expansion cosmique

Au cœur d'une vieille ville se dresse une tour avec une horloge que l'on n'a jamais remise à l'heure depuis sa construction. En mesurant son retard, on peut calculer à quel point le temps s'est étiré depuis.

Le faisceau d'un projecteur s'enfonce dans l'obscurité, mais si on le suit en arrière, on bute sur la lampe. L'histoire de l'Univers est peut-être la même : en remontant son expansion, on finit par atteindre un commencement. Les physiciens ont pris le modèle le plus simple : un Univers qui s'étire uniformément dans toutes les directions, comme un cube dont toutes les faces grandissent.

Les étoiles les plus massives ressemblent à des ballons trop gonflés : leur enveloppe ne s’étire plus, elle commence au contraire à laisser échapper rapidement de la matière. À un certain stade, la perte de masse devient si forte que l’étoile cesse d’augmenter en taille.

Le modèle standard ΛCDM (qui inclut l’énergie noire et la matière noire froide) est la partition de la symphonie cosmique. Il décrit comment, après le Big Bang, l’espace s’est dilaté. Comment la matière noire s’est agglomérée. Comment les galaxies se sont allumées.

La gravité est une force étonnamment faible. Un petit aimant retient un trombone contre l'attraction de toute une planète. Les physiciens cherchent depuis longtemps la cause de cette faiblesse, et l'une des pistes nous mène vers des dimensions cachées.

Un rayon lumineux glissant le long de l'horizon d'un trou noir ne se contente pas de se déplacer : il transporte avec lui chaleur et information. Les physiciens soupçonnaient depuis longtemps que la géométrie de tels rayons obéit à des règles strictes, mais les détails restaient flous. Ce nouveau travail transforme ces règles en une inégalité claire.

Le disque galactique ressemble à une ondulation figée à la surface de l'eau : chaque perturbation laisse une trace que l'on peut lire des milliards d'années plus tard.

Un ordinateur quantique repose sur deux forces : l'intrication (les particules se comportent comme un tout) et la « magie » — une mesure de la distance d'un état par rapport à la physique classique habituelle.

Une onde quantique évoque une photo en pose longue : tout est flou, mais c'est précisément ce flou qui révèle le mouvement. D'ordinaire, on considère ces ondes figées comme une abstraction commode.

Lorsque, après le Big Bang, le cosmos en refroidissement a perdu sa symétrie primordiale, des tensions sont apparues dans les champs — comme des microfissures qui se forment dans un verre en refroidissement. Les monopôles globaux, prédits par Gerard 't Hooft et Polyakov, sont devenus de telles « cicatrices » sur le corps de l'univers.

Dans le grand orchestre de l'univers, chaque instrument a son propre rythme. Les électrons dans l'atome effectuent des sauts quantiques en femtosecondes, les neurones du cerveau échangent des signaux en millisecondes, et un humain a besoin de dixièmes de seconde pour prendre…

Quand nous plongeons notre regard dans le cosmos, nous voyons le passé. La loi d'Edwin Hubble transforme le décalage vers le rouge en machine à remonter le temps : la lumière de la galaxie UDS 12999 a mis 7,6 milliards d'années pour nous parvenir — plus de la moitié de la vie de l'Univers.

Dans les premiers instants qui ont suivi le Big Bang, l'Univers n'était pas un vide silencieux, mais un chaudron bouillonnant de plasma, parcouru d'ondes sonores. Lorsque la température a baissé, le cosmos a connu des transitions de phase – des réorganisations spontanées qui ont fait naître des bulles de nouvelle phase.

L'Univers n'a pas toujours été en expansion. Dans certains modèles, il s'est d'abord contracté – presque vide et plat – puis, ayant atteint une limite, il a rebondi et s'est mis à croître, comme le monde que nous connaissons. Ce scénario est appelé cosmologie à rebond.

Dans les premiers instants après sa naissance, l'univers aurait pu être multidimensionnel — comme une feuille de papier qui aurait soudainement acquis une épaisseur. Cette « épaisseur » — les dimensions supplémentaires — a commencé à se dilater rapidement. Cette croissance ultra-rapide est appelée inflation.

Le forgeron forge une épée. À chaque coup de marteau, le métal incandescent s'aplatit, mais le marteau lui-même, l'enclume et l'air ambiant s'échauffent légèrement. Une partie de l'énergie du coup se dissipe irrémédiablement en chaleur — et cet échange, familier à quiconque a déjà planté un clou, se révèle être la clé des plus grandes énigmes du cosmos.

La cosmologie traverse une période étrange. D'un côté, le modèle standard avec la matière noire et l'énergie noire décrit parfaitement la structure à grande échelle. De l'autre, il craque de toutes parts.

L'histoire classique de la naissance de l'univers à partir d'un point incandescent Big Bang se heurte à des questions gênantes : pourquoi le cosmos est-il si homogène et qu'y avait-il avant la singularité ?

La cosmologie cherche depuis longtemps une porte de sortie derrière le Big Bang. L'inflation, proposée par Alan Guth, étire et aplatit les inhomogénéités primordiales, mais qu'est-ce qui a allumé la mèche elle-même ?

Un pendule choisit lui-même la façon dont il oscille. Si on le pousse trop fort, il revient rapidement à un rythme régulier. Si on le maintient dans une position extrême, il reste immobile, mais dès qu'on le lâche, il reprend son mouvement habituel.

Un éclair fend le ciel en une fraction de seconde, laissant une trace ramifiée. Au même instant, dans un minuscule cristal supraconducteur refroidi presque au zéro absolu, une avalanche de champ magnétique déferle : de fins doigts d'aimantation transpercent le matériau.

L'Univers ne supporte pas la monotonie. Il y a un siècle, Edwin Hubble et Georges Lemaître nous ont offert une image élégante : un cosmos en expansion, lisse comme la surface d'un ballon gonflé.

L'Univers est comme un ballon qui se gonfle. La mécanique quantique interdit de mesurer avec précision à la fois sa taille et la vitesse à laquelle il se dilate. Ce principe imprègne le cosmos : une nouvelle équation affirme que l'expansion de l'Univers et sa taille sont liées par une incertitude fondamentale.

D'habitude, on raconte l'histoire de l'Univers ainsi : il n'y avait rien, puis une explosion, et depuis tout s'éloigne. Mais et s'il n'y avait pas eu de « rien » ? Un groupe de physiciens a montré que l'Univers aurait pu exister éternellement — simplement, parfois il se contracte, puis il se dilate à nouveau, comme un ressort.

Vous arpentez à pas comptés une immense salle plongée dans l'obscurité totale. Vous allez d'un mur à l'autre en comptant vos pas, et soudain vous réalisez : les distances ne concordent pas comme elles le devraient. On dirait que le sol n'est pas plat, mais bombé ou creusé en cuvette.

On gonfle un ballon. D'abord, il se gonfle lentement, puis quelqu'un ajoute brusquement de l'air — et le ballon se dilate plus vite. Mais voilà que le flux d'air faiblit, et le ballon recommence à se gonfler plus lentement.

Le ciel nocturne semble aussi lisse que la surface d'un lac paisible. Mais si l'on observe les sursauts gamma – de brèves et éblouissantes explosions visibles à travers tout l'Univers – on découvre des vagues dans cette étendue. Des scientifiques ont pris un catalogue de ces sursauts et ont divisé le ciel en deux hémisphères.

Lancez deux cailloux identiques du sommet d'une montagne : si l'un atterrit un centimètre plus à gauche, au bout d'une minute ils se retrouveront dans des vallées différentes. La galaxie est comme cette montagne, mais avec des milliards de cailloux et une pente qui s'étire sur des millions d'années.

Tout a commencé par d'infimes scintillements quantiques sur la toile primitive. L'expansion de l'univers — l'expansion avalancheuse proposée par Alan Guth — a étiré ces touches jusqu'à la taille des galaxies.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

Si l'on regarde une carte des galaxies lointaines, elle n'est pas parfaitement uniforme : d'un côté du ciel, il y en a un peu plus, de l'autre, un peu moins. Ce déséquilibre a été remarqué dans plusieurs relevés du ciel, et il ne ressemble pas à un hasard.

L'Univers ressemble à une toile d'araignée géante : les galaxies ne sont pas dispersées au hasard, mais regroupées en nœuds et le long de filaments. À l'intérieur des filaments, il y a beaucoup de gaz, et c'est là que de nouvelles étoiles s'allument le plus souvent. Mais comment cela a-t-il évolué avec le temps ?

Dans une chambre d'hôpital, il fait +40°C, dans une autre +10°C, et en moyenne, on obtient +25°C. Si la température influençait quelque chose de manière non linéaire — par exemple, la vitesse de prolifération des bactéries — la valeur moyenne donnerait une prévision erronée.

La cosmologie traditionnelle commence avec le Big Bang, une idée de Georges Lemaître. Cependant, une nouvelle approche, inspirée par les recherches de Stephen Hawking, contourne le mystère de l'instant primordial.

L'horloge murale de la cuisine tic-taque, et chaque battement nous éloigne inexorablement du petit-déjeuner vers le déjeuner. C'est si habituel que cela semble être une loi de la nature, mais la physique dit autre chose. Dans les équations d'Einstein, le temps est réversible : on peut rembobiner le film, et aucun cadre ne révèle la supercherie.