Histoire de l’univers – Partie 1 : Naissance et Topologie

JPP - Big Bang Cover - Pict

A la fin du 19e siècle, l’univers est considéré comme infini et statique, les étoiles ont toujours été là et elles sont éternelles.
Cependant, la mesure de la lumière des objets astronomiques lointains présente un décalage inexpliqué vers le rouge. Plus l’objet est éloigné, plus le décalage est important et ce dernier est constaté dans toutes les directions d’observation.

Il y eu consensus sur l’interprétation de ce décalage pour considérer qu’il correspondrait à un éloignement des objets à partir de notre position d’observateurs dans le système solaire.
Or, si les objets lointains s’éloignent de nous, et si l’on suppose que notre position est banalisée (la même chose serait observée en tout point de l’univers) cela signifie que l’univers entier « grossit » et que donc dans un passé lointain, il était beaucoup plus petit.

La théorie du Big Bang de la cosmologie fut élaborée à partir de cette donnée constatée sur la lumière des objets lointains. Une importante découverte fortuite effectuée en 1964 vint apporter une confirmation à cette théorie.

NAISSANCE DE L’UNIVERS
La théorie du Big Bang nous dit que l’univers a eu un début et qu’il aura probablement une fin.
A l’origine, l’univers était très comprimé (dense) et donc très chaud.
Puisque ce dernier est en expansion depuis son début, il se détend par dilatation de l’espace qu’il occupe, sa température et sa pression diminuent car l’énergie initiale se répartit dans un volume de plus en plus grand.

Le problème de l’instant zéro
Cette conception induit immédiatement une première question .
Comment l’univers que nous connaissons a t’il pu apparaitre à partir de rien ?
Au tout début, la température et donc la densité de l’univers étaient incroyablement élevées : plusieurs milliers de milliards de degrés !
Cependant, la connaissance que l’on peut avoir de cette période initiale s’arrête en deçà d’un certain seuil d’échelle.
Le premier centième de seconde nous est inconnu car les théories actuelles de la physique ne s’appliquent plus.
Il est de plus difficile d’imaginer un univers de taille nulle et de température infinie…
Il s’agit donc de l’une des limites de la connaissance scientifique.

L’expansion de l’univers
Pour la mesure des distances des objets lointains (amas de galaxies), la méthode utilisée est celle du décalage des raies spectrales vers le rouge.
Sans entrer dans des détails complexes, il a été remarqué que la lumière décomposée en « raies » (*) des objets astronomiques lointains présente un décalage global de ces dernières vers les grandes longueurs d’onde (couleur rouge).
Cette constatation est vraie quelque soit la direction d’observation.

Ce phénomène n’est autre que l’effet Doppler-Fizeau qui relie la vitesse relative d’un objet lumineux distant au point d’observation. Plus le décalage de sa lumière vers les grandes longueurs d’ondes est important, plus la vitesse d’éloignement est grande et donc plus la distance à l’observateur est grande également (**).

Les observations indiquent que plus les objets mesurés sont lointains, plus leur décalage est important.
Cela signifie que leur vitesse d’éloignement par rapport à nous est proportionnelle à leur distance, et donc que la taille de l’univers est en croissance permanente : c’est expansion.

(*) Ces raies caractérisent la composition chimique des objets lumineux
(**) Si le décalage de la lumière avait lieu dans l’autre sens (vers le bleu), alors cela signifierait que les objets distants se rapprochent du point d’observation (nous !)

Univers fini ou infini ?
Il n’est pas possible de déterminer si l’univers est fini ou pas car seule une partie de ce dernier est perceptible. Les objets lointains ne sont perçus qu’à partir du moment où leur lumière a eu le temps de parvenir jusqu’à nous.
Certains objets très éloignés envoient de la lumière dont le premier photon émis n’est pas encore arrivé jusqu’ici, ce dernier n’arrivera d’ailleurs peut être jamais à cause de l’expansion de l’univers.

Structure de l’univers à grande échelle
A partir des observations astronomiques à longues distances, la structure de l’univers à grande échelle a pu être déterminée. Cette dernière est de type alvéolaire avec des amas de matière (galaxies) qui entourent des zones vides approximativement sphériques.

Portion Univers 3D-2Fig.1 : Un « morceau » d’univers typique (cube d’environ 3 milliards d’années lumières de coté)

Sur la figure 1, on distingue de l’espace vide en bleu et de la matière en rouge constituée d’amas de galaxies.

Le post « 1000 Milliards de soleils » [1] détaille la question de la structure de l’univers.

Cependant, cette structure ne nous renseigne pas sur la forme générale de l’univers en entier, cette question relève d’une branche des mathématiques appelée « topologie ».

Pour qu’un objet lointain soit observable, les conditions suivantes doivent être réunies :
– cet objet émet de la lumière
– cette lumière a eu le temps de parvenir jusqu’ici
– la lumière peut se propager dans l’espace sans être interceptée (univers transparent)

Sphère d'univers observable 03Fig. 2 : La sphère d’univers visible depuis notre point d’observation

La figure 2 représente une vue en 3 dimensions d’espace de l’univers visible depuis notre position, la forme sphérique provient du fait que la vitesse de la lumière C est identique dans toutes les directions. Chaque seconde qui s’écoule fait apparaitre 300 000 km de profondeur supplémentaire, le rayon de la sphère augmente donc d’autant.
La frontière de l’univers observable depuis notre position se nomme « horizon cosmologique ».

TOPOLOGIE DE L’UNIVERS
Puisque nous ne percevons pas l’ensemble de l’univers, nous ne connaissons pas sa forme (topologie).
Depuis Euclide, nous pensons que nous évoluons dans un univers à 3 dimensions spatiales, la relativité d’Einstein a relié l’espace et le temps avec un modèle à 4 dimensions :
. 3 dimensions d’espace
. 1 dimension de temps

Relativité générale et courbure de l’espace/temps
La relativité générale dit aussi que la matière et l’énergie courbent l’espace, cela implique que l’univers n’est probablement pas Euclidien (*) et donc qu’il possède une courbure. On pourrait donc supposer que la topologie de l’univers entier pourrait être extrapolée par calcul à partir des observations locales.
Hélas comme on le verra, la matière et l’énergie détectables ne suffisent pas à expliquer la cohésion de l’univers, il y aurait entre 50 et 80% de masse « manquante ».
La courbure de l’espace à grande échelle a cependant été validée par l’expérience comme l’ont montré par exemple les effets de lentille gravitationnelles.
Ces observations ne suffisent malheureusement pas pour déterminer la topologie de l’univers entier.

(*) Un espace est dit Euclidien s’il ne possède pas de courbure

Une quatrième dimension d’espace
En géométrie Euclidienne, un espace à 1 dimension peut être représenté par un axe simple nommé « repère (X) ». Le déplacement dans cet espace ne comprend qu’un seul degré de liberté : Avant/Arrière.
Pour obtenir une dimension supplémentaire, il suffit d’ajouter un axe perpendiculaire au premier et on obtient un repère (X,Y), un second degré de liberté apparait : Gauche/Droite.
Le passage à 3 dimensions se fait de la même manière en ajoutant un 3ième axe perpendiculaire aux 2 premiers pour construire un repère (X,Y,Z), le troisième degré de liberté correspond à Haut/Bas.

Pour étendre l’espace à une quatrième dimension, il suffit donc d’ajouter encore un nouvel axe…

1D à 4DFig. 3 : Espaces Euclidiens entre 1 et 3 dimensions

…cependant, pour imaginer une 4ième dimension d’espace, les choses se compliquent un peu, il faut en effet d’une manière similaire ajouter un nouvel axe perpendiculaire aux 3 premiers et on obtient un repère (X,Y,Z,A).
La représentation intellectuelle d’un 4e axe perpendiculaire est impossible car le cerveau humain est incapable de conceptualiser un contenant à 4 dimensions d’espace.

Par contre, un espace 4D peut être manipulé sans problème à l’aide des mathématiques, c’est la branche de la géométrie Euclidienne (ou non Euclidienne) qui traite de cette question.

Le 4ième degré de liberté correspondant est en général appelé « Ana/Kata » [2].

Tesseract1Fig. 4 : Construction d’un cube en 4D ou Tesseract

Cette notion de 4ième dimensions d’espace a déjà été abordée ici dans un article sur les NDE [3].

Notre univers perçu en 3 dimensions d’espace étant courbé, ce dernier serait donc « immergé » dans un univers plus vaste possédant 4 dimensions [4].

Quelle serait donc sa topologie ?

L’hypothèse spéculative de l’Hypershpère
Puisque la matière/énergie courbe l’espace, on peut supposer que cette courbure est homogène dans tout l’univers et qu’elle induit sa topologie.
L’univers serait donc courbé et non pas plat, de plus sa taille pourrait être finie.

La forme ou topologie courbée la plus simple que pourrait avoir l’univers correspondrait à une hypersphère ou surface sphérique à 3 dimensions d’espace, appelée également « 3-Sphère ».
Il s’agit d’une surface en 3 dimensions (3D) fermée sur elle même qui est le pendant de la sphère familière en 2 dimensions (2D), « 2-Sphère ».

Cette forme serait cependant caractérisée par le fait qu’un voyage en ligne droite à partir d’un point quelconque de l’univers suivant une géodésique (*) de ce dernier permettrait de se retrouver à son point de départ après avoir parcouru une circonférence complète de l’univers.
L’univers 3D serait donc immergé (**) dans un espace Euclidien à 4 dimensions d’espace [4], il serait caractérisé par un centre, un rayon et donc un périmètre fini à l’instant T.
L’univers serait de plus fini et sans bords, son centre serait localisé en dehors de cette surface 3D, la matière et l’énergie de l’univers seraient confinées dans cette dernière.

Puisqu’on ne peut représenter un espace à 4 dimensions, une approche par analogie peut être proposée.
Une vue simplifiée est celle de la sphère 2D qui est une surface fermée immergée dans un espace 3D.
Pour représenter l’expansion, l’analogie simple avec une surface 2D ou 2-Sphère est celle du ballon qui se gonfle (Fig. 5) sous l’effet de l’expansion, tout l’univers correspondrait à la surface du ballon. Cette surface ne possède pas de bord, une petite fourmi qui se promène en « ligne droite » sur le ballon finira par se retrouver à son point de départ !

Expansion Univers

Fig. 5 : L’univers en expansion vu par analogie avec une surface 2D

Si l’univers est effectivement hypersphérique, alors sa circonférence actuelle peut être de l’ordre de 125 Milliards d’Années Lumière (AL).

(*) Ligne d’univers courbée par la matière-énergie en présence
(**) Hypothèse défendue ici

Horizon cosmologique
Si l’âge de l’univers est de 10 Milliards d’années, alors l’horizon cosmologique est situé à une distance D d’environ 30 Milliards d’années lumière du point d’observation (Fig. 6).

Horizon cosmologique3Fig. 6 : L’horizon cosmologique (analogie avec une surface sphérique 2D)

Ces valeurs sont basées sur le calcul du taux de l’expansion donnée par le modèle standard et par une densité de matière estimée, les 20 Milliards d’AL supplémentaires sont dues à l’expansion.

La forme sphérique de la figure 6 ne doit pas être confondue avec celle de la figure 2. En effet, la figure 6 montre une vue simplifiée en 2D de l’univers entier vu de l’extérieur.
L’horizon est représenté ici selon une calotte sphérique bombée par la courbure de l’univers. Le fait que l’on ne détecte rien au delà donne l’illusion d’une frontière de l’univers (Fig. 2).

LE BIG BANG
Le Big Bang décrit une théorie du début de l’histoire de l’univers. A une réserve près sur le problème de l’instant zéro, cette histoire est déterminée et cohérente [5].
Dans sa première période, l’univers est constitué de rayonnements énergétiques sous forme de photons et de matière élémentaire à une température extrême de plus de 1500 Milliards de degrés.
A cette température, le rayonnement se transforme sans arrêt en matière et vice versa [6] :
Énergie – > Matière
Matière – > Énergie

De plus, les interactions entre la matière et l’énergie sont incessantes, ce phénomène est nommé « couplage ».

La matière est constituée d’atomes assemblés entre eux, les particules de base qui constituent les atomes sont les suivantes :

Electron, proton, neutronFig. 7 : Les constituants de l’atome

Les protons et neutrons sont appelés nucléons, ils constituent le noyau atomique.

3 minutes : Nucléosynthèse primordiale
Après environ 3 minutes et un important refroidissement, les nucléons (protons et neutrons) qui vont constituer les futurs noyaux d’atomes sont formés et stables. Les électrons qui se mettront ultérieurement en orbite des noyaux sont encore couplés aux rayonnements d’énergie [6].

30 minutes : Hélium et Hydrogène
30 Minutes environ après le début, les électrons sont libérés, ils sont découplés des photons, ils vont être captés par les noyaux pour former la matière de base : hélium et hydrogène. Bien plus tard, cette matière initiale va servir à fabriquer d’autres éléments plus lourds par le phénomène de fusion nucléaire dans les étoiles.
Après 1/2 heure d’existence, l’univers contient plus de 90% de rayonnement pour moins de 10% de matière.
Cette dernière se répartit en :
Hélium = 25%
Hydrogène = 75%

Atomes hydrogene et HeliumFig. 8 : Atomes d’Hydrogène et d’Hélium

700 000 ans : univers transparent
L’univers continue à s’étendre durant une période stable de 700 000 ans qui voit la température décroitre jusqu’à 3000 °.
Un événement marquant se produit alors : l’univers devient transparent [6].
Les photons primordiaux qui n’arrivaient pas à se déplacer sans être presque instantanément interceptés par les électrons (phénomène de couplage) sont libres de leurs mouvements.
En effet, de l’espace s’étant créé, toute cette population peut enfin se déplacer sans s’entrechoquer sans arrêt.

Premier milliard d’années
Tout est alors prêt pour l’apparition des étoiles lors du premier milliard d’années de l’univers.

Lien avec la physique des particules
La théorie du Big Bang traite du début de l’univers, lorsque ce dernier était constitué de particules élémentaires et de rayonnements.
Les atomes n’étaient pas encore formés et le rayonnement électromagnétique à très haute énergie (photons) fabriquait sans cesse des couples de particules de matière/antimatière qui se transformaient à leur tour dans l’autre sens en photons.
Tout ceci formant un état dit « en équilibre thermodynamique ».

C’est la branche de la Physique des particules qui traite de la description des constituants fondamentaux de la matière et des règles de leurs assemblages pour constituer les éléments familiers (atomes, nucléons,…).
Quand à l’état d’équilibre thermique, c’est la branche de la physique statistique qui est utilisée.

PHYSIQUE DES PARTICULES
Les rayonnements électromagnétiques dont la particule associée est le photon sont de nature quantique même s’ils se comportent comme une onde lors de leurs déplacements à vitesse constante C (vitesse de la lumière).
Les photons ne possèdent pas de masse, leur énergie est liée à leur longueur d’onde.

L’état initial de l’univers est donc descriptible à l’aide de la physique des particules.
La théorie correspondante se nomme le « modèle standard ».

Les premières particules découvertes furent l’électron (en 1897), le neutron et le proton (début 20e siècle) qui constituent 100% des atomes de l’univers !

Pour étudier le comportement de la matière, des accélérateurs permettant de faire des tests de collisions entre particules furent développés.

Accélérateurs de particules
Les expériences correspondantes consistent à lancer des particules les unes contre les autres à grandes vitesses.
Les systèmes utilisés sont de type accélérateurs de particules ou collisionneurs.

Dans ces systèmes, les particules sont accélérées par des champs électriques et guidées par des champs magnétiques.
Seules les particules chargées électriquement peuvent donc être testées (Électrons, Protons, …).

Des accélérateurs de particules de plus en plus puissants ont été construits à partir des années 30 pour réaliser des collisions à des énergies de plus en plus élevées.
Les puissances ont été décuplées pour en arriver au fameux LHC du CERN mis en service en 2008 qui est le plus grand collisionneur du monde avec un diamètre de 27 kilomètres.

LHCFig. 9 : Vue aérienne du site du LHC entre la France et la Suisse

Les détecteurs de particules du LHC sont à la mesure de l’ensemble, il existe 4 détecteurs géants comme par exemple ATLAS (Fig. 10) qui mesure 40 mètres de long sur 22 mètres de diamètre avec un poids qui avoisine les 7000 tonnes !

Atlas_big 2Fig. 10 : Le détecteur ATLAS du LHC (la flèche montre la taille des techniciens à coté de la machine)

L’exemple du LHC dont le coût total avoisine les 5 Milliards d’€ est représentatif de la démesure des puissances et des moyens à mettre en jeu pour percer les secrets la matière.

Les expériences successives permirent après analyse de détecter de nombreuses particules nouvelles résultant des collisions.

Découverte d’une flopée de nouvelles particules
Les particules les plus importantes étaient connues depuis les années 30 :
– nucléons constituants du noyau : protons et neutrons
– électrons
– photons
– neutrinos (anticipés)

Les expériences effectuées au 20e siècle ont permis la découverte de plus de 200 nouvelles particules lourdes appelées « hadrons ».
Ces dernières avaient cependant la caractéristique de posséder une durée de vie très faible de l’ordre d’une fraction de seconde.

Devant un tel foisonnement, un modèle simplificateur fut construit progressivement pour répondre à tous les cas observés : le modèle standard.

L’un des objectifs du modèle standard était de déterminer le plus petit nombre de particules de base « insécables », c’est à dire non constituées de particules plus petites.
Ces particules de base devant couvrir par des règles d’assemblages simples l’ensemble de la « faune » détectée lors des expériences.

Le modèle standard
L’histoire détaillée de l’univers fait donc appel au modèle standard qui décrit :
– Les 4 forces fondamentales de l’Univers
– Les particules de base qui constituent l’Univers
– Les lois qui régissent les réactions nucléaires que subissent les particules élémentaires à hautes énergie
– l’unification de 3 des 4 forces à très hautes énergies

Le modèle standard a été développé progressivement en effectuant de nombreux allez retour entre l’expérience et la théorie. Cette démarche est un exemple typique d’application de la méthode scientifique [7].
L’avantage de ce modèle est qu’il est évolutif, il est cependant un peu fait de bric et de broc dans la mesure où de nouvelles particules élémentaires furent ajoutées au fur et à mesure des observations. De plus il présente certaines approximations « abusives » en particulier dans le domaine de l’électrodynamique quantique (QED) développée par le prix Nobel Richard Feynman.

CONCLUSION
La structure de l’univers à grande échelle a été décrite à partir des observations astronomiques.
La détection d’un décalage de la lumière des objets lointain conduisit à imaginer un univers en expansion, cette expansion impliquant que l’âge de l’univers n’est pas infini et qu’il a donc eu un début.

La relativité générale a montré que l’univers était courbé et que sa topologie n’était probablement pas Euclidienne.
L’univers pourrait avoir la forme d’une hypersphère 3D immergée dans un espace plus vaste à 4 dimensions.

Pour déterminer le détail de la naissance de l’univers, des expériences sur la matière furent conduites dans des collisionneurs de plus en plus puissants.
Ces expériences ont conduit à élaborer progressivement une théorie de la matière assez satisfaisante : le modèle standard.
La suite de cet article va expliquer ce dernier plus en détail et reprendre l’histoire du Big Bang à la lumière (!) de ce modèle.

Liens
[1] Mille milliards de soleils (Sur ce blog)
[2] « La 4ième dimension » Rudy Rucker
[3] NDE/EMI – Partie 2 : Une percée scientifique majeure (Sur ce blog)
[4] « Le Géométricon » BD Lanturlu par Jean Pierre Petit (Télécharger ici)
[5] « Les 3 premières minutes de l’univers » – Steven Weinberg
[6] « Le Big Bang » BD Lanturlu de Jean Pierre Petit (Télécharger ici)
[7] L’épistémologie pour les nuls (Sur ce blog)

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s