Au-delà du Big Bang, l'évolution de l'univers selon Einstein

Un siècle plus tard, les notions d'espace-temps imaginées par l'illustre physicien occupent toujours l'esprit des scientifiques.

De Marcia Bartusiak
Publication 7 déc. 2020 à 10:48 CET
UNE INFINITÉ DE COMMENCEMENTS

En repoussant les limites de la théorie et de l'imagination comme le faisait Einstein, les cosmologistes osent imaginer que notre univers n'est pas le seul qui existe. Le Big Bang à l'origine de tout ce que nous connaissons de l'espace et du temps pourrait n'être qu'un commencement parmi une infinité d'autres. Le scénario, illustré ci-dessus par un artiste, provient de la théorie de l'inflation, elle-même héritière de la théorie générale de la relativité établie par Einstein. La relativité implique que l'espace et le temps peuvent s'étendre à de vastes dimensions à partir d'un seul point de départ ; l'inflation décrit la façon dont notre univers s'est agrandi dans ses premiers instants et suggère que le même phénomène pourrait se produire partout, tout le temps. Le résultat ? Une extension de l'espace truffée de bulles d'énergie, une multitude de big bangs, chacun à l'origine d'un nouvel univers. Et tous ces univers ne se ressemblent pas. Là où le nôtre brille d'une infinité de galaxies (coin inférieur droit), les autres pourraient contenir plusieurs dimensions ou différentes formes de matière. Dans certains d'entre eux, les lois de la physique fonctionnent différemment, comme dans l'univers torsadé en haut à gauche de l'image.

Photographie de Illustration réalisée par MOONRUNNER DESIGN

Le 29 janvier 1931, l'éminent physicien Albert Enstein et son astronome de confiance, Edwin Hubble, s'installaient confortablement sur les luxueux sièges en cuir d'une élégante Pierce-Arrow pour une visite du mont Wilson dans le sud de la Californie. Un chauffeur conduisit les deux hommes à travers la longue route poussiéreuse en lacet qui les menait à l'observatoire installé au sommet, à près de deux kilomètres au-dessus de Pasadena. Coiffé du plus grand télescope au monde à l'époque, le mont Wilson avait également été le théâtre des triomphes astronomiques du Dr Hubble.

En 1924, il avait utilisé l'impressionnant miroir de 2,54 m du télescope pour démontrer que la Voie lactée n'était que l'un des innombrables « univers-îles » à peupler l'immensité de l'espace. Cinq ans plus tard, après avoir traqué les mouvements de ces disques tourbillonnants, Hubble et son assistant, Milton Humason, avaient révélé un détail encore plus surprenant : la rapide expansion de l'univers et la dérive forcée de ses multiples galaxies.

Par cette journée ensoleillée du mois de janvier, Einstein, alors âgé de 51 ans, s'extasia devant les instruments du télescope. Tel un enfant dans une cour de récréation, il se faufila à travers la structure sous le regard consterné de ses hôtes. Ce jour-là, l'illustre scientifique était accompagné de sa tendre Elsa. En apprenant que le télescope était utilisé pour déterminer la forme de l'univers, celle-ci aurait répondu : « Eh bien, mon mari fait la même chose sur le dos d'une enveloppe. »

N'y voyez pas uniquement la fierté d'une épouse. Bien avant que l'expansion de l'univers ne soit détectée par Edwin Hubble, Einstein avait établi une théorie qui pouvait l'expliquer : la relativité générale. Dans l'étude du cosmos, toutes les routes mènent à Einstein.

De notre Soleil aux trous noirs les plus éloignés, quel que soit l'endroit où le regard des astronomes se pose, ils entrent dans le royaume d'Einstein, où le temps est relatif, où la masse et l'énergie sont interchangeables et où l'espace peut s'étendre et se déformer. L'homme a laissé ses empreintes au plus profond de la cosmologie, la branche des sciences qui étudie l'histoire et le destin de l'univers. La relativité générale « décrit la naissance de notre univers, son expansion et son avenir, » résume Alan Dressler de l'institut Carnegie Observatories. Début, milieu et fin, « toutes ces étapes sont liées à ce grand principe. »

À l'aube du 20e siècle, trente ans avant la rencontre d'Einstein et Hubble au sommet du mont Wilson, la physique était en ébullition. Les rayons X, les électrons et la radioactivité venaient tout juste d'être découverts et les physiciens réalisaient que leurs fidèles lois du mouvement, édictées 200 ans plus tôt par Isaac Newton, ne parvenaient pas à expliquer les numéros de haute voltige exécutés par ces nouvelles et étranges particules dans l'espace. Pour se frayer un chemin à travers ce nouveau territoire, il fallait un rebelle, un jeune homme arrogant, un ardent ennemi du par cœur doté d'une foi inébranlable en ses propres capacités. Cet Einstein-là n'était pas encore le personnage hirsute, négligé et allergique aux chaussettes dont l'image est aujourd'hui connue de tous, mais une figure plus jeune et romantique à la chevelure ondulée et aux beaux yeux bruns. Il était au sommet de son art.

Le scientifique pouvait notamment compter sur un instinct physique incisif, presque un sixième sens pour deviner le fonctionnement de la nature. Einstein pensait en images, comme celle qui le hantait depuis l'adolescence : si un homme était capable de tenir le rythme d'un rayon de lumière, que verrait-il ? Verrait-il l'onde électromagnétique figée sur place à la manière d'un vague de glace ? « Il ne semble pas que cela puisse exister ! » avait alors pensé Einstein.

Plus tard, il réalisa que puisque toutes les lois de la physique restaient les mêmes que l'on soit à l'arrêt ou en mouvement, la vitesse de la lumière devait être constante également. Personne ne peut rivaliser avec un rayon de lumière. Mais alors, si la vitesse de la lumière est la même pour tous les observateurs, le changement doit venir d'ailleurs : le caractère absolu du temps et de l'espace. Einstein conclut qu'il n'existait pas d'horloge universelle ou de cadre référentiel commun dans le cosmos. Le temps et l'espace sont « relatifs », ils s'écoulent différemment pour chacun de nous selon notre mouvement.

Publiée il y a plus de cent ans, la théorie spéciale de la relativité établie par Einstein révélait que l'énergie et la masse étaient les deux faces d'une même pièce, à jamais liées dans son équation E = mc², dans laquelle E représente l'énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière ou célérité. « L'idée est amusante et séduisante, » écrivait Einstein, « mais alors le tout puissant serait-il en train de me mener en bateau, ça je ne sais pas. » Excès de modestie. L'idée que la masse pouvait être transformée en énergie pure allait plus tard aider les astronomes à comprendre la puissance inépuisable du Soleil. Elle donna également naissance aux armes nucléaires.

Cependant, Einstein n'était pas totalement satisfait. La relativité spéciale était, comme son nom l'indique, spéciale. Elle ne pouvait pas décrire tous les types de mouvements, comme celui des objets piégés par la gravité, la force qui régit les grandes échelles de l'univers. Dix ans plus tard, en 1915, Einstein compensa cet oubli avec la théorie de la relativité générale qui rectifiait les lois de Newton en redéfinissant la gravité.

Avec la relativité générale, Einstein démontrait que l'espace et le temps étaient liés dans un tissu malléable à quatre dimensions déformé par la matière. Dans cette conception, la Terre orbite le Soleil car elle est prise au piège de la cavité spatio-temporelle creusée par la masse du Soleil, comme le ferait une bille autour d'une boule de bowling posée sur un trampoline. L'attraction de la gravité n'est que le fruit de la matière glissant le long des courbes de l'espace-temps.

Einstein arriva au sommet de sa gloire en 1919 avec la mesure de cette courbure par des astronomes britanniques. Alors qu'ils surveillaient une éclipse solaire, ils observèrent des filets de lumière émise par une étoile se courber autour du Soleil assombri. « La lumière est toute de travers dans le ciel. Les étoiles ne sont pas là où elles semblaient être selon les calculs, mais pas d'inquiétude, » clamait les gros titres du New York Times.

Avec cette nouvelle perception de la gravité, les physiciens pouvaient enfin prédire en toute confiance le comportement de l'univers, la cosmologie était désormais une science. Einstein fut le premier à s'y essayer. Pourtant, comme l'histoire en témoigne, même le plus grand des génies a des moments de faiblesse. Une mauvaise conception de la nature de l'univers l'amena à suggérer l'existence d'un nouvel effet gravitationnel mystérieux, une notion qu'il ne mit pas longtemps à rejeter. Néanmoins, il se pourrait qu'il ait dit vrai pour les mauvaises raisons et son « erreur » pourrait encore s'avérer être l'une de ses contributions les plus profondes.

Il y a quelque chose là-haut qui assure la cohésion des galaxies et empêche leurs étoiles de s'enfuir, mais les scientifiques n'ont pas encore identifié cette substance invisible. Connue sous le nom de matière noire, elle s'entremêle pour former un titanesque échafaudage cosmique. Les astronomes pensent que les galaxies se sont formées aux points les plus denses de cette structure en forme de toile et que la matière noire continue de les maintenir en place par sa gravité. Sa présence peut être détectée en surveillant les étoiles situées aux confins des galaxies dont la vitesse de déplacement ne peut être expliquée que par l'attraction de la matière visible (les autres étoiles et gaz d'une galaxie). Les astronomes ont également pu étudier cette substance grâce à un effet prédit par la relativité générale d'Einstein : la gravité de la matière noire déforme l'espace-temps en courbant les rayons lumineux sur leur passage. Ces mesures suggèrent que la matière noire pourrait être responsable de 90 % de la masse totale de l'univers. Actuellement, les cosmologistes cherchent par tous les moyens à identifier cette matière noire, cette substance insaisissable à laquelle nous devons la configuration de notre ciel étoilé.

Photographie de Illustration réalisée par MOONRUNNER DESIGN

Pour Newton, l'espace était au repos éternel, rien de plus qu'une scène inerte sur laquelle se déplaçaient des objets. Avec la relativité générale en revanche, la scène elle-même avait un rôle à jouer. La quantité de matière au sein de l'univers sculpte sa courbure générale et l'espace-temps peut à la fois s'étendre ou se contracter.

Lorsqu'il annonça la relativité générale en 1915, Einstein aurait pu franchir le pas et déclarer que l'univers était en mouvement, plus de dix ans avant la mesure directe de l'expansion cosmique réalisée par Hubble. À l'époque cependant, les astronomes concevaient l'univers comme une vaste collection d'étoiles figées à jamais dans le vide. Einstein acceptait cet immuable cosmos et à dire vrai, il l'aimait. Le physicien faisait souvent preuve de méfiance à l'égard des conséquences les plus radicales de ses théories.

Il fallait pourtant se rendre à l'évidence, un univers statique aurait inéluctablement fini par s'effondrer sous l'effet de sa propre gravité, c'est pourquoi Einstein dut se résoudre à introduire un facteur compensatoire aux équations de la relativité générale : la constante cosmologique. Alors que la gravité attirait les corps célestes vers l'intérieur, ce nouvel effet gravitationnel, une sorte d'antigravité, les repoussait. Ce facteur permettait simplement d'assurer l'immobilité de l'univers, « comme l'exigent les faibles vitesses des étoiles, » écrivait Einstein en 1917.

Douze ans plus tard, le concept de l'univers statique était balayé par la découverte de Hubble : les autres galaxies s'éloignent de la nôtre, leurs rayons lumineux s'étirent et rougissent sous l'effet de l'expansion spatio-temporelle. La constante cosmologique était désormais inutile pour assurer la cohésion des galaxies. Lors de sa visite californienne en 1931, Einstein admit son erreur. « Le décalage vers le rouge de lointaines nébuleuses a frappé d'un coup de marteau ma perception désuète, » déclara-t-il. Il aurait également confié à l'un de ses collègues que la constante cosmologique était sa plus grande maladresse.

Avec ou sans cet ingrédient supplémentaire, c'est à Einstein que nous devons la recette primaire pour l'expansion de l'univers, mais à d'autres l'identification de l'une de ses conséquences révolutionnaires : l'instant de création cosmique. En 1931, le prêtre et astrophysicien belge Georges Lemaître inversa la course folle des galaxies pour les imaginer une éternité plus tôt fusionnées en une boule de feu intensément brillante, un « atome primitif » pour reprendre ses termes. « L'évolution du monde peut être comparée à un feu d'artifice qui vient tout juste de s'achever : quelques traînées rouges, des cendres et un peu de fumée, » écrivait Lemaître. De ce scénario à la tournure poétique naîtra l'actuelle théorie du Big Bang.

Nombreux étaient les détracteurs de cette hypothèse. « La notion de commencement […] me répugne, » déclara l'astrophysicien britannique Arthur Eddington en 1931. Pourtant, les preuves en sa faveur s'accumulèrent peu à peu jusqu'à atteindre leur paroxysme en 1964, date à laquelle les scientifiques des Laboratoires Bell découvrirent que l'univers baignait dans un océan de rayonnement micro-onde, le résidu électromagnétique du lancement tonitruant de l'univers. Depuis, la théorie du Big Bang structure et oriente l'ensemble des travaux réalisés par les cosmologistes avec autant d'influence que les sphères célestes de Ptolémée sur les astronomes du Moyen Âge.

En 1980, Alan Guth donna un coup de pouce au Big Bang en ajoutant une nouvelle physique des particules à l'espace-temps flexible d'Einstein. Aujourd'hui rattaché au Massachusetts Institute of Technology (MIT), Guth réalisa que pendant son premier billionième de billionième de billionième de seconde (10-35), l'univers primordial aurait connu une expansion brutale, une phase d'inflation, avant de revenir à une croissance plus mesurée.

Cette inflation aurait contribué à lisser la matière et l'énergie en aplanissant la courbure générale de l'espace-temps, tout comme l'ont constaté les satellites en effectuant des mesures précises des micro-ondes cosmiques. De nos jours, certains théoriciens pensent que l'inflation n'était pas qu'un simple feu de paille. Dans un processus permanent de création, l'espace-temps pourrait connaître une inflation éternelle donnant naissance à de nouveaux univers partout et tout le temps à travers une infinité de Big Bangs.

Au sein de notre univers, les grands prêtres de l'astronomie poursuivent la quête cosmologique initiée par Einstein et Hubble, d'abord au mont Wilson, puis à l'observatoire californien de Palomar et son télescope de 5 mètres de diamètre, à 150 km plus au sud. À quelle vitesse l'univers enfle-t-il ? Quel âge a-t-il ? « Répondre à ces questions s'est avéré bien plus difficile que quiconque ne l'avait anticipé, » déclare Wendy Freedman, directrice des Carnegie Observatories.

Il faudra attendre le début de ce siècle et la venue d'un certain télescope prénommé Hubble pour donner à Freedman et aux autres les armes nécessaires à l'estimation de l'actuelle vitesse de l'univers, sans oublier son âge. S'il vous prenait l'envie de lui confectionner un gâteau d'anniversaire, n'oubliez pas les 14 milliards de bougies.

Les astronomes ont découvert des objets étranges dans cet univers en expansion et eux aussi sont des enfants d'Einstein. Dans les années 1930, un jeune physicien indien, Subrahmanyan Chandrasekhar, appliqua le principe de la relativité spéciale et la nouvelle théorie de mécanique quantique à une étoile. Il informa ses pairs de la possibilité pour une étoile qui dépasse une certaine masse de ne pas finir sa vie en naine blanche, comme le fera notre soleil, mais de se laisser comprimer davantage par la gravité, peut-être même jusqu'à un seul point. Horrifié, Eddington déclara qu'il « devait probablement exister une loi de la nature qui empêche une étoile de se comporter de façon aussi absurde ! »

La mort de l'univers pourrait rivaliser avec le chaos de sa naissance si une surprenante forme d'énergie continue d'accélérer l'expansion de l'espace-temps. Depuis les années 1920, les astronomes considéraient que cet expansion ralentissait, mais les récentes observations de lointaines étoiles ont révélé que l'étirement de l'espace se faisait en fait à un rythme ascendant. Si cela se poursuit, l'univers se dirige tout droit vers un « Big Rip », un grand déchirement. Ci-dessus, un artiste expose sa vision de l'un des scénarios possibles, ou comment dans 20 milliards d'années l'expansion incontrôlée de l'univers pourrait pulvériser la matière, des galaxies jusqu'aux atomes. La force qui alimente ce phénomène est une mystérieuse « énergie noire » qui contrebalance l'attraction de la gravité et pourrait au final terrasser toutes les forces qui assurent la cohésion de la matière. Einstein était le premier à introduire la notion de gravité répulsive, mais il s'est plus tard rétracté. D'après le cosmologiste Michael S. Turner à qui l'on doit le nom d'énergie noire, celle-ci « aurait le destin de l'univers entre ses mains. » Nous vivons aujourd'hui la meilleure des époques, sous un ciel rempli d'étoiles, mais il ne tardera pas à s'assombrir et à se vider à mesure que l'espace-temps poursuit son expansion.

Photographie de Illustration réalisée par MOONRUNNER DESIGN

Il n'en existait aucune. Chandrasekhar venait d'ouvrir la voie à la contemplation de l'existence des étoiles les plus étranges qu'il ait été donné d'imaginer. Tout d'abord, il y avait une sphère d'une quinzaine de kilomètres de diamètre uniquement vêtue de neutrons en proie à une supernova, l'explosion d'une étoile massive. La densité d'une étoile à neutrons équivaut à l’intégralité des voitures de la planète compactées dans un dé à coudre. Le musée des curiosités cosmiques s'est ensuite enrichi d'un objet singulier formé par l'effondrement d'une étoile encore plus imposante ou d'un amas d'étoiles, suffisamment massif pour creuser un fossé dans l'espace-temps que rien ne pourrait escalader.

Einstein lui-même essaya de prouver qu'un tel objet, a posteriori baptisé trou noir, ne pouvait exister. À l'instar d'Eddington, imaginer la nature du centre d'un trou noir le répugnait : un point de volume nul et de densité infinie, où les lois de la physique n'ont plus cours. Les découvertes qui auraient pu le forcer à reconnaître l'ignoble héritier de sa théorie sont arrivées après sa mort en 1955.

C'est en 1963 que les astronomes identifièrent le premier quasar, une jeune et lointaine galaxie régurgitant l'énergie d'un billion de soleils en son centre. Quatre ans plus tard, bien plus près de notre chère planète, ils tombaient nez à nez avec le premier pulsar, un phare à la rotation effrénée inondant la nuit cosmique d'un staccato d'ondes radio. Pendant ce temps-là, des capteurs spatiaux détectaient de puissants rayons X et gamma en provenance de différents horizons.

Derrière ces signaux qui désarçonnent la science se cacheraient des astres effondrés, des étoiles à neutrons ou des trous noirs transformés en dynamos par leur écrasante gravité et leur effroyable rotation. Leur découverte a fait prendre un nouveau virage à cet univers que l'on pensait jadis endormi ; il est devenu le cosmos einsteinien comblé de sources d'énergie titanesque qui ne peut être compris que par le prisme de la relativité.

Même les théories les moins acclamées d'Einstein résonnent encore aujourd'hui. Déjà en 1912, il réalisait que la gravité d'une étoile lointaine déformait les rayons lumineux émis par les objets qu'elle précédait, agissant comme une longue-vue géante capable de les grossir à nos yeux. Il arriva finalement à la conclusion que ce petit effet échappait « au pouvoir de résolution de nos instruments » et avait « peu d'intérêt. »

Avec les télescopes actuels, les astronomes sont capables d'utiliser les galaxies ou les amas de galaxies comme puissantes lentilles gravitationnelles qui leur offrent un aperçu d’obejts autrement plus éloignées. Puisque la courbure de la lumière dépend de la masse de la lentille, l'effet permet également à l'observateur de peser les galaxies-lentilles. Il s'avère que leur masse dépasse de loin ce qui est visible ; une facette de la mystérieuse matière noire, les 90 % de la masse de l'univers introuvables dans les étoiles, les gaz, les planètes ou toute autre forme de matière.

Aux commandes des lieux de formation des galaxies, une toile cosmique de matière noire, l'architecte resté dans l'ombre de l'univers, uniquement trahi par les lentilles gravitationnelles et une poignée d'autres procédés. Un effet jugé insignifiant par Einstein nous offre aujourd'hui les clés de l'univers.

Des théoriciens ont également ressorti du placard la constante cosmologique dans le but d'expliquer une étonnante découverte, « la plus grande maladresse » d'Einstein serait-elle en passe de devenir l'un de ses plus beaux succès ? Les astronomes tenaient pour acquis le ralentissement de l'expansion de l'univers induit par la gravité. Cependant, à la fin des années 1990, deux équipes ont mesuré les distances qui nous séparaient d'étoiles lointaines en supernova et en sont arrivées à la conclusion inverse. Telles deux bouées inlassablement écartées par les courants océaniques, ces supernovae ont révélé que le rythme d'expansion de l'espace-temps s'accélérait.

Pour Einstein, la constante cosmologique était un moyen de stabiliser l'univers, mais si son effet répulsif (désormais appelé matière noire) est suffisamment puissant, il pourrait également alimenter cette accélération. « Le besoin est revenu et la constante cosmologique nous attendait, » déclare Adam Riess du Space Telescope Science Institute, l'un des découvreurs de l'accélération. « C'est un concept einsteinien en tout point. »

Il en va de même pour une autre prévision de la relativité générale qui, si elle est confirmée, s'accompagnerait d'une refonte de notre perception du cosmos : les remous de l'espace-temps appelés ondes gravitationnelles. Pour les détecter, les physiciens ont construit trois immenses capteurs, dans le sud de l'État de Washington, en Louisiane et au sud de Pise, en Italie. Dans chaque structure, des rayons laser filent à travers des kilomètres de tuyaux pour mesurer la moindre extension ou compression de l'espace-temps attendue en cas de passage d'une onde gravitationnelle.

En triangulant ces données, les scientifiques pourraient remonter à la source des ondes gravitationnelles. Seuls les événements les plus violents peuvent provoquer ces tressaillements de l'espace-temps, comme une supernova ou la collision titanesque d'étoiles à neutrons ou de trous noirs. « Si deux trous noirs s'entrechoquent, les ondes gravitationnelles seraient l'unique signal à nous parvenir, » explique Adalberto Giazotto, scientifique de projet à l'interféromètre de Pise.

La naissance cataclysmique de l'univers a probablement généré son lot d'ondes gravitationnelles dont la résonance devrait encore se faire « entendre » à travers le cosmos. Ces ondes résiduelles pourraient contenir les preuves directes de l'instant qui aurait vu s'unir la totalité des forces de la nature. Le cas échéant, les ondes gravitationnelles d'Einstein offriraient finalement une piste vers ce qu'il avait tenté en vain de mettre au point : la « théorie du tout ». Les physiciens sont toujours à la poursuite d'une telle théorie, une seule explication pour la force gravitationnelle de l'infiniment grand et celles qui régissent l'intérieur des atomes.

Saisir ces échos résiduels du Big Bang est l'un des principaux objectifs de la NASA pour sa prochaine génération de missions spatiales, un programme que l'agence a baptisé « Beyond Einstein ».

Au-delà d'Einstein, vraiment ? Loin de là. Einstein s'étonnerait peut-être de notre conception actuelle de l'univers, mais n'allez pas vous méprendre : cet univers est le sien.

 

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.

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