Que savons-nous vraiment de l’univers ?

Il y a tellement de choses que nous avons appris sur notre univers.

Univers : histoire et origine
Que savons-nous vraiment de l’univers ?

De presque tous les points de vue, l’existence est assez bizarre et étrange. Mais quand on en vient à la physique fondamentale, ça devient encore plus étrange ! Bien que de nombreuses personnes puissent penser que dans le domaine de la science, tout est clair et ordonné. Mais est-ce vraiment ainsi que les choses fonctionnent ?

Depuis des millénaires, les chercheurs et les philosophes n’ont cessé de débattre pour savoir si la vie et le cosmos sont ordonnés ou chaotiques. Les sciences n’ont pas été épargnées par ce débat, et de nombreuses découvertes importantes ont été reprises par l’une ou l’autre école de pensée.

La connaissance du mouvement des planètes, de la gravité, de la théorie atomique, de la relativité, de la mécanique quantique et de la structure à grande échelle de l’univers a parfois été utilisée pour donner du poids aux notions d’ordre et de chaos.

À l’heure actuelle, cette question reste très ambiguë, et les découvertes futures pourraient aider à la résoudre. Mais en attendant, il est bon de faire le point sur ce que nous avons appris et sur ce que cela peut nous apprendre sur la vie telle que nous la connaissons.

La voie lactée
La voie lactée

Qu’est-ce que l’univers ?

Le mot “univers” vient du latin “universe” par lequel les auteurs romains désignaient le cosmos tel qu’ils le connaissaient. Il s’agissait de la terre et de toute vie, ainsi que de la lune, du soleil, des planètes qu’ils connaissaient (Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne) et des étoiles.

Le terme “cosmos”, quant à lui, est dérivé du mot grec kosmos, qui signifie “ordre” ou “le monde”. D’autres mots couramment utilisés pour définir toute existence connue sont “nature” (du mot germanique natur) et le mot anglais “everything” (qui se passe de commentaires).

Le mot univers est utilisé aujourd’hui par les scientifiques pour désigner toute la matière et l’espace existants. Cela inclut le système solaire, la Voie lactée, toutes les galaxies et superstructures connues. En termes de science moderne et d’astrophysique, il comprend également tout le temps, l’espace, la matière, l’énergie et les forces fondamentales qui les relient.

La cosmologie, quant à elle, est utilisée pour décrire l’étude de l’univers (ou cosmos) et des forces qui le lient. Grâce à des milliers d’années de recherche, notre connaissance de l’univers physique a progressé à pas de géant. Et pourtant, il y a encore tant de choses que nous ne comprenons pas.

Pour avoir une idée de la situation actuelle, nous devons d’abord jeter un coup d’œil en arrière…..

Histoire de la cosmologie

L’homme étudie la nature de l’existence depuis qu’il sait marcher debout et parler. Cependant, la plupart de ce que nous savons de l’étude du cosmos ne remonte qu’à l’existence de documents écrits.

Heureusement, beaucoup de ces documents proviennent de traditions orales qui ont précédé l’écriture, de sorte qu’il existe une idée générale de ce que nos ancêtres croyaient. Ce que nous savons suggère que les premiers récits de la création de l’univers étaient de nature plus symbolique et métaphorique.

Pour autant que l’on puisse dire, toutes les cultures qui ont existé ont eu leur propre version de l’histoire de la création. Pour beaucoup, le temps et toute vie ont commencé par un événement unique au cours duquel un ou plusieurs dieux ont été responsables de la création du monde, des cieux et de tout ce qui se trouve entre les deux. La plupart des récits de la création incluent ou culminent avec la naissance de l’humanité.

Des preuves archéologiques suggèrent que dès 8000 avant J.-C., les gens suivaient les événements célestes, tels que le mouvement de la lune, pour créer des calendriers. Au cours du deuxième millénaire avant Jésus-Christ, l’astronomie a commencé à se développer en tant que domaine d’étude. Certaines des premières observations célestes enregistrées sont attribuées aux anciens Babyloniens. Ceux-ci allaient façonner les traditions cosmologiques et astrologiques des cultures du Moyen-Orient et de la Méditerranée pendant des millénaires.

L'évolution cosmique
Évolution cosmique : la flèche du temps

L’idée du temps fini remonte parfois à cette époque et peut-être à la religion zorastrienne. Elle repose sur la croyance que l’univers a été créé, qu’il représente le déroulement d’un plan divin et qu’il a une fin.

Selon des enseignements ultérieurs, le temps a commencé avec la création ou l’autocréation et se terminera par un triomphe de l’ordre sur le chaos et une version du jour du jugement dernier, lorsque toute la création sera réunie avec le Créateur. Ces concepts ont probablement été transférés dans le judaïsme vers le 6e siècle avant J.-C. avec la conquête de Babylone par les Perses.

L’idée du temps comme une progression linéaire a façonné la cosmologie occidentale pendant des millénaires et existe encore aujourd’hui (par exemple avec les théories du “Big Bang” et de la “Flèche du temps”).

Entre le 8e siècle avant J.-C. et le 6e siècle après J.-C. (période souvent appelée “antiquité classique”), le concept selon lequel les lois physiques régissent l’univers a commencé à s’imposer. En Inde comme en Grèce, les savants de cette époque ont commencé à proposer des explications des phénomènes naturels qui mettaient l’accent sur les causes et les effets.

La naissance de l’atome

Au Ve siècle avant J.-C., le philosophe grec Empédocle a théorisé que l’univers était constitué des quatre éléments que sont la terre, l’air, l’eau et le feu. À peu près à la même époque, un système similaire est apparu en Chine, qui se composait des cinq éléments que sont la terre, l’eau, le feu, le bois et le métal.

Cette idée allait devenir influente, mais elle fut rapidement réfutée par le philosophe grec Leucippe, qui affirmait que l’univers était composé de particules indivisibles appelées “atomos” (mot grec signifiant “indécomposable”).

Le concept a été popularisé par son élève Démocrite (460 – 370 avant J.-C.), qui soutenait que les atomes étaient indestructibles et éternels et déterminaient les propriétés de toute la matière.

Le philosophe grec Epicure (341-270 av. J.-C.) devait affiner et développer cette idée. Pour cette raison, il a été associé à l’école philosophique inspirée par lui (l’épicurisme).

Le philosophe indien Canada, qui aurait vécu entre le 6e et le 2e siècle avant Jésus-Christ, a proposé une idée similaire. Dans sa philosophie, toute matière était composée de “paramanu” – des particules indivisibles et indestructibles. Il a également proposé que la lumière et la chaleur soient la même substance sous une forme différente.

Modèle standard de la physique des particules
Modèle standard de la physique des particules

Le philosophe indien Dignana (480 – 540 après J.-C.), l’un des fondateurs bouddhistes de l’école de pensée indienne sur la logique, est allé encore plus loin et a proposé que toute matière soit composée d’énergie.

Ces théories ont été largement oubliées en Occident, mais sont restées populaires auprès des érudits islamiques et asiatiques, qui les ont traduites en arabe et dans d’autres langues. Autour du XIVe siècle, l’intérêt pour l'”atomisme” renaît en Occident, grâce à la traduction en latin d’ouvrages classiques.

La place de la terre dans le système solaire

Entre le 2e millénaire avant Jésus-Christ et le 2e siècle après Jésus-Christ, l’astronomie et l’astrologie ont continué à se développer et à évoluer. À cette époque, les astronomes ont observé le mouvement propre des planètes et le déplacement des constellations dans le zodiaque.

C’est également à cette époque que les astronomes grecs ont formulé le modèle géocentrique de l’univers, dans lequel le soleil, les planètes et les étoiles tournent autour de la terre.

Ces traditions ont été résumées au IIe siècle de notre ère dans le traité de mathématiques et d’astronomie, l’ Almageste, écrit par l’astronome gréco-égyptien Claudius Ptolemy (également connu sous le nom de Ptolémée).

Ce traité et le modèle cosmologique qu’il contient ont été considérés comme canon par de nombreux érudits européens et islamiques du Moyen Âge et sont restés la source faisant autorité en matière d’astronomie pendant plus de mille ans.

Au cours du Moyen Âge (du Ve au XVe siècle de notre ère), les savants indiens, perses et arabes ont maintenu et développé les traditions astronomiques classiques. En même temps, ils les ont complétés en proposant quelques idées révolutionnaires – comme la rotation de la Terre.

Certains savants sont allés encore plus loin et ont proposé des modèles héliocentriques de l’univers, comme l’astronome indien Aryabhata (476-550 après J.-C.), les astronomes perses Albumasar (787-886 après J.-C.) et Al-Sijzi (945-1020 après J.-C.).

Il est possible que leurs travaux aient été inspirés par les travaux antérieurs de Aristarque de Samos (310 -230 av. J.-C.), Séleucus de Séleucie (190 av. J.-C. – 150 av. J.-C.), et de certains philosophes pythagoriciens des IVe et Ve siècles av.

Bartolomeu Velho : Illustration des corps célestes
Bartolomeu Velho : Illustration des corps célestes

Au 16ème siècle, Nicolaus Copernic a publié un modèle complet d’un univers héliocentrique. Il a proposé ce modèle pour la première fois dans un manuscrit de 40 pages intitulé Commentariolus (“Petit commentaire”), publié en 1514.

Sa théorie résout les problèmes persistants qui avaient affecté les modèles héliocentriques précédents et repose sur sept principes généraux. Ceux-ci ont postulé que :

Copernic développera ces idées dans son opus magnum – De revolutionibus orbium coelestium (Sur les révolutions des sphères célestes) – qu’il achève en 1532. Cependant, craignant les persécutions, Copernic n’en autorisa la publication que peu de temps avant sa mort (1534).

Dans cet ouvrage, Copernic répète ses sept arguments principaux et fournit des calculs détaillés pour les étayer. Ses idées allaient inspirer l’astronome, mathématicien et inventeur italien Galileo Galilei (1564 – 1642).

Galilée utilisera un télescope de sa propre fabrication, ses connaissances en physique et en mathématiques, et une application rigoureuse de la méthode scientifique pour affiner les observations et les calculs de Copernic.

Les observations de la Lune, du Soleil et de Jupiter effectuées par Galilée ont eu une grande influence et ont contribué à exposer les faiblesses du modèle géocentrique. Ses observations de la Lune, par exemple, ont révélé une surface creusée de trous et de cratères, tandis que ses observations du Soleil ont révélé des taches solaires.

Vision du monde géocentrique et héliocentrique
Comparaison de la vision géocentrique et héliocentrique du monde

Il est également à l’origine de la découverte des plus grandes lunes de Jupiter – Io, Europe, Ganymède et Callisto – qui seront plus tard baptisées “lunes de Galilée” en son honneur.

Ces découvertes contredisaient les idées reçues selon lesquelles les cieux étaient une sphère parfaite (conforme à la théologie chrétienne) et qu’aucune planète autre que la Terre n’avait de satellites.

Ses observations des planètes ont montré que leur apparence et leur position dans le ciel étaient conformes à la théorie selon laquelle elles tournent autour du soleil.

Il a partagé ces observations dans des traités tels que le Sidereus Nuncius (Le messager des étoiles) et le Sur les taches observées dans le soleil, tous deux publiés en 1610.

Mais c’est son traité de 1632, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Dialogue sur les deux principaux systèmes du monde), dans lequel il défend le modèle héliocentrique de l’univers.

Johannes Kepler (1571-1630) a affiné le modèle avec ses lois du mouvement planétaire , qui ont montré que les orbites des planètes étaient elliptiques, et non des cercles parfaits (comme Galilée et les astronomes précédents l’avaient affirmé).

Cela a mis fin au “Grand Débat” sur la nature du système solaire et a fait de l’héliocentrisme le consensus scientifique à partir de la fin du 17e siècle.

Du système solaire à la Voie lactée

Une autre découverte révolutionnaire survenue aux 17e et 18e siècles a été la prise de conscience que notre système solaire n’est pas unique. Grâce à l’invention du télescope, notre compréhension de la Voie lactée a radicalement changé.

Au lieu d’être un nuage géant en forme de bande (comme on le pensait auparavant), les astronomes ont commencé à comprendre que la structure nébuleuse qu’ils observaient dans le ciel nocturne depuis des millénaires était en fait des milliards d’étoiles lointaines.

Certes, l’idée n’était pas entièrement nouvelle. Au 13ème siècle, l’astronome et polymathe perse Nasir al-Din al-Tusi (1201 – 1274) a proposé exactement cette possibilité dans son livre Tadhkira :

“La Voie lactée, c’est-à-dire la galaxie, est composée d’un très grand nombre de petites étoiles étroitement groupées, qui, en raison de leur concentration et de leur petitesse, apparaissent comme des taches brumeuses. C’est pour cette raison que sa couleur a été comparée à celle du lait.”

Mais ce n’est qu’avec la révolution scientifique (vers le 16e – 18e siècle) que les astronomes ont pu l’observer directement. Galilée a décrit dans les Sternenboten l’observation qu’il a faite des “étoiles nébuleuses” qui figuraient dans le catalogue d’étoiles de l’Almageste.

Ces observations l’ont amené à conclure que les sections “nébuleuses” de la Voie lactée étaient en fait “des collections d’innombrables étoiles regroupées en amas”. Cette découverte a soutenu la thèse de l’héliocentrisme en montrant que l’univers était beaucoup plus grand qu’on ne le pensait.

En 1755, le philosophe allemand Emmanuel Kant a théorisé que la Voie lactée était un amas massif d’étoiles maintenues ensemble par la force de leur gravité mutuelle. Il a également prédit que ces étoiles (ainsi que le système solaire) faisaient partie d’un disque aplati qui tournait autour d’un centre commun, un peu comme les planètes autour du soleil.

En 1785, l’astronome William Herschel a tenté de créer la première carte de la Voie lactée. Ses estimations de sa taille et de sa forme ont été faussées par le fait qu’une grande partie de notre galaxie est masquée par la poussière et le gaz, mais sa tentative était révélatrice des progrès accomplis.

Au XIXe siècle, l’amélioration de l’optique et des télescopes a permis aux astronomes d’obtenir des images d’une plus grande partie du ciel nocturne, ce qui a amené beaucoup d’entre eux à conclure que notre système solaire n’était qu’un système parmi des milliards d’autres dans la Voie lactée.

Au 20e siècle, ils devraient réaliser que la Voie lactée n’est qu’une parmi des milliards d’autres dans l’univers. Mais une chose à la fois…

Newton et Einstein révolutionnent tout

La compréhension de l’univers par l’humanité a été à nouveau révolutionnée à la fin du 17e siècle par les travaux du polymathe britannique Sir Isaac Newton (1642/43 – 1727). Sur la base de la théorie du mouvement de Kepler, il a élaboré une théorie de la gravité (également connue sous le nom de “gravitation universelle”).

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Newton.
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica de Newton.

Il en a fait la synthèse dans son œuvre majeure, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (“Principes mathématiques de la philosophie naturelle”), publiée en 1687, qui contient les Trois lois du mouvement de Newton. Ces lois stipulent que :

Ces lois décrivent comment les objets exercent des forces les uns sur les autres et comment le mouvement se produit en conséquence. Grâce à ses travaux, Newton a pu calculer la masse des planètes, déterminer que la Terre n’est pas une sphère parfaite et comment l’interaction de la Terre avec le Soleil et la Lune affecte les marées océaniques.

Ces calculs et d’autres calculs détaillés devaient avoir un impact profond sur les sciences et former la base de la physique classique (également connue sous le nom de physique newtonienne), qui devait rester le canon accepté pendant les 200 années suivantes.

Cela a changé au début du 20e siècle, lorsqu’un jeune physicien théoricien nommé Albert Einstein a commencé à publier une série d’articles sur ses théories de la relativité restreinte et de la relativité générale.

Ces théories résultaient en partie de la tentative de résoudre les incohérences entre la physique newtonienne et les lois de l’électromagnétisme récemment découvertes – résumées au mieux par les équations de Maxwell et la loi de la force de Lorentz).

Einstein abordera cette incohérence dans l’un des articles qu’il a rédigés en 1905 alors qu’il travaillait dans un bureau de brevets à Berne, en Suisse. Intitulé ” Sur l’électrodynamique des corps en mouvement “, cet article est devenu la base de la relativité restreinte (RS).

La théorie d’Einstein a remis en question le consensus de travail qui prévalait jusqu’alors, à savoir que la lumière se déplaçant dans un milieu était emportée par ce milieu. Cela signifie que la vitesse de la lumière (qui avait déjà été déterminée) était la somme de sa vitesse à travers un milieu plus la vitesse de ce milieu.

Cela a entraîné toutes sortes de complications théoriques, et les expériences qui ont tenté de les résoudre n’ont donné aucun résultat. Au lieu de cela, Einstein a établi que la vitesse de la lumière est la même dans tous les cadres de référence inertiels, une théorie qui élimine le besoin d’explications médiatiques ou étrangères.

En tant que théorie, la RS a non seulement simplifié les calculs mathématiques et résolu les problèmes entre l’électromagnétisme et la physique, mais elle correspondait aussi étroitement à la vitesse de la lumière et expliquait les déviations qui se produisaient dans les expériences.

Entre 1907 et 1911, Einstein a commencé à appliquer sa théorie des RS aux champs gravitationnels, un autre domaine dans lequel la physique newtonienne avait des difficultés. En 1911, ces efforts aboutissent à la publication de ” On the Influence of Gravitation on the Propagation of Light“.

Cet article a jeté les bases de la relativité générale (RG). Einstein y prédit que le temps est relatif à l’observateur et dépend de sa position dans un champ gravitationnel, et que la masse gravitationnelle est identique à la masse inertielle (également connu sous le nom de principe d’équivalence).

Une autre chose qu’Einstein a prédite dans cet article est l’idée que deux observateurs situés à des distances différentes d’une masse gravitationnelle percevraient différemment l’écoulement du temps (aka. Dilatation gravitationnelle du temps). Ces théories font toujours partie intégrante de la physique moderne.

L’univers est sombre

Les théories d’Einstein, qui ont été largement acceptées, ont eu de nombreuses conséquences sur les sciences. En particulier, ses équations de champ pour la relativité ont également prédit l’existence de trous noirs et d’un univers qui est soit en état d’expansion ou de contraction constante.

En 1915, quelques mois après que la RG soit devenue largement connue, le physicien et astronome allemand Karl Schwarzschild a trouvé une solution aux équations de champ d’Einstein qui a donné naissance à la théorie des trous noirs, des décennies avant que l’on en observe un.

Cette solution, également connue sous le nom de rayon de Schwarzschild , décrit comment la masse d’une sphère peut être comprimée de manière à ce que la vitesse d’échappement de la surface soit égale à la vitesse de la lumière. Le “rayon” désigne dans ce cas la taille en dessous de laquelle la force d’attraction entre les particules d’un corps doit provoquer son effondrement gravitationnel irréversible.

En 1931, l’astrophysicien indien-américain Subrahmanyan Chandrasekhar a étendu ce principe en utilisant la RS pour calculer la masse qu’un corps devrait atteindre avant de s’effondrer sur lui-même – ce que l’on a appelé plus tard la limite de Chandrasekhar.

En 1939, la découverte des étoiles à neutrons a confirmé les théories de Chandrasekhar en montrant que les naines blanches dont la masse est inférieure à cette limite s’effondrent effectivement. En conséquence, l’objet résultant (une étoile à neutrons) est super dense et possède un champ magnétique incroyablement puissant.

Des physiciens tels que Robert Oppenheimer en ont déduit qu’une naine blanche ayant une masse suffisante continuerait à s’effondrer pour former un trou noir. Il s’agissait d’une limite de masse très différente (connue sous le nom de limite Tolman-Oppenheimer-Volkoff), mais elle était compatible avec la théorie de Chandrasekhar.

Dans les années 1960 et 1970, les astrophysiciens ont effectué de nombreux tests de la relativité générale en utilisant des trous noirs et des structures à grande échelle (comme les galaxies et les amas de galaxies). Cette période sera connue comme “l’âge d’or de la relativité générale” (1960 – 1975), car elle a permis de tester la théorie d’Einstein comme jamais auparavant.

Cependant, les astrophysiciens ont également remarqué quelque chose de particulièrement inquiétant dans ces tests. En examinant les galaxies et les plus grandes collections de matière dans l’univers, ils ont constaté que les effets gravitationnels observés de ces objets ne correspondaient pas à leur masse apparente.

Cela a conduit la communauté scientifique à conclure qu’il y a une masse considérable à l’intérieur des galaxies qu’elle ne peut pas voir. C’est ainsi qu’est née la théorie de la matière noire, une masse mystérieuse qui n’interagit pas avec la “matière normale” (c’est-à-dire la matière visible ou baryonique) via la force électromagnétique.

Cela signifie qu’il n’absorbe pas, ne reflète pas et n’émet pas de lumière, ce qui le rend extrêmement difficile à détecter. Il n’interagit avec la matière que par sa force gravitationnelle. On pense que la matière noire est six fois plus importante que la matière visible et qu’elle représente environ 27 % de l’univers. On pense également qu’elle a eu une profonde influence sur l’évolution de l’univers.

L’univers s’étend

Une autre conséquence de la RG était la prédiction que l’univers était soit dans un état constant d’expansion ou de contraction. En 1927 – 1929, le physicien belge (et prêtre catholique romain) Georges Lemaître et l’astronome américain Edwin Hubble ont confirmé qu’il s’agissait du premier.

À cette époque, Einstein cherchait encore un moyen de rationaliser l’idée d’un univers statique. À cette fin, il a proposé la ” constante cosmologique“, une force encore inconnue qui “retient” la gravité pour garantir que la distribution de la matière dans le cosmos est uniforme dans le temps.

En mesurant le décalage vers le rouge d’autres galaxies, Hubble a prouvé qu’Einstein avait tort. Ces mesures ont montré que la lumière provenant de ces galaxies avait des longueurs d’onde plus courtes, c’est-à-dire qu’elle était décalée vers l’extrémité rouge du spectre, ce qui indique que l’espace intermédiaire était en expansion.

Les observations de Hubble ont également montré que les galaxies les plus éloignées de la nôtre s’éloignaient plus rapidement. Ce phénomène est connu sous le nom de loi de Hubble, et la vitesse à laquelle il se produit est connue sous le nom de constante de Hubble.

En 1931, Georges Lemaitre a utilisé des phénomènes qu’il avait contribué à découvrir pour formuler l’idée que l’univers avait un commencement. Après avoir confirmé de manière indépendante que l’univers était en expansion, il a proposé qu’il devienne de plus en plus petit à mesure que l’on remonte dans le temps.

À un moment donné dans le passé, a-t-il conclu, la masse entière de l’univers aurait été concentrée en un seul point. Ces découvertes ont suscité un débat parmi les physiciens, qui se sont divisés en deux écoles de pensée.

La majorité d’entre eux considéraient encore que l’univers était dans un état stable (c’est-à-dire la théorie de l’état stable), où la matière est continuellement créée au fur et à mesure de l’expansion de l’univers, ce qui garantit l’uniformité dans le temps.

D’un autre côté, certains pensaient que l’univers était en expansion progressive, ce qui entraînait une lente diminution de la densité de la matière. Cette idée est devenue connue sous le nom de ” Big Bang Theory“, un surnom donné en plaisantant par les partisans de la théorie de l’état stationnaire.

Après plusieurs décennies, plusieurs éléments de preuve sont apparus en faveur de l’interprétation du Big Bang. Il s’agit notamment de la découverte et de la confirmation en 1965 du fond diffus cosmologique (CMB) prévu par la théorie du Big Bang.

Le CMB est essentiellement un “rayonnement résiduel” issu du Big Bang, qui s’est développé à la vitesse de la lumière depuis lors. En mesurant la distance du CMB, qui est d’environ 13,8 milliards d’années dans toutes les directions, les scientifiques ont pu réduire l’âge de l’univers.

Dans les années 1990, les améliorations apportées aux télescopes terrestres et l’introduction de télescopes spatiaux ont permis de faire de nouvelles découvertes étonnantes. Les scientifiques pensaient que la gravité finirait par ralentir l’expansion de l’univers. Mais les astronomes ont maintenant observé que l’expansion cosmique s’est en fait accélérée au cours des quatre derniers milliards d’années.

C’est ainsi qu’est née la théorie de l’énergie sombre, une force mystérieuse qui, d’une certaine manière, s’oppose à la gravité et éloigne le cosmos. Les théoriciens ont trouvé diverses explications à la matière noire. Certains ont suggéré que la “constante cosmologique” d’Einstein était peut-être correcte depuis le début. D’autres ont suggéré que la théorie de la gravité d’Einstein était erronée et qu’une nouvelle théorie était nécessaire, incluant une sorte de champ qui produisait cette accélération cosmique.

Une des principales théories cosmologiques actuelles est décrite par la Lambda Cold Dark Matter (λCDM). Il s’agit actuellement du modèle le plus simple qui explique la plupart des propriétés observées de l’univers. Il stipule que la majeure partie de l’univers est constituée d’énergie sombre, de matière sombre et de matière ordinaire. Il est également connu sous le nom de modèle standard de la cosmologie du big bang. Elle suppose que la relativité générale est la théorie correcte de la gravité à l’échelle cosmologique et explique de nombreuses propriétés du cosmos, notamment le fond diffus cosmologique et l’accélération de l’expansion de l’univers.

Le modèle Lambda-CDM
Le modèle Lambda-CDM

Alors qu’est-ce qu’on ne sait pas ?

La réponse à cette question est : beaucoup, vraiment ! Mais pour y répondre efficacement, nous devons examiner la manière dont les scientifiques explorent l’univers de fond en comble et noter où se trouvent les lacunes.

Tout d’abord, les scientifiques comprennent comment la matière, le temps et l’espace se comportent aux plus grandes échelles. C’est ce que résume parfaitement la RG, qui décrit exactement comment la masse et la gravité interagissent et affectent l’espace-temps.

Depuis les années 1960, cependant, les astrophysiciens en sont venus à penser qu’il existe une masse considérable qu’ils ne peuvent pas voir. Bien que cela soit logique en théorie, les tentatives pour trouver de la matière noire n’ont jusqu’à présent rien donné de concluant.

Ainsi, même si l’on peut dire que nous savons combien de matière il y a, nous ne pouvons pas en expliquer la majeure partie de manière concluante. De même, nous savons depuis la fin des années 1920 que l’univers est en expansion. Cependant, nous ne savons pas exactement pourquoi.

La vitesse d’expansion de l’univers s’explique par la présence d’énergie noire. Mais tout comme pour la matière noire, les recherches doivent encore déterminer ce qu’elle est vraiment.

Et puis il y a l’expansion de l’univers lui-même. Avec la découverte du CMB, les astronomes et les cosmologistes ont pu retracer l’évolution du cosmos et ont pu faire des estimations précises de son âge. L’estimation actuelle est que le cosmos a 13,799 ± 0,021 milliards d’années.

Mais quelle est sa taille ? Cela reste un mystère. Sur la base du taux d’expansion cosmique, les astrophysiciens estiment que l’univers “observable” est une sphère d’environ 93 milliards d’années-lumière de diamètre. Mais au-delà, l’univers s’étend probablement beaucoup plus loin et pourrait même être infini.

Par ailleurs, les scientifiques ont déterminé qu’il existe quatre forces fondamentales (également appelées interactions fondamentales) qui régissent toutes les interactions entre la matière et l’énergie dans l’univers.

Ces forces consistent en la force gravitationnelle (due à la courbure de l’espace-temps et décrite par la GR) et les trois champs discrets de la mécanique quantique – connus ensemble sous le nom de théorie quantique des champs (QFT).

Ces domaines comprennent la force nucléaire faible, la force nucléaire forte et l’électromagnétisme – qui traitent des particules subatomiques et de leurs interactions telles que décrites par le Modèle standard de la physique des particules.

Une autre façon de voir les choses est de regrouper ces interactions dans un système à trois catégories : Les forces gravitationnelles, les forces électrofaibles et les forces fortes. Ces deux dernières catégories sont divisées en force nucléaire faible et force électromagnétique, et en forces nucléaires fondamentales et résiduelles.

Alors que la gravité lie les planètes, les étoiles, les galaxies et les amas de galaxies (c’est-à-dire le niveau macro), les forces électrofaibles lient les atomes et les molécules, tandis que les forces fortes lient les hadrons et les noyaux atomiques.

Voici le problème. Les scientifiques comprennent comment la gravité fonctionne à la plus grande échelle, mais pas à la plus petite. Cela la distingue de toutes les autres forces connues dans l’univers, qui ont une molécule subatomique correspondante.

Pour l’électricité et le magnétisme, il y a des électrons et des photons. Pour la force nucléaire faible et forte, il existe des bosons, des gluons et des mésons. Cependant, un “graviton” n’existe pas actuellement, du moins pas en dehors de l’hypothétique.

Et jusqu’à présent, toutes les tentatives de trouver une théorie concluante de la gravité quantique – également connue sous le nom de théorie du tout (ToE) – ont échoué. Plusieurs théories ont été proposées pour résoudre ce problème, les principales étant la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles , mais aucune n’a encore été prouvée de manière décisive.

Comment tout cela va-t-il finir ?

Ok, voilà le truc… nous ne le savons pas non plus. Certes, l’idée que l’univers a eu un commencement conduit naturellement à l’idée qu’il aura une fin possible. Si l’univers a commencé comme un minuscule point dans l’espace-temps qui s’est soudainement étendu, cela signifie-t-il qu’il s’étendra éternellement ?

Ou, comme cela a également été théorisé, cessera-t-elle de s’étendre et commencera-t-elle à se contracter, pour finalement redevenir une minuscule masse sphérique ? Cette question a été soulevée depuis que les cosmologistes ont débattu de la façon dont l’univers a commencé – Big Bang ou état stationnaire ?

Avant les observations qui ont montré que l’univers est en expansion accélérée, la plupart des cosmologistes étaient divisés sur le sujet. Ces scénarios étaient connus sous le nom de “Big Crunch” et “Big Freeze”.

Dans le premier cas, l’univers s’étend jusqu’à ce qu’il manque d’énergie, puis commence à s’effondrer. En supposant que l’univers atteigne un point où sa densité de masse est supérieure à sa densité critique, l’univers commencera à se contracter.

Lorsque la densité de l’univers est égale ou inférieure à la densité critique, l’univers continue de s’étendre jusqu’à ce que la formation d’étoiles cesse. Au bout du compte, toutes les étoiles arrivent à la fin de leur vie et deviennent des coquilles mortes ou des trous noirs.

Finalement, les trous noirs entreraient en collision et formeraient des trous noirs de plus en plus grands. Cela conduirait finalement à la “mort thermique” de l’univers, en utilisant les dernières radiations électromagnétiques. Les trous noirs eux-mêmes finiraient par disparaître après avoir émis le dernier de leurs rayonnements de Hawking.

Depuis les années 1990, les observations qui ont conduit à la théorie de l’énergie sombre ont stimulé de nouvelles discussions sur le destin de l’univers. On pense aujourd’hui qu’à mesure que l’espace continue de s’étendre, une part de plus en plus importante de l’univers observable se trouve au-delà du CMB et devient invisible pour les observateurs.

Entre-temps, le CMB continuera à se déplacer vers le rouge jusqu’à ce qu’il ne soit plus visible que dans le domaine des ondes radio. Elle finira par disparaître complètement et les astronomes ne verront plus que le noir au-delà du bord visible.

Une autre possibilité est le scénario du “Big Rip”, dans lequel l’expansion continue finit par déchirer toutes les galaxies, les étoiles, les planètes et même les atomes eux-mêmes, entraînant la mort de toute la matière.

Big crunch, big freeze, ou big rip ? A ce stade, nous ne savons pas. Il en va de même pour les théories sur l’origine de l’univers – s’agissait-il d’un Big Bang ou plutôt d’un Big Bounce ?

C’est également le cas lorsqu’il s’agit de nos tentatives d’unifier la gravité avec les autres forces fondamentales. Pour l’instant, le mieux que nous ayons, ce sont des théories qui ont une certaine cohérence logique mais qui restent non prouvées.

Comme l’a dit Socrate, “Je ne sais qu’une chose, c’est que je ne sais rien”. Cette connaissance, dit-on, a fait de Socrate l’homme le plus sage de tout le pays. De la même manière, la compréhension de l’univers par l’homme est étrangement paradoxale.

Nous savons qu’il est en expansion, mais nous ne savons pas comment. Nous savons combien de masse il y a là-bas, mais nous ne pouvons pas en voir la plupart. Nous savons comment fonctionne la gravité, mais pas comment elle s’accorde avec les autres forces. Nous ne savons pas comment il a commencé ou s’est terminé, mais nous avons des théories qui correspondent aux preuves observables.

Ainsi, si nous ignorons beaucoup de choses sur l’univers, nous avons au moins une assez bonne idée de ce que nous ignorons. Cela nous donne un avantage sur les générations précédentes de l’humanité qui étaient non seulement ignorantes de l’univers dans son ensemble, mais aussi ignorantes de leur ignorance.

Nous sommes également à un stade de notre évolution technologique où nous pouvons voir une plus grande partie de l’univers que jamais auparavant, que ce soit à l’échelle la plus grande ou la plus petite. Grâce aux instruments de nouvelle génération, aux superordinateurs et aux accélérateurs de particules, les scientifiques repoussent les limites de ce que nous pouvons voir.

La seule façon de surmonter l’ignorance est de savoir où se trouve notre ignorance et de la combattre. À cet égard, l’humanité apprendra beaucoup dans un avenir proche !