expansion de l'univers

Les galaxies diffuses, éparpillées dans l'amas de Persée, ressemblent à des fantômes parmi leurs voisines brillantes. Elles sont si ténues que les objets lointains se voient à travers, et elles contiennent des centaines de fois moins d'étoiles que notre Voie lactée.

Un faisceau laser ordinaire va tout droit, comme la lumière d'une lampe de poche. Mais on peut enrouler la lumière en spirale — comme le filet d'un tire-bouchon. Un tel faisceau porte un moment angulaire orbital : il ne se contente pas d'éclairer, il fait tourner tout ce qu'il rencontre.

Un fluide qui contourne un obstacle génère des tourbillons et des ondes de choc. Décrire leur comportement revient à résoudre une équation non linéaire, où la vitesse de l'écoulement dépend d'elle-même.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière ordinaire, et l'antimatière est quasi introuvable. Où est-elle passée ?

Au cours des premiers demi-milliards d'années après le Big Bang, les galaxies poussaient comme du chiendent. Le gaz s'y engouffrait à toute vitesse et s'effondrait en étoiles sans rencontrer de résistance. Cette période est appelée « formation d'étoiles sans entrave ».

Les étoiles ressemblent à des toupies : elles naissent rapides et ralentissent avec le temps. Ce processus est comme un sablier : plus une étoile tourne lentement, plus elle est vieille. Les astronomes utilisent cette régularité pour déterminer l'âge des étoiles, mais pour cela, ils ont besoin de groupes de référence d'étoiles dont l'âge est connu.

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.

À force de fixer longtemps la fenêtre nocturne, on finit tôt ou tard par se heurter à une noirceur au-delà de laquelle on ne voit rien. Ce n'est pas simplement une clôture lointaine – c'est le bord de l'Univers accessible, l'horizon cosmique. La lumière des étoiles plus lointaines n'a tout simplement pas eu le temps de nous parvenir.

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.

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.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est expansé plus vite que la lumière ne pouvait le traverser. Comme un ballon que l'on gonfle, sauf qu'au lieu du caoutchouc, c'est l'espace lui-même.

Une lampe est cachée derrière un grand aquarium rempli d'eau. Vous ne voyez pas une seule source de lumière, mais plusieurs de ses reflets et réfractions — l'eau courbe le trajet des rayons.

La théorie quantique des champs est le langage dans lequel les physiciens décrivent les particules élémentaires et leurs interactions. Les auteurs de l'étude ont décidé de « retoucher » ce langage en introduisant des déformations, c'est-à-dire de petits changements dans les règles du jeu.

Six coureurs sprintent sur la piste, et les juges mesurent leur vitesse sans remarquer le vent arrière. Le vent souffle dans leur dos, et les chronomètres affichent un meilleur résultat que la réalité.

Le ciel nocturne semble être un semis aléatoire d'étoiles. Mais si on l'observe sur de très grandes distances, le chaos disparaît. Les galaxies se rassemblent en de longs filaments et de vastes murs, et entre eux s'ouvrent d'immenses vides — les vides cosmiques. Cette structure est appelée la toile cosmique.

Tout a commencé par une étirement. Dans les premières fractions de seconde, l'Univers s'est gonflé — les physiciens appellent cela l'inflation. Puis l'expansion rapide a cédé la place à une phase où l'énergie du champ s'est transformée en particules ordinaires.

L'onde gravitationnelle issue d'une fusion de trous noirs, c'est comme le son d'une cloche dans la nuit. L'intensité du son permet de savoir à quelle distance se trouve la source.

Une casserole de bouillie en ébullition : les bulles éclatent, la vapeur s'échappe, mélangeant tout le contenu. C'est à peu près ainsi que se comportent les étoiles massives dans les nuages géants de gaz. Leur rayonnement et leur vent stellaire soufflent d'immenses cavités — les bulles moléculaires, dispersant la matière aux alentours.

Le neutron pourrait être un aimant minuscule — les équations le permettent. Mais en réalité, il ne manifeste presque aucune propriété magnétique. Une des explications est fournie par le mécanisme de Nelson–Barr : un champ spécial brise spontanément la symétrie et masque cet effet.

Une usine capable de produire un million de pièces par heure n'en fabrique pourtant qu'une centaine. C'est à peu près ce que fait notre Univers, si on le regarde à travers le prisme de l'entropie — cette mesure du désordre qui, selon les lois de la physique, ne peut qu'augmenter. Les principales « machines » de cette usine sont les trous noirs supermassifs.

L'Univers primordial ressemble à un ressort comprimé à l'extrême. Dans les premiers instants, il s'est expansé à une vitesse inimaginable — cette phase est appelée inflation.

Dans les premiers instants, l'Univers s'est étendu à une vitesse prodigieuse. Ce processus est appelé inflation, et la force motrice est le champ de l'inflaton. Son énergie a poussé l'espace à s'étendre, comme la levure fait lever la pâte. Mais les physiciens soupçonnent que des « bulles » ont pu rester dans la pâte — des particules superlourdes nées de l'expansion elle-même.

Une usine capable de produire un million de pièces par heure n'en fabrique pourtant qu'une centaine. C'est à peu près ce que fait notre Univers, si on le regarde à travers le prisme de l'entropie — cette mesure du désordre qui, selon les lois de la physique, ne peut qu'augmenter. Les principales « machines » de cette usine sont les trous noirs supermassifs.

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.

Un miroir magnétique est un tube ouvert aux deux extrémités. Le champ magnétique y est conçu pour empêcher le plasma chaud de s'échapper : il se resserre aux extrémités, comme un bouchon dans une bouteille. Les particules de plasma qui volent vers la sortie sont repoussées par ces « bouchons » et reviennent en arrière.

L'Univers primordial n'est pas simplement un bouillon chaud de particules. Dans les premières fractions de seconde, la symétrie miroir aurait pu être brisée : le monde et son reflet ne seraient plus tout à fait identiques.

La course à l'énergie de fusion ressemble à une tentative de capturer un éclair dans une bouteille. Pendant des décennies, les physiciens se sont acharnés à reproduire sur Terre les processus qui alimentent le Soleil.

L'Univers primordial ne ressemblait pas à un étang tranquille, mais à un chaudron bouillonnant. La matière s'y écoulait, entrait en collision, tourbillonnait – et tout cela sur fond d'expansion rapide de l'espace lui-même.

L'horloge dans l'Univers est une affaire délicate. Habituellement, dans les calculs de la naissance du monde, le rôle d'horloge est joué par un champ scalaire particulier — une sorte de fluide invisible remplissant tout l'espace. Il tictaque, et les physiciens observent comment le monde évolue par rapport à ce tictac. Mais ces horloges sont artificielles, introduites pour plus de commodité.

En 1929, Edwin Hubble a pointé son télescope vers des galaxies lointaines et a découvert qu'elles s'éloignent. Quatre-vingt-dix ans plus tard, deux mesures de cette vitesse d'éloignement – l'une issue de la lumière ancienne, l'autre d'étoiles proches – refusent obstinément de coïncider.

Un météorologue trace une épaisse ligne noire à travers toute l'Europe : au nord, le gel ; au sud, le dégel. Cette frontière — l'isotherme zéro — ne vous dira pas quelle température il fait à Stockholm ou à Rome, mais elle vous dira honnêtement où l'hiver se termine.

Les tout premiers instants après le Big Bang : l'espace se dilate à toute allure — les physiciens appellent cette période l'inflation. À l'intérieur de ce tissu en expansion, telles des bulles de savon dans un jet d'air, des régions de nouveau vide commencent à germer — c'est une transition de phase de première espèce.

Dans 1433 paires de galaxies dispersées dans le ciel, les astronomes ont remarqué un motif inhabituel. Les voisines situées « au-dessus » ou « en dessous » d'un système stellaire massif contiennent jusqu'à un quart d'oxygène de plus que celles qui se trouvent dans le plan de son disque.

L'Univers a résonné intensément dans ses premiers instants. À l'époque de l'inflation, lorsque l'expansion de l'espace dépassait la vitesse de la lumière, les énergies en jeu étaient colossales — des milliers de milliards de fois supérieures à celles du Grand collisionneur de hadrons.

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.

L'Univers primordial s'est développé à une vitesse prodigieuse – en une fraction de seconde à peine, il a gonflé jusqu'à des dimensions gigantesques. Les physiciens décrivent cette poussée par une seule grandeur : l'exposant dans une formule qui ressemble à la pente d'une colline. Plus la pente est raide, plus la bille dévale vite – c'est-à-dire plus l'espace s'est étendu rapidement.

La cosmologie s'est fourrée dans un sacré pétrin. Les deux principales façons de plonger dans le passé de l'Univers — par la lueur primordiale (le rayonnement fossile) et par des objets plus tardifs comme les supernovae — donnent des chiffres différents pour le taux d'expansion (la constante de Hubble) et pour le degré d'agglutination de la matière.

À l'aube des temps, l'Univers a connu un bref instant d'expansion effrénée : l'inflation. Les infimes frémissements quantiques de l'espace-temps ont été étirés jusqu'à des échelles cosmiques.

Les rides cosmiques commencent par de minuscules grumeaux. 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers était presque homogène – les écarts de densité n'étaient que de 1/100 000. Mais la gravité a transformé ces faibles fluctuations en galaxies, amas et vides géants.

Dans les premiers instants après sa naissance, l'Univers s'est dilaté plus vite qu'une allumette ne s'enflamme. Ce processus est appelé inflation. Il explique pourquoi le cosmos actuel est si homogène et plat. Mais que s'est-il passé avant ?