HISTOIRES D'UNIVERS
Au commencement, le noir absolu...
 L’univers primordial aurait commencé son existence par une énorme explosion, le Big Bang, qui se serait produite il y a 15 milliards d’années. Cette explosion aurait marqué le début d’une expansion qui continue aujourd’hui. Cependant l’image de l’explosion n’est pas très appropriée pour décrire le “Big bang”. Contrairement à une explosion qui part d’un lieu bien défini vers un milieu pré-existant, l’explosion du Big bang est en tous point de l’espace, n’ayant ni centre ni bord mais créant l’espace et le temps. Juste après le Big bang , dans un milieu hyperdense (1 millième de cm de diamètre) et hyperchaud (10 suivie de 32 zéro °C) c’est le noir absolu. En effet la lumière et la matière sont intimement liées, empêchant les photons de la lumière de s’échapper.
Puis la lumière fût...
 300 000 ans après le Big bang, profitant d’une baisse de la température (10 000°C), la lumière et la matière se dissocient. Les premiers photons de la lumière s’échappent dans l’espace à la vitesse de
300 000 Km/s. C’est la toute première lumière de l’univers, appelée aussi rayonnement fossile, qui nous parvient aujourd’hui refroidi à 3K (-271°C) après un voyage de 15 milliards d’années
Un univers en expansion continue...
Depuis le Big bang, l‘univers est en expansion , c’est à dire que l’espace dans son ensemble “gonfle”, éloignant du même coup les galaxies les unes des autres. L’univers ne grandit pas en “créant de l’espace” mais plutôt en le dilatant. Pour savoir de quelle manière l’univers évolue et évoluera, il faut connaître un paramètre important: la densité de l’univers, c’est à dire la quantité de matière contenue dans l’univers(c'est la matière qui provoque l'expansion). Suivant ce facteur, l’univers peut avoir 3 visages différents:
- - l’univers fermé: une masse totale trop importante donne la part belle à la gravité et
- conduit à un ralentissement de l’expansion, puis à une contraction, suivie d’un
- effondrement en un point: le Big crunch
- - l’univers ouvert: A l’inverse une masse trop faible entraîne une accélération continue
- et éternelle de l’expansion . Cet univers est le plus abstrait des 3 car personne ne sait
- trop comment décrire un espace-temps hyperbolique
- - l’univers euclidien (plat): Si par contre la masse total de l’univers est égale à la
- densité critique alors l’expansion ralentit sans cesse, mais sans jamais s’arrêter. Il est
- lui aussi éternel. C’est le plus simple à imaginer puisqu’il suffit de projeter à l’infini les
- 3 dimensions de l’espace :la hauteur, la largeur et la profondeur.
Un univers plat...
C’est en analysant les infimes fluctuations du rayonnement fossile (la 1ère lumière de l’univers) en l’an 2000 que les scientifiques, dans leur majorité sont maintenant convaincus que nous vivons dans un univers “plat”. Cela ne veut pas dire qu’il ressemble à une crêpe, mais que son volume sur une grande échelle (à l’échelle de l’univers) n’est pas courbé. De plus sans ces légères “rides”, qui correspondent à des variations de densité de matière à cette époque lointaine, les atomes seraient restés uniformément répartis dans l’espace en expansion. Ils ne se seraient jamais condensés sous l’effet de la gravitation pour former des nuages de gaz puis donner naissance aux galaxies, aux planètes et aux êtres vivants....
Le vide ce n’est pas rien!
Si l’on se tient au scénario classique d’un univers euclidien (plat), l’expansion devrait donc se ralentir lentement sans jamais s’arrêter (voir chapitre ci dessus). Mais ce n’est pas aussi simple car il pourrait exister une énergie plus inattendue qui contrebalancerait la gravitation. Il est possible que le vide de l’espace à lui tout seul corresponde à 70 % de la densité de l’univers. Il ne faut pas confondre le vide et le néant. Le vide c'est de l'espace où le temps existe et c'est déjà beaucoup, le néant, par définition, n'existe pas car quelque chose sans espace ni temps ne peut exister. L’énergie du vide serait le résultat d’interactions entre des particules virtuelles. C’est à dire inobservables, car disparaissant aussi vite qu’elles étaient venues mais possédant cependant une masse. Dès lors, le vide “parfait” n’existe pas : il est le siège d’un bouillonnement de ces mêmes particules virtuelles qui lui confèrent une certaine énergie. Ainsi grâce à cette nouvelle donnée on peut alors dire que si l’on considère que l’univers à 15 milliards d’années, pendant les 9 premiers milliards d’années la gravité a dominé et l’expansion s’est ralentie puis à mesure que le vide grandissait, la force répulsive a pris le dessus et la décélération a laissé place à une accélération qui se poursuit maintenant depuis 6 milliards d’années.
Les limites de l'univers
La physique a certaines limites infranchissables comme la vitesse ou la température. Ainsi, il n'est pas possible d'atteindre des températures inférieures à -273,13°C ou de dépasser la vitesse de la lumière de 300 000 Km/s. La seul façon d'expliquer cela, c'est d'affirmer que ces bornes ne peuvent être dépassées car elles ne peuvent être atteintes! Ce sont en fait des limites qu'on peut indéfiniment s'en approcher sans jamais les atteindre.
Le temps compté à rebours se voit aussi imposer une limite: le Big bang. On peut remonter le temps indéfiniment à quelques millièmes de secondes après le Big bang mais on ne saura jamais ce qui c'est passé au temps 0 de l'univers. On peut dire que d'une certaine manière, l'univers a toujours existé et ce qui a occasionné l'expansion n'a jamais eu lieu car le temps n'existait pas encore.
Voir loin dans l'univers, c'est voir loin dans le passé
L'expansion de l'univers et la vitesse finie de la lumière (300 000 Km/s) entraînent quelques effets assez surprenants. Lorsque l'on regarde le soleil, nous le voyons tel qu'il était il y a 8 minutes, le temps que les rayons lumineux atteignent la terre. La galaxie la plus proche, Andromède, se trouve à 2 millions d'années-lumière, nous la voyons donc telle qu'elle était il y a 2 millions d'années. Lorsque l'on regarde encore plus loin dans le cosmos, on est confronté à un problème: la lumière a mis tellement de temps à nous parvenir que l'astre émetteur a depuis bien changé et qu'il ne se trouve plus à l'endroit que l'on voit dans le ciel. Ainsi prenons le cas d'une lumière d'une galaxie qui a mis 14 milliards d'années à nous rejoindre, on ne peut pas en conclure qu'elle se trouve aujourd'hui à 14 milliards d'années-lumière de nous. La lumière qui a été émise 1 milliard d'année après le big bang , se trouvait à 4,5 années-lumière de l'endroit où allait se former le soleil. Mais emportée par l'expansion de l'univers, 14 milliards d'années plus tard, c'est à dire aujourd'hui elle se situe à 26 milliards d'années-lumière de nous. Enfin si elle existe encore!
La lumière la plus vieille qu'on ait capturée nous révèle l'univers tel qu'il était à peine 300 000 ans après sa naissance. Il s'agit du rayonnement fossile (la première lumière de l'univers). A cette époque, tous l'univers était baigné par cette lumière. La source lumineuse originaire du rayonnement fossile que l'on capte aujourd'hui tout autour de la terre se trouvait seulement à 30 millions d'années-lumière de l'endroit où allait apparaître la terre. Et pourtant son rayonnement a mis presque 15 milliards d'années à nous parvenir et elle se trouve actuellement à environ 35 milliards d'années-lumière de nous! Cela s'explique par le phénomène d'expansion de l'univers et qu'il n'a pas été constant au cours de son histoire. Au début de l'ère cosmique, le taux d'expansion était très élevé, à tel point qu'il allait "plus vite que la lumière": au lieu de se rapprocher, la lumière qui pourtant avançait à 300 000 Km/s, s'éloignait emportée par la dilatation de l'espace. L'expansion s'est considérablement ralentit depuis même si maintenant nous sommes dans une phase de ré accélération(voir article sur le vide). Ainsi le fait qu'un rayon de lumière ait voyagé plus longtemps qu'un autre pour nous atteindre ne signifie pas nécessairement qu'il soit parti d'une plus grande distance. Tous dépend du moment d'émission.
On peut dire alors que lorsque l'on regarde l'univers, nous voyons qu'une illusion remplie d'anachronisme. Nous voyons en même temps des évènements qui se sont produit à des époques différentes: de 300 000 ans après le big bang à aujourd'hui.
Représentation de l'univers en deux dimensions: une dimension d'espace(de gauche à droite), et une dimension de temps(de haut en bas).
NB:Le temps et les distances sont donnés à titre indicatif, ils varient suivant le modèle d'univers choisi.
Légende
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La ligne verte du milieu représente la position de la terre(ou l'endroit où naîtra la terre) |
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évènements passés qui sont visibles aujourd'hui |
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évènements passés déjà vus sur terre |
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évènements passés qui seront visibles dans l'avenir |
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position de la source lumineuse émettrice du rayonnement fossile 300 000 ans après le big bang à 0,03 a-l de l'endroit où naîtra la terre |
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zone de l'univers dont on a jamais pu voir le moindre évènements s'y produire et ce depuis la "nuit des temps" |
le parcours de sa lumière est indiqué par la flèche jaune |
Pour bien comprendre le schéma
Il faut considérer qu'une seule dimension d'espace, c'est à dire une ligne droite partant de la terre vers les profondeurs de l'espace. Ainsi, l'univers d'aujourd'hui est représenté par la ligne blanche du bas. Seulement par le fait que la lumière a une vitesse finie, nous ne voyons que des évènements qui se sont produit dans le passé(ligne rose). Cependant cette ligne rose n'est pas droite comme on serait tenté de le penser car il faut prendre en compte un autre phénomène: l'expansion de l'univers. Si la vitesse de la lumière est toujours la même(300 000 Km/s), elle avancent plus ou moins vite vers la terre suivant le taux de dilatation de l'espace.Celui-ci n'a pas été le même au cours de l'histoire cosmologique. Après le big bang, l'expansion était si importante que l'espace grandissait plus vite que la lumière. Ainsi une lumière émise relativement proche à cette époque de dilatation intense (par exemple à 0,03 milliard d'année-lumière) arriverait en même temps qu'une lumière émise 1 milliard d'année plus tard et beaucoup plus loin de la future terre(environ à 4,5 milliards d'années-lumière).
Quel avenir pour l’univers?
Même si l’univers est en expansion accélérée, les dix prochains milliards d’années seront l’ère des rencontres galactiques: les galaxies proches “tomberont “ les unes sur les autres. De nos jours, quand deux galaxies fusionnent, il ne se passe pas grand chose du coté des étoiles, tant elles sont espacées pour entrer en collision. Par contre, la rencontre des nuages de gaz de chacune des galaxies génère de nouvelles étoiles. Au bout d'un certain temps le taux de formation stellaire ne cessera de baisser parce qu'il y aura de moins en moins de matière disponible pour former de nouvelles étoiles.
Dans dix milliards d'années, les galaxies s'évaporeront à leur tour puis disparaîtront. Il ne restera alors que des restes d'étoiles errant dans les ténèbres accompagnées par-ci par là de gigantesques trous noirs
D'ici 10 30 années, quand la température de l'univers aura chutée suffisamment pour que les trous noirs soient plus chaud que lui, un faible rayonnement émanera d'eux et les videra peu à peu de leur substance. Le processus sera extrêmement long puisqu'il pourra prendre jusqu'à 1070 années
Il ne restera plus alors que les photons produits au cours de l'histoire de l'univers ainsi que les neutrinos, les électrons et leurs anti-particules dilués dans l'espace. Si l'expansion n'est pas trop importante, la charge positive des positrons et celle négative des électrons ne cesseront jamais de s'attirer quelle que soit la distance les séparant. Ainsi après 10116 années, chaque positron aura rencontré son électron. Des retrouvailles qui scelleront leur destruction mutuelle par annihilation matière-antimatière.
Il ne restera alors plus rien dans l'univers à part l'espace et le temps? Pas sur, la connaissance de la physique dans des conditions extrêmes a ses limites et l'univers peut réserver quelques surprises.
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