflation: « Des modèles envisagent que l’Univers ait subi par le passé une phase de contraction et ait ensuite rebondi sur lui-même, débutant la phase dite d’expansion que nous connaissons aujourd’hui. Ces alternatives aux modèles d’inflation  permettent d’éviter l’écueil dit de la singularité initiale, mais ne sont pas exemptes de problèmes. De surcroît, ces phases de rebond nécessitent de réviser les fondements de la mécanique quantique, afin que cette physique de l’infiniment petit soit applicable à l’Univers dans son ensemble. »1

Bien que cette théorie soit intéressante, le Big Bang demeure le modèle cosmologique standard. La troisième ère se poursuit donc par l’énergie se condensant en matière. Par la force forte, les quarks s’assemblent en protons et en neutrons, qui s’assemblent à leur tour pour former des noyaux d’hélium. Voici l’état de l’Univers 3 minutes après son apparition. L’univers se refroidit,  l’agitation thermique de la matière diminue, ce qui permet aux électrons de s’assembler aux noyaux par la force électromagnétique. Il y a dorénavant des atomes, et les photons peuvent se déplacer librement. L’Univers célèbre ses 380 000 ans et il y a de la lumière, celle du rayonnement de fond cosmologique. La quatrième période est l’Ère des structures, telles que les étoiles, les galaxies, les amas et les superamas, façonnés par la matière noire qui représente 80% du fond diffus cosmologique2. La création de l’Univers tel qu’on le connait se conclut par l’Ère de l’énergie sombre. Cette énergie a un effet répulsif et est associée à la constante cosmologique. Un projet est actuellement en branle afin d’en apprendre davantage sur cette énergie.

En effet, l’Agence spatiale européenne lancera le satellite Euclid en 20223. Cette mission d’astronomie et d’astrophysique de classe moyenne du programme scientifique Cosmic Vision 2015-2025 a pour objectif d’étudier « l’histoire de l’expansion de notre Univers au cours des 10 derniers milliards d’années, en examinant l’accélération actuelle de l’expansion cosmique alimentée par une composante mystérieuse appelée énergie noire et la croissance des structures cosmiques entraînées par la présence de matière noire. »4  Ainsi, le satellite récoltera des données sur les galaxies à différentes distances de la Terre. Cette cartographie de la sphère céleste pourrait servir de démonstration à l’hypothèse de Tommi Tenkanen. Le chercheur de l’Université Johns Hopkins pense que la matière noire est née durant une période d’inflation cosmologique antérieure au Big Bang. En effet, si les particules de matière noire étaient un résultat du Big Bang, des traces de celle-ci auraient été observées de la même manière que la matière ordinaire. Bien que cette idée ne soit pas nouvelle, Tommi Tenkanen est le premier à en proposer un modèle mathématique simple et la mission Euclid pourrait renforcer la thèse, puisque la distribution des galaxies est une conséquence de l’inflation, donc en corrélation avec la matière noire. Une seconde découverte et une réalisation technologique récente pourraient aussi nous révéler de précieuses informations : GN-z11 et le télescope spatial James Webb. GN-z11 est la plus lointaine et la plus vieille galaxie observée à ce jour. Débusquée en 2016 par le télescope Hubble, cette petite galaxie est 25 fois plus petite et 100 fois moins brillante que la Voie lactée5. Elle est située à 13,4 milliards d’années-lumière de nous (soit environ 100 000 milliards de milliards de kilomètres6), nous la voyons donc telle qu’elle était 400 millions d’années après le Big Bang, ce qui signifie qu’elle est apparue très peu de temps après le début de l’Univers. Le lancement du télescope James Webb le 21 octobre 2021 permettra, entre autres, d’étudier cette galaxie et de « dresser un portrait fascinant de l’aube de l’Univers »7. Ainsi, la nouvelle génération de télescope à système infrarouge, dont fait partie Webb, permettra d’observer l’évolution des galaxies dans le temps, de découvrir de nouvelles exoplanètes et à en apprendre davantage sur le cycle de vie des étoiles. Bref, nous pourrons voir plus loin, donc remonter plus loin dans le temps et dans l’histoire de l’Univers.

Parlant d’histoire, voyons celle à l’origine du concept de l’expansion de l’univers et de la constante cosmologique. En 1915, Einstein publie la théorie de la Relativité générale. En 1922, Alexander Friedman propose une théorie selon laquelle l’Univers est peut-être en expansion ou en contraction. Ne pouvant admettre que l’Univers n’est pas statique, Einstein ajoute un terme à son équation afin de contrebalancer l’effet de la gravitation et de stabiliser l’évolution du cosmos. Pourtant, en 1927, la solution de Friedman est secondée par Georges Lemaître qui suggère une solution des équations qui prédit que l’Univers est issu d’un atome primordial qui a subi une expansion. En 1929, les observations d’Edwin Hubble confirment l’hypothèse de l’augmentation de la vitesse de récession des galaxies en fonction de leur distance. La constante cosmologique qu’Einstein avait retirée de son équation, reconnaissant s’être trompé, est réintroduite lorsqu’on découvre que l’expansion de l’Univers s’accélère. Plusieurs destins sont envisageables dans le cadre de l’expansion de l’Univers. Le premier cas de figure est le Grand refroidissement, où l’expansion continue à un rythme constant, le volume augmente, la température diminue et tout se décompose en particules élémentaires se mélangeant avec la lumière. L’avenir de l’Univers pourrait se solder par un Grand déchirement, situation dans laquelle l’expansion accélère, les particules fondamentales se décomposent et l’espace-temps s’étire d’une façon extrême, puis se déchire. L’hypothèse suivante est le Grand effondrement, soit celle d’un monde cyclique. Dans ce cas, l’expansion ralentit et s’inverse. La matière se concentre dans un volume de plus en plus petit et la densité d’énergie augmente radicalement. L’Univers pourrait alors disparaître et subir une autre inflation cosmologique, un nouveau Big Bang, etc. Finalement, une Grande aspiration8 pourrait se révéler être le destin de l’Univers. Dans ce scénario, l’Univers est composé de mondes multiples aux lois de la physique différentes. Quand deux de ces bulles, nommées vide différent, se rencontrent, celle dont le vide est plus stable prend le dessus sur l’autre et pulvérise sa voisine.

Pour conclure, nous avons vu que la création de l’Univers pourrait être le résultat du Big Bang ou de nouvelles théories, telle que celle du rebond et que son destin est tout aussi incertain, bien que nous posions nombre d’hypothèses. Nous continuons donc de faire des recherches et d’innover pour en découvrir toujours plus sur l’état de l’Univers dans son ensemble, toutes époques confondues. Peut-être qu’un jour, la théorie des cordes, la gravitation quantique à boucles, la théorie du tout, l’univers ekpyrotique et les particules de branes s’uniront pour révéler l’essence de notre Univers, dans un joyeux mélange de lois et d’équations.

Sources :

Vidéos

CEA Recherche (2017), (Histoire des sciences)L’histoire de l’univers selon le modèle du Big Bang , Youtube, consulté le 28 avril 2021.

Articles

DANINOS, IGNASSE, NICOT ET ROUAT (2021). « Voyage aux confins de l’Univers ». Sciences et Avenir (consulté sur Eureka), p. 24 à 29.

GUÉGUEN, Marie (2020). « C’est rassurant de modéliser l’évolution de l’Univers ». Sciences et Avenir (consulté sur Eureka),  p. 34,35.

PETER, Patrick (2020). « Du Big Bang au grand rebond ». La Recherche – Hors-série, no. 563, p. 26.

(2020). “Accelerated expansion of the Universe in the presence of dark matter pressure”. Canadian Journal of Physics, Vol. 98, no 2, p. 210.

Sites web

CORNIOU, Marine (2019), La matière noire précède-t-elle le big bang?, Québec Science (quebecscience.qc.ca), consulté le 28 avril 2021.

DEVOS, Simon (2021), DOSSIER Des univers parallèles au-delà du système standard !, Science et Vie (https://www.science-et-vie.com), consulté le 28 avril 2021.

IKONICOFF, Roman (2020), Gravitation quantique : c’est peut-être le début de la fin de la crise cosmologique !, Science et Vie (https://www.science-et-vie.com), consulté le 28 avril 2021.

REY, Benoît (2020), Galaxies : ainsi s’est structuré le cosmos, Science et Vie (https://www.science-et-vie.com), consulté sur Eureka le 28 avril 2021.

SCIENCE&VIE (2021), DOSSIER Vers une nouvelle physique de haute précision, Science et Vie (https://www.science-et-vie.com), consulté le 28 avril 2021.

VEYRIERAS, Jean-Baptiste (2020), La crise du modèle cosmologique, Science et Vie (https://www.science-et-vie.com), consulté sur Eureka le 8 mars 2021.

(2019), Ce que le téléscope James Webb permettra d’observer, Agence spatiale canadienne (asc-csa.gc.ca), consulté le 28 avril 2021.

(2020), ESA – Arianespace and ESA announce the Euclid satellite’s launch contract for dark energy exploration, European Space Agency (https://www.esa.int), consulté le 28 avril 2021.


[1] PETER, Patrick (2020). « Du Big Bang au grand rebond ». La Recherche – Hors-série, no. 563, p. 26.

[2] CEA Recherche (2017), (Histoire des sciences)L’histoire de l’univers selon le modèle du Big Bang . Youtube. Consulté le 28 avril 2021.  

[3] CORNIOU, Marine (2019), La matière noire précède-t-elle le big bang?, Québec Science (quebecscience.qc.ca), consulté le 28 avril 2021.

[4] (2020), ESA – Arianespace and ESA announce the Euclid satellite’s launch contract for dark energy exploration, European Space Agency (https://www.esa.int), consulté le 28 avril 2021.

[5] REY, Benoît (2020), Galaxies : ainsi s’est structuré le cosmos, Science et Vie (site web), consulté sur Eureka le 28 avril 2021.

[6] DANINOS, IGNASSE, NICOT ET ROUAT (2021). « Voyage aux confins de l’Univers ». Sciences et Avenir (repéré à Eureka), p. 24 à 29.

[7] (2019), Ce que le téléscope James Webb permettra d’observer, Agence spatiale canadienne (asc-csa.gc.ca), consulté le 28 avril 2021.[8] VEYRIERAS, Jean-Baptiste (2020), La crise du modèle cosmologique, Science et Vie (site web), consulté sur Eureka le lundi 8 mars 2021.

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