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    Les 7 grandes énigmes de l’Univers  
    Véronique Étienne - Ciel & Espace no. 530, juillet 2014 - 2014-07-01      
    L'Univers tel que nous le connaissons a commencé son histoire voilà 13,8 milliards d'années par un événement singulier : le big bang.  
    En un instant, il s'est mis à enfler de manière exponentielle, et bien plus tard à allumer des étoiles, à fabriquer des galaxies. Et dans la périphérie de l'une d'elles, la Voie lactée, la vie s'est mise à prospérer sur une petite planète bleue. Aujourd'hui, cet Univers est toujours en expansion, emporté par une force inconnue. Et 80% de sa matière échappent à nos télescopes. Nous lui connaissons quatre dimensions, mais peut-être en possède-t-il davantage… Autant de faits et d'étapes dont les mécanismes nous restent mystérieux.  
1.  

Qu'y avait-il avant le big bang ?

 
    Si l’on se fonde sur la théorie de la relativité générale, la question de l'allant-big bang n’a aucun sens, car le big bang est le début du temps. C’est comme si vous demandiez à un explorateur ce qu'il a trouvé au nord du pôle Nord ! compare Aurélien Barrau, du Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble. Jusqu'à il y a une vingtaine d'années, la question ne se posait donc pas.  
    L'ennui, c'est que, justement, la relativité générale n’est pas adaptée pour décrire ce qui se passe au voisinage du big bang, poursuit le chercheur. Si l'on extrapole la théorie d'Einstein 13,8 milliards d'années dans le passé - l'âge de l'Univers -, température et densité du cosmos deviennent infinies! Les scientifiques élaborent donc des théories pour étendre la relativité générale à ces époques, en intégrant l'autre grande théorie de la physique, la mécanique quantique, qui décrit l'infiniment petit. Et dans certaines théories de "gravité quantique", le big bang n'est plus l'instant zéro : il y a un avant…  
    Par exemple, dans celle qui porte le joli nom de "gravitation quantique à boucles", le big bang disparaît au profit d'un big bounce - un grand rebond. "Ce qu’on appelait big bang devient un goulet d'étranglement, une transition entre une phase de contraction et une phase d'expansion", décrit Aurélien Barrau. Des ondes gravitationnelles engendrées par la phase de contraction pourraient avoir survécu dans l'Univers actuel. On pourrait donc découvrir des traces provenant d'avant le big bang… "Mais, pour l'instant, cela reste de la science-fiction", admet le chercheur grenoblois.  
   

La nébuleuse NGC 1999 est une vaste formation de gaz illuminé par l’étoile V380 Orionis. Elle est ben connue pour la petite cavité sombre visible en son centre. L’ensemble apparaît dans le ciel à 2° de la célèbre nébuleuse d'Orion, M 42.

 
Lexique   Mécanique quantique  
    Théorie décrivant les phénomènes physiques aux échelles microscopiques.  
    Ondes gravitationnelles  
    Petites perturbations de la géométrie de l’espace-temps qui s'y propagent à la vitesse de la lumière.  
    Relativité générale  
    Théorie de la gravitation proposée par Albert Einstein en 1915. Elle nous sert à décrire l'Univers à grande échelle.  
En chiffres   13,8 milliards d'années  
    C'est l’âge de l’Univers depuis le big bang, qui constitue notre limite observationnelle. Cette estimation est issue des mesures du satellite européen Planck, qui a sondé les confins de cosmos de 2009 à 2013.  
2.  

Qu'est-ce qui a produit l’inflation ?

 
    Les cosmologistes en sont de plus en plus convaincus : juste après le big bang, l'Univers s'est dilaté de façon colossale. En une fraction de seconde, sa taille a été multipliée par 1030 (1 suivi de 30 zéros). Une phase nommée "inflation", concept introduit au début des années 1980… par nécessité. Sans cet événement, impossible d'avoir aujourd'hui un Univers plat (c'est-à-dire à géométrie plate. dans laquelle deux droites parallèles ne se rencontrent jamais) et homogène à grande échelle (les galaxies sont bien réparties). Problème : quel phénomène a permis cette expansion délirante ? Les physiciens imaginent l'existence d'une particule exotique, baptisée inflaton, dont la force répulsive aurait causé cette dilatation phénoménale. Après avoir fait son œuvre, elle aurait disparu en produisant des électrons, des quarks, de la matière noire et de la lumière… Problème : nous n'avons aucune preuve tangible de son existence.  
    Nous sommes dans la même situation qu’avant la détection du boson de Higgs : il ne nous manque plus que la preuve expérimentale, explique Patrick Peter, de l'Institut d'astrophysique de Paris (IAP). Mais l’énergie nécessaire pour détecter l'inflaton est de 1 à 1’000 milliards de fois plus grande que celle atteinte au LHC. On ne détectera donc sans doute jamais cette particule, mais on peut vérifier les conséquences de la théorie. Ainsi, les ondes gravitationnelles produites par l'inflation auraient été détectées début 2014 par l'expérience Bicep 2. Selon Patrick Peter, la confirmation ultime viendra de la confrontation de ces ondes gravitationnelles et des fluctuations de la plus vieille lumière de l'Univers, le "fonds diffus cosmologique" cartographié par le satellite Planck. "Si ce résultat est validé, il deviendra pratiquement impossible d'imaginer qu'il sest passé autre chose que l'inflation", estime le chercheur.  
   

En une fraction de seconde, la taille du tout jeune Univers a doublé 100 fois de suite. Une brusque dilatation, baptisée inflation. Mais cette étape est inaccessible à l'observation. Pour prouver son existence, nous ne pouvons qu'en chercher les effets indirects.

 
Repère   L'enfance de l'Univers  
    Le fonds diffus cosmologique est le vestige de la première lumière de l'univers, émise 380'000 ans après le big bang, quand les photons (particules de lumière) ont pu enfin se propager dans l'espace. Il est à présent très dilué et très froid (3K, soit -170°C). Ce "rayonnement fossile" a été cartographié par le satellite de l'ESA Planck. Relativement homogène sur l'ensemble du ciel, il présente cependant d'intimes fluctuations, prémices des grandes structures de l’Univers.  
3.  

Comment naissent et meurent les galaxies ?

 
    Spirales, elliptiques, naines… le bestiaire des galaxies actuelles est très varié. Mais comment se sont formés ces édifices de gaz, d'étoiles et de poussières, aux morphologies si différentes ? "Selon le modèle classique, dit hiérarchique, on pensait que les petites galaxies avaient fusionné pour donner des galaxies de plus en plus grosses, explique Françoise Combes, de l'observatoire de Paris. Or, ce n’est pas si simple." On sait désormais que les galaxies grandissent surtout alimentées par d'immenses filaments de gaz qui les entourent. Cela n'explique pas pourquoi des galaxies massives ont existé très tôt dans l'Univers - dès son premier milliard d'années. Une situation que les modélisations n'arrivent pas à restituer. De même, ces simulations produisent trop de petites galaxies naines : "D'après elles, notre galaxie, la Voie lactée, devrait être entourée de milliers de petits satellites. Or, on ne lui en connaît qu'une dizaine", indique l'astrophysicienne.  
    Quant aux toutes premières galaxies, elles ont dû apparaître dans les premiers 100 à 200 millions d'années du cosmos, mais les plus anciennes ne sont détectées que 500 millions d'années après le big bang. Les "graines" à leur origine étaient déjà présentes dans l'Univers âgé de 100’000 ans : des grumeaux de matière noire ont formé des puits gravitationnels où le gaz est allé ensuite s'accumuler, Des étoiles s'y sont allumées 100 millions d'années plus tard. Ces galaxies primitives étalent bien différentes de celles que nous connaissons - "plus chaotiques, avec quelques grumeaux d'étoiles", décrit Françoise Combes. En se formant, les étoiles consomment et stabilisent le gaz. Lorsque l'Univers était à la moitié de son histoire, la formation stellaire était maximale et les galaxies ont alors pris des formes plus régulières, comme celle de notre Voie lactée. Aujourd'hui, les étoiles naissent à un rythme 10 à 100 fois plus lent, dans des galaxies plus petites, les grosses, ayant flambé tout leur gaz, sont mourantes, C'est le cas des galaxies elliptiques, nées par fusion de galaxies spirales qui perdent leur disque de gaz dans le processus. Pourquoi le gaz, encore si abondant (90% de la matière ordinaire), n'alimente-t-il plus la formation d'étoiles dans ces galaxies ? Sans doute parce que l'expansion rend moins efficace ce mécanisme.  
    Pour répondre à ces questions, les chercheurs vont réaliser de grands relevés de milliards de galaxies. Avec bientôt le télescope à grand champ LSST, installé au Cerro Pachón, au Chili, ou avec le réseau Alma, situé un peu plus au nord. La découverte de particules de matière noire pourrait également apporter des réponses, car "le nombre de galaxies formées en fonction du temps dépend de la nature de cette matière de nature inconnue", conclut Françoise Combes.  
   

La galaxie spirale NGC 1313 est particulièrement prolifique en étoiles. Cette vue du télescopa de 8 m Gemini révèle une multitude de nuages de gaz brillants, indices d'un baby-boom stellaire intense.

 
4.  

Comment est apparue la vie sur terre ?

 
    C'est l'une des énigmes les plus fascinantes de la science : comment, il y a de cela plus de 3,5 milliards d'années, la vie est-elle apparue sur une petite planète bleue, autour d'une étoile quelconque de la Galaxie ? Alors que nous cherchons aujourd'hui des indices de vie sur d'autres planètes lointaines, nous ne savons toujours pas comment elle a démarré sur la nôtre !  
    La première difficulté consiste à définir "le vivant". "Je suis de ceux qui pensent que toute définition est purement arbitraire, estime Robert Pascal, de l'Institut des biomolécules Max Mousseron, à Montpellier. Il n’y a pas eu de rupture brutale entre le non-vivant et le vivant, plutôt une transition graduelle." Mais sur Terre, la tectonique des plaques et l'érosion ont effacé les indices de cette transition. Les plus vieux "fossiles" connus, en Australie, sont des roches calcaires appelées stromatolites, qui auraient été construites par l'activité de bactéries voici 3,45 milliards d'années. Et avant ? L'eau, indispensable à la vie, coulait peut-être à la surface de la Terre 100 millions d'années après sa formation, il y a 4,5 milliards d'années. Mais des météorites ont bombardé notre planète jusqu'à 3,9 milliards d'années dans le passé, éradiquant peut-être toute évolution précoce…  
    La chronologie précise des événements nous échappe, mais rien n'empêche d'imaginer les mécanismes. Les premières étapes se sont produites dans l'espace : une centaine de secondes après le big bang se sont formés les atomes les plus légers - hydrogène, hélium et lithium. Quelques centaines de millions d'années plus tard, les pre¬mières étoiles vont combiner ces éléments légers en atomes de plus en plus lourds, dont le carbone, l'oxygène, l'azote, etc. Libérés dans le cosmos à la mort de ces astres, ces atomes s'associent en molécules organiques, briques du vivant. Les comètes pourraient les avoir apportées sur Terre… et sans doute aussi sur d'autres planètes, comme notre voisine Mars ! Y découvrir des traces de vie primitive nous donnerait une idée de ce qui a pu se passer sur Terre. Notamment, de la manière dont les molécules organiques se sont assemblées pour créer les premiers êtres vivants. Une chose est sûre : cette étape s'est produite dans l'eau.  
    En attendant, Robert Pascal cherche donc des systèmes chimiques évoluant dans l'eau, et qui répondraient aux lois de l'évolution biologique. C'est-à-dire capables de se reproduire, avec une certaine variabilité, et d'être sélectionnés selon leur adaptation au milieu. Aujourd'hui, les biochimistes connaissent quelques mélanges aptes à se multiplier, mais aucun qui soit à la fois compatible avec les conditions de la Terre primitive et susceptible de donner lieu à une évolution.  
    Ils tiennent pourtant un bon candidat: l'ARN (acide ribonucléique). Cette molécule parente de l'ADN sert de matériel génétique à certains virus… et sans doute aussi à des êtres vivants primitifs à présent disparus, comme ceux qui ont formé les stromatolites australiens. "Un ‘monde ARN' aurait précédé le monde basé sur l'ADN et les protéines que nous connaissons aujourd'hui, explique Marie-Christine Maurel, directrice du laboratoire Acides nucléiques et biophysique. En effet, l'ARN est à la fois capable de transmettre des informations - comme l’ADN - et d'exercer une activité catalytique - comme les protéines. Mais il reste à savoir comment un ARN a pu apparaître." La suite est mieux comprise, notamment la formation des premières cellules, dont sont constitués tous les organismes. "Toutes ces réactions chimiques ont dû se produire dans un endroit assez confiné pour que les molécules puissent se rencontrer; par exemple, une cavité dans une roche, propose la biologiste. Par la suite, des molécules lipidiques ont pu se déposer sur les parois et former une membrane autour de ce système." II faudra combiner simulations informatiques, expériences sur la "paillasse" des laboratoires et recherches en astrobiologie pour percer les mystères qui subsistent.  
   

La belle comète Lovejoy photographiée depuis la station spatiale internationale, en décembre 2011. Dans un lointain passé, les briques du vivant formées dans l'espace ont peut-être été apportées sur Terre par un bombardement de comètes.

 
5.  

Combien l’Univers a-t-il de dimensions ?

 
    Sans le savoir, nous vivons peut-être dans un Univers à dix dimensions ! L'idée n'est pas nouvelle: dans les années 1920, les physiciens Theodor Kaluza et Oscar Klein cherchent à compléter la théorie de la relativité générale d'Einstein (qui décrit la gravitation) en y ajoutant la force électromagnétique. Ils s'aperçoivent que l'on peut unifier ces deux interactions fondamentales en une seule équation… à condition d'imaginer une cinquième dimension (en plus du temps et des trois dimensions d'espace), trop petite pour être visible.  
    Un peu abandonnée, l'idée a resurgi avec la théorie des cordes. Son ambition est non seulement d'étendre la relativité générale dans les domaines à très haute énergie, comme le big bang, en la combinant avec la mécanique quantique, Mais aussi d'expliquer par une équation unique les quatre forces fondamentales, Selon ses versions, cette théorie prédit non pas trois ou quatre dimensions d'espace, mais neuf ou dix ! Un tel Univers défie notre imagination. Et pour le moment, ces dimensions supplémentaires échappent aussi à la détection, En raison de leur taille, minuscule; elles seraient enroulées sur elles-mêmes avec un rayon inférieur au centième de millimètre (la taille d'une bactérie) ou même à 10-18 m (celle d'un quark), Comme nous sommes bien plus grands que ces échelles, nous n'avons accès qu'aux trois dimensions d'espace que nous connaissons.  
    Mais les physiciens spécialistes des cordes font des prédictions qui pourraient être testées dans les grands accélérateurs de particules. "Placée dans un espace à dimensions supplémentaires, une particule devrait apparaitre à l'observateur accompagnée d'un cortège de nouvelles particules aux propriétés caractéristiques", explique Cédric Deffayet, chercheur en physique théorique à l'Institut d'astrophysique de Paris (IAP). Reste à détecter ces nouvelles particules. Mais pour accéder aux dimensions les plus petites (si elles existent !), il faudra sans doute augmenter la capacité des accélérateurs.  
   

La majorité d'entre nous vit dans un monde à quatre dimensions : les trois dimensions d'espace, plus celle du temps, Mais sachez que certains physiciens fréquentent des univers à onze dimensions ! Ces théories, qui défient l’imagination, conduisent à l'hypothèse d’univers multiples.

 
Lexique   Interactions fondamentales  
    Les quatre forces qui suffisent à décrire l'Univers : la gravitation, la force électromagnétique et les interactions forte et faible (qui agissent toutes deux au niveau atomique).  
    Quark  
    Particule élémentaire formant les protons et les neutrons, eux-mêmes constituants du noyau des atomes.  
6.  

Où se cache la matière noire ?

 
    Les galaxies ne tournent pas rond ! Leurs étoiles tournent trop vite pax rapport à ce que prévoit la loi de la gravitation. Le fait que les galaxies elles-mêmes se déplacent trop vite au sein des amas de galaxies a conduit Fritz Zwicky, dès 1933, à émettre l'hypothèse d'une masse invisible, cause de ce manège accéléré. Une "matière noire", 5 fois plus abondante que la matière ordinaire qui constitue étoiles, planètes, nébuleuses…  
    De quoi se compose cette masse qui échappe à nos télescopes ? Les astronomes ont d'abord pensé à des naines brunes (des étoiles trop petites pour briller), des planètes, du gaz très froid… Mais au début des années 2000, leurs recherches n'ayant rien donné, ils se sont tournés vers l'infiniment petit. Ils ont imaginé une matière noire constituée de particules exotiques, les wimps. Purement théoriques, celles-ci seraient 100 à 1’000 fois plus massives qu'un atome d'hydrogène et baigneraient tout l'Univers. Non seulement nous ne les voyons pas (elles n'émettent ni n'absorbent de lumière), mais elles nous traverseraient sans que nous les sentions, car elles interagissent très peu avec la matière dont nous sommes faits. C'est d'ailleurs ce qui fait toute la difficulté à les détecter. Pourtant, de temps à autre, il doit bien se produire un choc entre une wimp et un atome, qui se traduirait par une infime élévation de température. Pour traquer un événement rare, des capteurs de taille colossale ont été enfouis dans d'anciennes mines ou sous des montagnes afin d'éviter l'influence parasite d'autres rayonnements. Sans succès pour l'instant…  
    Malheureusement, le voisinage de la Terre n'est pas l'environnement le plus riche en matière notre : dans le Système solaire, la matière ordinaire prédomine. Une sphère de matière noire englobe notre galaxie, la Voie lactée. Elle est davantage présente dans les amas de galaxies, qui se seraient formés à la croisée de grands filaments cosmiques de matière noire.  
    Des instruments sont pointés dans ces directions, dans le but de capter non pas des wimps, mais des signes de leur disparition. Selon la théorie la mieux établie, deux wimps qui se rencontrent s'annihilent en produisant des rayons gamma, des neutrinos et des particules d'antimatière. Le satellite Fermi (Nasa) a détecté un excès de rayons gamma dans le centre de la Voie lactée. Et AMS 2, un détecteur d'antimatière installé sur la station spatiale internationale, mesure un excès d'antiprotons et d'antiélectrons.  
    Il se passe quelque chose de nouveau. C’est très excitant, confie Sylvie Rosier-Lees, chef de projet AMS-France au Lapp, qui reste néanmoins prudente dans l'attente de détections directes. "On aura une réponse d'ici un an ou deux, espère la physicienne. Les détecteurs directs vont commencer à atteindre une sensibilité optimale, comme Xenon IT, une immense cuve contenant de xénon liquide, en construction au laboratoire du Gran Sasso, sous le massif des Apennins (Italie). À moins que les physiciens du Cern ne réussissent d'ici là à fabriquer des wimps au LHe, le grand accélérateur de particules construit entre la France et la Suisse.  
    Reste une possibilité : et si malgré les énergies déployées, les wimps restaient insaisissables ? Il faudrait alors modifier la théorie de la gravitation. L'idée n'est plus jugée farfelue - elle est proposée depuis les années 1980 par l'Israélien Mordehai Milgrom dans son modèle Mond -, mais ce serait une révolution.  
   

La plupart de la matière échappe à notre regard ! Dans certaines galaxies, une masse invisible semble accélérerr la ronde des étoiles, ou encore celle des galaxies dans les amas de galaxies. L'amas de Corna,. dominé par la galaxie spirale NGC 4911, photographié par le télescope Hubble.

 
7.  

Quelle est cette énergie qui accélère l’expansion ?

 
    L'expansion de l'Univers engendrée avec le big bang aurait dû s'essouffler lentement. Or, des observations menées depuis 1998 montrent qu'au contraire, elle accélère depuis 5 ou 6 milliards d'années. Sans que l'on comprenne pour¬quoi. Yannick Mellier, astronome à l'IAP, dirige le consortium qui lancera en 2020 le satellite européen Euclid, chargé de résoudre l'énigme.  
    Comment les scientifiques expliquent-ils que l'expansion de l’Univers s'accélère ?  
    Il y a trois grands types de modèles. Dans le premier, une nouvelle force, l’énergie sombre, contrecarrerait l'effet de la gravitation. Ce serait une propriété de l'espace-temps, dont l'influence augmenterait en même temps que l'Univers grandit. Autre hypothèse: notre compréhension de la gravitation est incomplète. Enfin, contrairement à ce que l'on suppose, l'Univers n'est pas peut-être homogène et isotrope, ce qui biaiserait nos mesures de distances.  
    Le satellite Euclid va-t-il permettre de trancher ?  
    Oui ! Euclid a été conçu pour trancher cette question à coup sûr : est-ce l'énergie sombre ou une gravitation modifiée qui fait enfler l'Univers de plus en plus vite ? Et quelles sont les caractéristiques de cet objet nouveau ? Par exemple, s'il s'agit d'énergie sombre, est-elle constante ou ses propriétés varient-elles avec le temps ? Quelle que soit la réponse, ce sera une révolution pour la physique : soit on découvre une cinquième interaction fondamentale, soit on modifie la théorie de la relativité d'Einstein !  
    Concrètement, comment allez-vous faire ?  
    Euclid disposera d'un instrument d'imagerie semblable à celui du télescope spatial Hubble, mais il observera une zone bien plus vaste : un tiers du ciel. Nous allons ainsi mesurer la déformation de deux milliards de galaxies, due à la présence de matière noire. Cela nous permettra de cartographier la distribution de matière noire au cours des 10 derniers milliards d'années. Et, avec une caméra infrarouge, nous allons reconstituer la répartition des galaxies et son évolution au cours du temps. Or, tout cela dépend de l'accélération de l'Univers. Nous allons donc comparer ces observations avec ce que prédisent les différents scénarios.  
       
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