Univers observable

Historique de la notion d'Univers

C'est encore au « miracle grec » -600 à - 470 av. JC. que l'on doit les premières avancées significatives dans la compréhension du monde. Les philosophes Parménide, Platon (428/427 - 348/347 av. JC), et Aristote (384 - 322 av. JC) avaient intégré l'idée d'une Terre sphérique, mais ils la voyaient au centre de l'univers physique, alors que l'école de Milet se représentait la Terre plate.
Ératosthène (276 - 194 av. JC) se livre à des calculs sur la circonférence terrestre, il ne se trompe apparemment que de 650 km (environ 1,5 % d'erreur). Toutefois, il a exprimé son résultat en stades, dont la valeur variait d'un endroit à l'autre, et la distance entre les villes d'Alexandrie et de Syène, entre lesquelles il effectua sa mesure n'était connue qu'en journées de chameau, ce qui rend la précision de la mesure, suspecte.
Aristarque de Samos (310 - 230 av. JC) est le premier, semble-t-il, à comprendre que le système planétaire est héliocentrique. Cette découverte ne fait alors pas l'unanimité, pour des raisons philosophiques en désaccord avec la conception géocentrique du monde qui était retenue par de grands philosophes comme Parménide, Platon, et Aristote. Il calcule aussi la distance Terre-Lune dont il trouve une valeur très précise (60 rayons terrestres).
Hipparque (IVe siècle av. JC) poursuit ce travail : il recalcule la distance Terre-Lune, recense 1500 étoiles, retrouve approximativement la période de précession des équinoxes, qui était déjà connue des Babyloniens. La révolution dite copernicienne va bouleverser cette cosmologie, en trois étapes.
Copernic (1473-1543) redécouvre l'héliocentrisme. Toutefois, cette redécouverte n'est que partiellement révolutionnaire. En effet, Copernic reste attaché aux sphères transparentes censées soutenir les planètes et leur imprimer leur mouvement. Copernic présente son système comme un simple artifice destiné à simplifier les calculs, ce qui lui évite des ennuis avec le clergé. Le dominicain Giordano Bruno (1548 - 1600) défend la réalité du modèle héliocentrique et l'étend à toutes les étoiles, ouvrant la dimension de l'univers physique à l'infini.

Kepler, (1571 - 1630) Galilée (1564 - 1642) et Newton (1643 - 1727) posent les bases fondamentales de la mécanique à partir du mouvement des planètes, grâce à leurs études respectives sur le mouvement elliptique des planètes autour du Soleil, l'affinement des observations astronomiques avec la définition du mouvement uniformément accéléré, et la formalisation mathématique de la force de gravité. L'univers, toutefois, reste confiné dans le système solaire.
Edwin Hubble (1889 - 1953) s'aperçoit grâce au décalage vers le rouge des rayonnements électromagnétiques en provenance d'autres galaxies, que la vitesse d'éloignement d'une galaxie est proportionnelle à son éloignement, ce qui signifie que l'univers est en expansion. En extrapolant l'expansion de l'Univers dans le passé, on découvre une époque où celui-ci a du être beaucoup plus chaud et beaucoup plus dense qu'aujourd'hui. C'est le modèle du Big bang qui fait alors son apparition dans la cosmologie, corroboré expérimentalement.
Après une phase d'inflation cosmique très brève mais durant laquelle l'univers aurait grandi de façon extrêmement rapide, l'essentiel des particules de l'univers auraient été créées. La lumière de ses premiers instants, appelé fond diffus cosmologique, est observé avec une grande précision par toute une série d'instruments. C'est l'observation de ce rayonnement fossile, remarquablement uniforme dans toutes les directions qui permet un consensus scientifique sur la description du modèle du Big bang.

N. B. : Le « miracle grec » désigne le changement de mentalité radical et l'extraordinaire avancée sociétale et culturelle qui a eu lieu durant le Ve siècle av. J.-C. dans la Grèce antique. Un groupe de mathématiciens et de cosmologistes décident de proposer des explications non-mythologiques du monde. Les auteurs de cette période sont désignés sous le terme générique de "présocratiques".

Image : Image simulée d'une mince tranche de l'univers. La structure en toile d'araignée des amas de galaxies semble lier ensemble ces amas par des filaments de matière. Les amas de galaxies sont les plus grandes structures de l'Univers local, notre Univers. Entre les galaxies on y trouve de la matière constituée de gaz chaud, formant un plasma de millions de degrés. Les amas de galaxies se forment aux croisements des filaments qui composent cette toile d'araignée cosmique. L'Univers est constitué de matière répartie le long de ses immenses filaments entre lesquels se trouvent de vastes bulles vides de matière.

Le rayonnement fossile

La découverte du rayonnement fossile Fond du ciel, rayonnement de micro-ondes à basse température arrivant à la surface de la Terre depuis toutes les directions du cosmos. On l'appelle ainsi parce qu'il forme un arrière-plan à toutes les sources radio ponctuelles qui ont été détectées par les radiotélescopes. Il fut détecté pour la première fois par Arno Penzias et Robert W. Wilson, en 1965, aux Laboratoires de Bell Telephone, dans le New Jersey. sans source spécifique et résidu des conditions extrêmes qui prévalurent dans les premiers instants de l'univers, a permis de conclure que l'Univers, il y a 15 Milliards d'années, a été à une température d'au moins 3000°C. C'est Arno Penzias et Robert Wilson (1965) qui découvrirent l'existence du rayonnement de fond du ciel à 2,7 K (-270°C). Cette radiation naturelle cosmique peut être trouvée depuis toutes les directions de l'espace.
Sommes-nous remonter au début de l'Univers ?
C'est dans ces conditions que l'Univers passe d'un état opaque à un état transparent, c'est à dire lumineux.
Mais que se passe-t-il au delà de cette période ?
L'Univers étant opaque nous ne pouvons rien voir. Heureusement il existe d'autres fossiles. L'autre fossile, c'est l'abondance relative de certains éléments (Hélium, Hydrogène, Lithium lourd). Les physiciens sont arrivés à la conclusion que l'Univers a été à un moment donné à une température d'au moins 10 milliards de degrés. Cette période se situe 1 million d'années avant le passage à l'état transparent (3000°). Si l'on remonte encore un peu dans le temps, l'Univers atteint des températures de l'ordre du trillion de degré. Dans cet état il n'est pas composé de noyaux de neutrons et de protons, mais d'une soupe de quarks et de gluons. Les quarks s'attirent et se repoussent en échangeant des gluons comme les électrons dégagent des photons dans les champs électromagnétiques.

C'est seulement quand la température diminue que les quarks se combinent pour donner les neutrons, les protons et les mésons. Si l'on remonte encore plus loin, une centaine de seconde avant, on trouve encore des fossiles. Par exemple, le nombre de photons par rapport au nombre d'atomes, est de 3 milliards.

N. B. : Les trois unités de mesure utiles en astronomie pour exprimer les distances :
- une année-lumière (a.l.) Une année-lumière est une unité de distance utilisée en astronomie. Une année-lumière est égale à la distance que parcourt la lumière dans le vide en l'espace d'une année (31 557 600 secondes), soit environ 10 000 milliards de kilomètres. vaut 63 242,17881 au, soit exactement égale à 9 460 895 288 762 850 mètres.
- un parsec (pc Le parsec est la distance à laquelle une unité astronomique sous-tend un angle d'une seconde d'arc..) est égal à 206 270,6904 UA ou 3,2616 années-lumière soit 30 857 656 073 828 900 mètres.
- une unité astronomique (au (symbol : ua ou au) Créée en 1958, c’est l'unité de distance utilisée pour mesurer les distances des objets du système solaire, cette distance est égale à la distance de la Terre au Soleil. La valeur de l'unité astronomique représente exactement 149 597 870 700 m, lors de son assemblée générale tenue à Pékin, du 20 au 31 août 2012, l'Union astronomique internationale (UAI) a adopté une nouvelle définition de l'unité astronomique, unité de longueur utilisée par les astronomes du monde entier pour exprimer les dimensions du Système solaire et de l’Univers. On retiendra environ 150 millions de kilomètres. Une année-lumière vaut approximativement 63 242 ua. Mercure : 0,38 ua, Vénus : 0,72 ua, Terre : 1,00 ua, Mars : 1,52 ua, Ceinture d’astéroïdes : 2 à 3,5 ua, Jupiter : 5,21 ua, Saturne : 9,54 ua, Uranus : 19,18 ua, Neptune : 30,11 ua, Ceinture de Kuiper : 30 à 55 ua, Nuage d’Oort : 50 000 ua.) vaut depuis le 30 Aout 2012, exactement 149 597 870 700 mètres.

Tableau : équivalences entre les unités de distance.

Image : Le rayonnement du fond du ciel est un rayonnement naturel de microondes fossiles à 2.73 K.
Ces fluctuations de densité de l'ordre de 1/100 000ème témoignent qu'environ 380 000 ans après le Big Bang, il existait des zones hétérogènes dans l'univers d'une taille comprise entre 100 et 1000 Mpc (méga parsec).
Cette image a été réalisée par le satellite Cobe en 1992.

L'âge de l'Univers

L'âge de l'Univers a été précisé grâce aux observations de la sonde WMAP. Les paramètres cosmologiques indiquent une valeur probable pour l'âge de l'univers d'environ 13,8 milliards d'années avec une incertitude de 0,2 milliard d'années. Ceci est en accord avec les données issues de l'observation des amas globulaires et des naines blanches. L'univers observable contient environ 7×10²² étoiles, répandues dans environ 10¹⁰ galaxies, elles-mêmes organisées en amas et superamas de galaxies. Le nombre de galaxies pourrait être encore plus grand.
Pourquoi les spécialistes de la cosmologie emploient souvent le terme univers dans le sens d'univers observable ?
Parce que nous le voyons tel qu'il était il y a 13,8 milliards d'années mais depuis, l'univers a continué de grandir. Ainsi l'univers que nous voyons est une bulle de 13,8 milliards d'années de rayon, ce qui explique que nous vivons au centre de l'univers observable, en contradiction apparente avec le principe de Copernic qui dit que l'univers est plus ou moins uniforme et ne possède aucun centre en particulier.

Comme la lumière ne se déplace pas à une vitesse infinie, les observations que nous faisons proviennent donc du passé. En regardant de plus en plus loin, nous voyons les objets tel qu'ils étaient dans le passé, à une époque de plus en plus proche du Big Bang.
Puisque la lumière se déplace à la même vitesse dans toutes les directions, tous les observateurs de l'univers vivent au centre de leur univers observable.
L'Univers contient par définition tout ce qui existe, y compris l'espace-temps, il n'a donc pas de « bord ».
En effet, l'existence d'un bord impliquerait qu'au-delà de ce bord, on ne serait plus dans l'Univers, cette notion n'est donc pas intuitive.

Image : En 2009, les analyses de l'image WMAP indiquent que l'Univers est âgé de 13,8 milliards d'années (≈1%), il est composé de 73 % d'énergie sombre, 23 % de matière sombre froide, et de seulement 4 % d'atomes. Il est actuellement en expansion au taux de 71 km/s/Mpc (≈5 %). Il est passé par des épisodes d'expansion rapide appelés inflation et grandira pour toujours.
Crédit: Équipe scientifique WMAP, NASA

L'Univers que nous ne voyons pas

L'univers n'est pas constitué que d'atomes, 96% de notre Univers est porté manquant. C'est une théorie que nous avons du mal à conceptualiser. Dans le nord de l'Angleterre au fond d'une mine à 1600 mètres sous la surface de la Terre, des scientifiques recherchent inlassablement une nouvelle particule fondamentale, depuis les années 1970. Dans ces années là, la science pense que l'Univers est complet et que son modèle est satisfaisant. Mais en 1974, deux chercheurs de Princeton dans le New jersey aux États unis, décident de mesurer la quantité de matière contenue dans tout l'Univers. James Peebles et Jeremiah Ostriker simule la stabilité des galaxies et ils se heurtent à un problème. Les galaxies ne sont pas stables et leur modèle informatique montre que les galaxies, au bout d'une période de rotation, se défont. Pour qu'elles soient stables il faut, en théorie, plus de matière, donc plus de gravité afin que le tout ne s'effondre pas. Comme il n'y a pas de matière supplémentaire, les deux scientifiques pour les besoins d'une simulation, en inventent une, la matière noire. L'idée n'est pas nouvelle car dans les années 1930, Fritz Zwicky, astrophysicien américano-suisse (1898-1974) constate une anomalie.

Il s'aperçoit à l'observatoire du Mont Wilson, en observant un groupe de galaxies dans l'amas Coma, que les galaxies tournent les unes autour des autres à toute allure mais que la masse n'est pas suffisante pour les empêcher de se dissocier. En 1933 il est le premier à suggérer la présence d'une matière invisible entre les galaxies mais il ne convaincra personne de l'importance de sa découverte, qui sera oubliée pendant près de quarante ans. Une astronome, Vera Rubin, en plus de ses 4 enfants, se consacre dans les années 1970, à l'étude des galaxies. Elle fait alors une découverte fondamentale. On sait que tout est lié à la gravité, dans le système solaire plus on s'éloigne du Soleil plus sa force gravitationnelle faiblit. Il en est de même pour les galaxies où les étoiles tournent autour d'un champ gravitationnel intense. Vera Rubin constate que les étoiles ne ralentissent pas au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre, leurs vitesses restent constantes, du centre jusqu'à la périphérie. Comme il n'est pas question de remettre en cause les lois de la gravitation, la conclusion est qu'il manque de la masse dans l'univers observable pour assurer sa stabilité. La matière noire, jusqu'à lors ignorée, devient à la mode dans le monde scientifique.

Image : Vue de l'Univers en lumière infrarouge.
Cette image révèle 1,6 millions de galaxies parmi les dizaines de millions de sa structure locale. (source Center/Caltech et l'université de Massachussetts). 

Toujours plus proche du Big Bang

Les astronomes poursuivent activement la chasse aux sursauts gamma car ces phénomènes pourraient nous en apprendre beaucoup sur le premier milliard d'années de l'histoire de notre Univers observable. Le satellite artificiel SWIFT a découvert un sursaut gamma (Gamma-Ray Bursts), survenu lorsque l'Univers n'était âgé que de seulement 640 millions d'années. Il s'agit très probablement d'une hypernova produite par la formation d'un trou noir dans le cœur d'une étoile géante de plusieurs dizaines de fois la masse du Soleil. L'effondrement du cœur de l'étoile et son explosion ont alors produit un faisceau intense et focalisé, de rayons gamma dirigés par chance en direction des instruments de Swift. Il semble que les sursauts gamma soient liés aux stades ultimes de l’évolution stellaire et aux trous noirs. Ce sont des phénomènes extrêmement violents, probablement les plus violents de l'Univers après le Big Bang. SWIFT, le satellite de la NASA a été conçu spécifiquement pour expliquer ces phénomènes. Cette explosion observée en 2009, est la plus lointaine jamais observée par les scientifiques. Sa lumière a voyagé pendant 13,1 milliards d'années avant de nous parvenir. GRB 090423 a duré seulement 10 secondes mais sa lumière a depuis été observée dans de nombreuses longueurs d'ondes, dont celles de l'infrarouge comme sur l'image ci-contre.

Cet évènement donne un aperçu des premiers instants de l'Univers et montre qu'il y avait déjà des étoiles massives. Si ce type d'évènement peut aider les scientifiques à mieux comprendre l'histoire de l'évolution de l'Univers, il apporte surtout bien plus de questions que de réponses. Le dernier record de décalage spectral, et donc d'ancienneté, était détenu par le sursaut gamma de septembre 2008. Celui-ci est plus vieux de 190 millions d'années.

Image : Le sursaut gamma GRB 090423 a été découvert par SWIFT, le satellite de la NASA, le 23 avril 2009. Situé à quelques degrés de l'étoile η Leonis (constellation du Lion), c'est en 2009, l'évènement astronomique identifié, le plus éloigné de la Terre.
La lumière rémanente observable se retrouve, comme on le voit dans le cercle ici, dans le domaine de l'infrarouge.
Crédit : Gemini Observatory/NSF/AURA/D. Fox, A. Cucchiara (Penn State Univ.) et E. Berger (Harvard Univ.)