Ce que nous ignorons encore de l’univers

Quel pourcentage de l'univers connaît-on ? « Cela dépend de ce que l’on appelle connaître ! » répond Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche émérite au CNRS et membre du Laboratoire d’astrophysique de Marseille. « On observe directement environ 1 % de l’Univers sous forme lumineuse », celle des étoiles et des galaxies. 

Le reste de l’univers n'est pas directement observable, mais on le devine par ses effets. Les astronomes décèlent la matière noire par l'attraction gravitationnelle qu’elle exerce sur la matière visible telle que les galaxies qu'elle retient, dont la rotation rapide les disperserait en son absence. L'énergie sombre agit quant à elle en sens inverse et accélère l'expansion cosmique, c'est-à-dire l'éloignement continu des galaxies les unes des autres. 

Le modèle standard de la cosmologie, confirmé par les mesures du satellite Planck, attribue 4,9 % de l’Univers à la matière ordinaire faite d’atomes, 26,8 % à la matière noire et 68,3 % à l’énergie sombre. Seule une petite partie de cette matière ordinaire est directement visible sous forme d'étoiles et de galaxies lumineuses.

« Cependant, on ignore encore la vraie nature de la matière noire et de l’énergie sombre ; nous n’avons que des "candidats" prédits par des théories », précise Jean-Pierre Luminet. Les candidats avancés pour la matière noire portent des noms de particules encore hypothétiques, comme les WIMPs ou les axions. Tandis que l’énergie sombre est le plus souvent décrite par une « constante cosmologique », un terme qu'Einstein avait introduit dans ses équations puis abandonné, que la découverte de l'expansion accélérée a ensuite rétabli. 

POURQUOI L’UNIVERS EST-IL FAIT DE MATIÈRE ET PRESQUE PAS D’ANTIMATIÈRE ?

À chaque particule de matière correspond une antiparticule de même masse mais de charge électrique opposée. Lorsqu'une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s'annihilent en libérant leur énergie sous forme de lumière. Juste après le Big Bang, l'univers primordial a produit matière et antimatière en quantités égales, qui auraient alors dû s'annihiler intégralement. 

Une infime fraction de matière a pourtant subsisté, et aujourd'hui, « l’antimatière ne représente plus qu’un milliardième de la matière », note Jean-Pierre Luminet.

« Il y a donc eu un processus physique qui, dans les tout premiers instants de l’univers, a éliminé l’antimatière pour ne laisser subsister que la matière, lumineuse ou noire, qui compose les étoiles et les galaxies » explique-t-il. 

Encore théorique, cette prédominance de la matière repose sur ce que les physiciens nomment des « ruptures de symétrie », de légères différences de comportement entre particules et antiparticules. Son origine demeure l'une des grandes questions ouvertes de la physique des particules, car sans ce déséquilibre, ni les galaxies, ni la vie n'auraient pu se développer. 

QU'Y AVAIT-IL AVANT LE BIG BANG ? 

La réponse dépend du cadre théorique, car dans la relativité générale, « le Big Bang est une singularité mathématique marquant l’origine du temps et de l’espace, de sorte que la question d’un “avant Big Bang” est exclue » explique Jean-Pierre Luminet. Une singularité correspond à un état où la densité de la matière et la courbure de l'espace deviennent infinies, et où les équations de la relativité générale cessent de livrer des résultats cohérents. 

Pour décrire un tel instant, les physiciens cherchent à réunir la relativité générale, qui régit la gravitation à grande échelle, et la physique quantique, qui décrit le comportement des particules à l'échelle atomique. Cette théorie de gravité quantique n'existe pas encore sous une forme achevée, mais plusieurs approches l'esquissent. 

La gravitation quantique à boucles, par exemple, supprime la singularité initiale et la remplace par un rebond. Ainsi, l'univers actuel proviendrait d'un univers antérieur, contracté jusqu'à un point limite avant de se dilater de nouveau. La question d'un « avant » retrouverait alors un sens, c'est ce qu'on appelle aussi le « Big Bounce ».

Jean-Pierre Luminet rappelle néanmoins la fragilité de ces modèles, car « ces nombreuses théories sont encore en construction, et aucune n’a pu encore être prouvée expérimentalement ». 

Le terme de multivers recouvre l'idée selon laquelle notre univers ne serait pas unique, mais bien un univers parmi un très grand nombre, voire une infinité. 

Jean-Pierre Luminet explique le succès actuel de cette hypothèse par son caractère « spectaculaire », mais reste sceptique. Selon lui, le multivers découle de théories de gravité quantique encore inabouties. « Je crains donc que l’idée ne soit pas vérifiable expérimentalement, malgré ce qu’en disent certains cosmologistes », tranche-t-il.

L’UNIVERS A-T-IL UNE FORME ? 

« Absolument », affirme l’astrophysicien. Beaucoup l’imaginent infini, mais « il y a plusieurs formes d’infini », précise-t-il, et « l’infini ne peut être mesuré ! ».

Il privilégie plutôt l’hypothèse d’un « univers fini, bien que sans bord », à laquelle il a consacré plusieurs recherches. L’image souvent employée est celle d’une surface qui se referme sur elle-même, comme un voyageur qui, en allant toujours tout droit, finirait par revenir à son point de départ sans avoir rencontré la moindre frontière.

Avec ses collaborateurs, Jean-Pierre Luminet a décrit plusieurs formes envisageables pour un tel espace, regroupées sous le nom d’« univers chiffonnés ». La plus connue est celle de « l’espace sphérique dodécaédrique », proposée dans la revue Nature en 2003. 

« La question reste cependant ouverte, plusieurs formes restant compatibles avec les observations actuelles », tempère l’astrophysicien.

EXISTE-T-IL D’AUTRES DIMENSIONS QUE CELLES QUE NOUS PERCEVONS ? 

« Notre compréhension actuelle de l’univers repose sur la théorie de la relativité générale d’Einstein », rappelle Jean-Pierre Luminet. Celle-ci décrit quatre dimension, trois d’espace et une de temps, liées entre elles au sein de l’espace-temps. « Toutefois, la relativité générale n’est pas définitive car, si elle décrit bien la gravité, elle n’inclut pas les phénomènes quantiques qui décrivent les autres forces fondamentales de l’univers », explique-t-il.  

La théorie des cordes, la plus connue d'entre elles, en imagine six ou sept de plus, repliées à des échelles trop petites pour être observées. Pour l’astrophysicien, « ce n’est qu’une astuce mathématique », et « aucune mesure expérimentale n’a, pour l’instant du moins, laissé le moindre indice d’autres dimensions que les quatre dimensions usuelles ».

QUE SAIT-ON DU DESTIN DE NOTRE UNIVERS ? 

« Vaste question » : Jean-Pierre Luminet y a consacré un ouvrage de 600 pages. L'avenir de l'univers dépend de son expansion, qui pourrait se poursuivre indéfiniment ou laisser place à une contraction. Les observations actuelles favorisent la première possibilité, « un univers se refroidissant indéfiniment vers le zéro absolu », décrit Jean-Pierre Luminet, un scénario que les cosmologistes nomment « Big Chill », ou « Grand Refroidissement ».  

À très long terme, les étoiles s’éteindront une fois leur combustible épuisé, certaines laissant derrière elles des trous noirs. L’astrophysicien imagine alors un univers réduit à « un vaste cimetière de trous noirs de toutes tailles ». 

Ces astres eux-mêmes ne seraient pas éternels. Stephen Hawking a montré en 1974 qu’un trou noir s’évapore lentement en émettant un faible rayonnement, jusqu’à disparaître au terme de durées sans commune mesure avec l’âge actuel de l’Univers.

POURQUOI RESTE-T-IL AUTANT DE ZONES D’OMBRES ? 

Si tant de questions demeurent, cela tient à la nature même de la recherche. « Chaque nouvelle découverte, si elle peut résoudre certaines énigmes passées, en dévoile de nouvelles auxquelles on n’avait pas forcément pensé », observe Jean-Pierre Luminet. « C’est tout l’intérêt de la recherche scientifique : ne jamais s’arrêter à un savoir acquis, et creuser toujours plus les inévitables zones d’ombre de nos modèles », conclut-il.