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Le modèle du big-bang, retraçant l'évolution
de l'univers depuis son apparition, est aujourd'hui universellement
connu et très généralement admis. On sait qu'il
s'est précisé dans le dernier tiers du XXe siècle
à la suite de toute une série d'observations astronomiques
dont il a été le mieux capable de rendre compte :
observation de la fuite des galaxies, mesure de la radiation micro-onde
du fond de ciel, notamment. Mais dès les origines de la théorie
un petit nombre de cosmologistes n'ont pas été convaincus
de sa pertinence. Nous avons ici même signalé quelques-unes
des objections qui étaient faites à certaines des
lois fondant le modèle du big-bang, notamment celle de Joao
Magueijo qui a émis l'hypothèse que la vitesse de
la lumière n'est pas une constante.
Aujourd'hui cependant, il apparaît que de plus en plus de
chercheurs s'inscrivent parmi les contestataires du modèle,
en s'appuyant sur les incohérences de plus en plus nombreuses
que révèlent les observations fournies par de nouveaux
instruments plus sensibles. Ces contestataires sont encore une minorité,
mais il est intéressant de rassembler leurs arguments. On
peut en effet penser que dans les années à venir une
véritable révolution dans les conceptions de la cosmologie
se fera jour, reposant en partie sur ces mêmes arguments.
C'est
à un tel travail de compilation que vient de se livrer la
revue New Scientist dans un article intitulé End
of the Beginning (2 juillet 2005, p. 30). Nous résumopns
ici les principaux éléments sur lesquels, selon Marcus
Chown, l'auteur de cet article, s'appuient les adversaires de plus
en plus nombreux de la théorie du big-bang. Une conférence
intitulée de façon significative « Crise
dans la cosmologie » vient de se tenir fin juin 2005 à
Monçao au Portugal. Ce sont les travaux de cette conférence
que résume l'article du New Scientist.
Reprenons
les arguments un à un.
D'abord, selon Riccardo Scarpa de l'ESO à Santiago, le modèle
classique du big-bang échoue à prédire ce que
l'on observe aujourd'hui dans l'univers, ceci concernant trois points
principaux : la température de l'univers actuel, l'expansion
du cosmos et même le mode de répartition et l'architecture
des galaxies. Comme les observations n'étaient pas conformes
aux prévisions du modèle, les scientifiques ont été
obligé d'inventer des explications qui font appel à
des solutions aussi exotiques les unes que les autres et surtout
non vérifiées jusqu'à ce jour par les observations.
On connaît les explications en question. Il s'agit de la théorie
de l'inflation et les hypothèses relatives à la matière
noire et à l'énergie noire. Ces deux dernières
hypothèses s'appliquent d'ailleurs pour tenter de les expliquer
à des phénomènes contradictoires: l'importance
anormale de la force gravitationnelle qui permet aux galaxies de
ne pas se disperser sous l'influence de leur vitesse de rotation
et l'apparente accélération exponentielle de l'expansion
de l'univers, qui exclurait le retour à une contraction finale
(big crunch). Or pour Eric Lerner (Lawrenceville Plasma Physics,
West Orange, New Jersey) ces explications ont désormais atteint
les limites du supportable.
Observations
en infrarouge dues au téléscope Spitzer
Quels
éléments justifient selon les contestataires l'abandon
du modèle standard ? Il y a d'abord le fait que l'observation
des galaxies les plus lointaines, censées être les
plus jeunes, montre en fait des galaxies qui contiennent apparemment
autant de vieilles étoiles que de jeunes, exactement comme
les galaxies plus proches et donc plus récentes. Ces observations
ont été rendues possibles par le nouveau télescope
spatial Spitzer de la NASA qui permet dorénavant d'observer
dans l'infrarouge. Or il apparaît qu'un certain nombre d'étoiles
dans les galaxies les plus lointaines, c'est-à-dire les plus
jeunes, sont dotées d'une déviation vers le rouge
(red-shift) qui signifierait qu'elles sont plus vieilles que ces
galaxies elles-mêmes, ce qui est incompatible avec le modèle
standard de la cosmologie. Mais il n'y a pas que cette observation
pour semer le trouble. D'autres objets célestes primitifs
de plus grande taille, tels des amas et superamas galactiques, sont
eux-mêmes dotés de red shift. Ceci voudrait dire que
ce dernier n'est pas du à leur vitesse d'éloignement
mais à un autre phénomène. Pour rechercher
l'origine de celui-ci, il faudrait faire des expériences
terrestres (notamment en utilisant après modification le
détecteur LIGO américain consacré à
la recherche des ondes gravitationnelles. Mais l'expérience
n'a pas encore été approuvée.
Si les thèses de Lerner et de ses collègues étaient
vérifiées, il en découlerait toute une série
de conséquences révolutionnaires. La théorie
de l'expansion de l'univers serait remise en cause et du même
coup il ne serait plus nécessaire d'invoquer l'énergie
noire pour rendre compte de l'accélération apparente
de cette expansion. Il n'y aurait pas non plus de raison de supposer
que l'univers ait pris naissance dans le cadre d'un big-bang ni
bien évidemment que son âge s'élèverait
à 13,7 milliards d'années comme on le suppose aujourd'hui.
Pour Lerner, «le big-bang n'est jamais arrivé».
Un
brouillard de plasma
Resterait
cependant à expliquer l'existence du fond de radiation micro-onde
qui a été observé pour la première fois
en 1965 et mesuré à la température de 3 K au-dessus
du zéro absolu. On considère généralement
aujourd'hui que ce rayonnement fossile anisotrope est tout ce qui
reste du big bang initial. Il permet effectivement de conférer
à l'univers l'âge de 13,7 milliards d'années
calculé compte tenu d'une vitesse de refroidissement définie.
Or, s'il n'y avait pas eu de big bang, d'où proviendrait
cette radiation si spécifique ? Pour Lerner il s'agit seulement
de la lumière émise par les étoiles qui a été
absorbée et rediffusée dans l'espace. L'hypothèse
a été formulée la première fois par
Fred Hoyle, mais elle n'avait jamais pu être prouvée
car les causes évoquées par lui se sont révélées
non fondées. Pour Lerner, le rayonnement provient de filaments
de plasma dispersés dans l'univers par des quasars ou autres
objets très énergétiques, filaments qui se
seraient fragmentés et rempliraient l'espace d'une façon
uniforme comme le ferait un brouillard. La cosmologie standard n'aurait
pas évoqué cette cause possible au rayonnement de
fond de ciel parce qu'elle a longtemps ignoré la physique
des plasmas, forme sous laquelle cependant se présentent
99% de la matière composant l'univers. Les forces électromagnétiques
qui gouvernent les plasmas seraient dans cette hypothèse
plus importantes que la gravité. Elles devraient être
étudiées conjointement à cette dernière,
les deux séries de forces se conjuguant selon des modalités
qui restent à préciser.
La MOND et la MOND relativiste
Voyons maintenant ce qu'il en est de la matière noire. Les
contestataires du modèle standard rappellent que ce concept
a été inventé afin d'expliquer comment les
galaxies ont pu se former aussi rapidement qu'elles semblent l'avoir
fait après la naissance de l'univers, alors que leur densité
en matière ordinaire ne leur aurait pas permis de bénéficier
d'une force gravitationnelle suffisante pour que la matière
qui les constituaient puisse s'agglomérer. Cette même
matière noire, nous l'avons dit, est évoquée
aujourd'hui pour justifier le fait que les galaxies et amas galactiques
ne se dispersent pas sous l'influence de la force centrifuge résultant
de leur vitesse de rotation. Or, pour Scarpa et ses collègues,
ces phénomènes résultent d'une modification
locale de la loi universelle de Newton selon laquelle la force de
gravité entre deux objets est inversement proportionnelle
au carré de leur distance. Cette loi ne serait valide qu'au
dessus un seuil critique d'accélération. En dessous
de ce seuil, la gravité se dissiperait plus lentement que
Newton ne l'avait prédit. Ceci expliquerait qu'elle puisse
se faire sentir bien plus loin dans l'espace que normalement.
Dans cette direction, le chercheur israélien Mordehai Milgrom
de l'Institut Weizmann avait proposé il y a 20 ans une Dynamique
Newtonienne modifiée ou Modified Newtonian Dynamics (MOND).
Celle-ci fut violemment critiquée mais il apparaît
aujourd'hui qu'elle peut expliquer les phénomènes
de cohésion galactique sans faire appel à la matière
noire. Elle pourrait cependant entrer en contradiction avec la théorie
Einsteinienne de la relativité qui en principe la rendrait
inopérante pour des objets se déplaçant à
des vitesses proches de la vitesse de la lumière ou disposant
de forts champs gravitationnels : pulsars, trous noir et big bang
lui-même. Mais un autre chercheur israélien, Jacob
Bekenstein de l'université de Jérusalem a produit
une version relativiste de la MOND qui lui permet de prédire
convenablement les propriétés de la radiation micro-onde
cosmique et de la distribution des galaxies.
L'axe du diable
Aujourd'hui cependant, les cosmologistes ne se hâtent pas
de produire un modèle cosmologique basé sur la MOND,
à plus forte raison relativiste. Il faudra peut-être
cependant qu'ils s'y résolvent, compte tenu de nouvelles
hypothèses suggérée par une observation plus
attentive de la célèbre carte du cosmos produite par
le fameux Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ou WMAP. On sait
que cette sonde, analysant la radiation micro-onde de fond de ciel
déjà citée, y montre des irrégularités
de température (voir image ci-dessus) qui correspondraient
à des discontinuités dans la répartition de
matière telle qu'elle était 300.000 ans après
le big bang, irrégularités ayant par la suite donné
naissance aux galaxies. Les parties chaudes représenteraient
des régions denses et les parties moins chaudes des régions
moins denses. Ces irrégularités de densité
auraient découlé, lors de la création de l'univers
primordial, de fluctuations quantiques au sein du vide quantique
originel. Elles se seraient transformées en amas de matière
à la suite du phénomène de l'inflation supposé
s'être produit dans les quelques secondes après la
naissance de l'univers primordial. L'anisotropie de ce phénomène
explique la dispersion uniforme et aléatoire des amas de
matière dans toutes les directions.
Or
cette année, le chercheur anglo-portuguais Joao Magueijo,
précité, et sa collègue Kate Land prétendent
avoir observé un alignement inexpliqué dans le rayonnement
micro-onde cosmique. Ils ont nommé cet alignement l'axe du
diable et fait l'hypothèse qu'il correspond à un univers
construit comme une planche, disposant de 2 dimensions, longueur
et largeur, s'étendant à l'infini et d'une épaisseur
de seulement 20 milliards d'années lumière. Il pourrait
aussi se présenter comme un fuseau tournant autour d'un axe
de rotation infiniment long. Ceci remettrait évidemment en
cause le présupposé inhérent à tout
modèle de big bang, selon lequel l'univers est identique
dans toutes les directions.
Reste
évidemment à faire admettre aux autres cosmologistes
que l'alignement observé par Magueijo et Land est effectivement
observable, et ne correspond pas à des erreurs instrumentales.
Mais pour ce faire, assez curieusement, on estime qu'il faudra plusieurs
années d'analyse supplémentaires des résultats
du WMAP, qui continuent à arriver, pour en avoir une idée.
Une étude a été décidée.
Parallèlement,
deux autres missions permettront de lever certains doutes. Il s'agira
de la sonde Planck de l'Agence Spatiale Européenne, dont
le lancement par une Ariane 5 est prévu pour juillet 2007.
Elle étudiera spécifiquement la radiation micro-ondes,
avec des moyens considérablement supérieurs à
ceux du WMAP. L'énergie noire, un peu plus tard sans doute,
sera étudiée par le Supernova/Accelerator Probe (SNAP)
de la Nasa, dont les modalités sont encore à l'étude.
Notre
conclusion
Quoi
qu'il en soit, il semble bien que le vieux modèle du big
bang ait désormais du plomb dans l'aile, ainsi que toutes
les hypothèses sur lesquelles il se fonde ou qui ont été
appelées à son secours au fur et à mesure de
la collecte de nouveaux faits observationnels. Les scientifiques
un peu imaginatifs font le pari que dans quelques temps de nouveaux
modèles d'univers, profondément différents
de l'actuel, seront proposés. Encore faudra-t-il qu'ils intègrent
et expliquent convenablement tous les résultats d'expériences,
déjà acquis ou susceptibles de l'être dans les
prochaines années. Si le modèle du big-bang se trouve
remplacé par un autre, cela ne concernera finalement que
la question de l'origine et des dimensions de l'univers. Resteront
toutes les autres questions relatives par exemple au temps, à
l'origine des astres, aux trous noirs et, bien entendu, au monde
quantique ainsi qu'aux essais actuellement en cours pour rapprocher
la physique quantique de la gravité, notamment par l'hypothétique
théorie des cordes.
De
toutes façons, nous avons plusieurs fois rappelé dans
cette revue que les modèles d'univers, qu'ils concernent
le cosmos profond ou la matière microscopique (quantique),
ne peuvent prétendre représenter le monde en soi.
Ils correspondent seulement à la conjonction, au moment où
ils sont émis, d'observations produites par les instruments
de l'époque, de représentations conceptuelles généralement
admises par la collectivité scientifique dominante et, sans
doute, de structures neuronales propres aux cerveaux des entités
biologiques du moment qui s'adonnent à la rude tâche
d'observer le monde et de formaliser leurs observations afin de
les transmettre par un langage commun.
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