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Leçon de physique n°5

Les principaux acteurs
du grand film cosmique

par le Professeur Raphaël Cannenpasse-Riffard

La matière visible ne représente que 4 % de l’univers : qu’est-ce qui compose les 96 % restants ? Raphaël Cannepasse-Riffard a donné des éclairages sur ce mystère lors de son intervention au Deuxième Colloque Denis Guichard - Un nouveau regard sur le Vivant. Lisez les extraits de son intervention.

En étudiant les vestiges du Big Bang inscrits dans l’organisation de la matière des étoiles et des galaxies, les astrophysiciens peuvent aujourd’hui reconstituer l’histoire de l’univers. C’est une véritable révolution qui nous donne pour la première fois une image plausible de ses débuts.

En effet, nous disposons d’une théorie incroyablement imaginative et rigoureuse sur le plan mathématique, une théorie de l’inflation cosmique qui peut faire des prédictions testables. Notre univers est en expansion depuis 14 milliards d’années...

Quels sont les acteurs qui animent le ballet cosmique ? Ce sont d’abord les quatre grandes forces de l’univers :

• la force électromagnétique, responsable des phénomènes électriques, magnétiques, ainsi que des phénomènes lumineux ;

• la force forte, qui « colle » ensemble les particules élémentaires au sein du noyau atomique ;

• la force faible, force radioactive agissant à l’intérieur du noyau atomique ;

• la gravité : cette force familière de portée infinie assure la marche des étoiles et des galaxies dans l’immensité. Une force familière et pourtant si mystérieuse… On commence seulement aujourd’hui à comprendre à quel point cette force de gravitation est différente des autres forces de l’univers. D’abord elle courbe l’espace et influence l’écoulement du temps. De plus, elle est fantastiquement faible : elle est par exemple 1040 fois plus faible que la force électromagnétique. Aussi étrange que cela puisse paraître, cette différence constitue I’un des plus profonds mystères de la physique et débouche sur un abîme de questions concernant l’espace-temps tout entier et son origine avant le Big Bang.

La question qui nous vient à l’esprit est la suivante : pourquoi ce réglage des constantes fondamentales, pourquoi cet ajustement d’une extrême précision ? Les physiciens ont bien quelques idées mais la vérité est qu’ils n’ont pas une compréhension claire de ce mystère et ignorent l’origine de l’énorme disparité entre l’électricité et la gravitation. Et pourtant, cette différence est essentielle à notre existence.

La découverte de la matière noire

Quels sont les ingrédients qui participent à l’expansion cosmique ?

Il y a la matière que nous connaissons, la matière ordinaire qui est composée d’atomes et, jusqu’au début du XXè siècle, on était persuadé que l’essentiel de la masse de l’univers était constituée de matière atomique.

Mais en 1933, l’astronome Zwicky, en étudiant les mouvements des galaxies individuelles dans des amas de galaxies, avait suggéré pour la première fois l’existence d’énormes quantités de masses invisibles dans l’univers. C’était la seule explication possible à la présence d’une source de gravitation plus intense que celle de la matière visible. Il devait donc exister plus de matière que celle que nous voyons.

Ignoré pendant plus de quarante ans, ce concept tellement étrange a pris ces dernières décennies une ampleur considérable. Ce type de matière, dont la nature reste un mystère complet puisqu’elle n’émet pas de lumière, est appelé aujourd’hui « matière noire ». Parfaitement transparente, cette matière exotique qui assure la cohésion des amas de galaxies se détecte en courbant l’espace. Elle constitue environ 23 % du contenu total de matière et d’énergie de l’univers. Ainsi la matière ne se limite pas à ce que nous voyons.

Aujourd’hui, nous savons que toutes les formes de matière visible, étoiles, planètes et galaxies, ne représentent que 0,4 % du contenu de l’univers. Et même si on admet que 3,6 % de cette matière atomique est invisible car elle erre dans l’espace intergalactique, trop éloignée pour être observée, la matière ordinaire ne représente que 4 % au maximum de l’univers. Au total, matières visible et invisible ne représentent que 27 % du contenu total de l’univers.

Un univers sombre

Mais 73 % du contenu de l’univers reste toujours manquant !
Où est donc passée la partie la plus importante mais aussi la plus étrange de la matière-énergie de l’univers ?

Les astronomes ont l’intuition fertile et heureuse. Ils s’attendaient à ce que l’expansion de l’univers décélère par la force d’attraction de la gravitation mais, en 1998, les données émanant de l’observation astronomique révèlent que l’expansion est loin de ralentir, au contraire elle accélère.

Comment l’univers a-t-il pu changer sa vitesse d’expansion ? S’il contenait seulement de la matière, visible ou invisible, il devrait décélérer parce que cette matière exerce une force attractive. Or l’univers est en expansion. Force est donc de postuler l’existence de quelque chose de bien plus insaisissable encore que la « matière noire ». Ce quelque chose pourrait être un mystérieux champ d’énergie du vide cosmologique qui exercerait une force répulsive supérieure à la force attractive de la matière. Ce champ impalpable qui accélèrerait l’expansion de l’univers, les astrophysiciens l’appellent « l’énergie noire ».

Nous sommes donc en mesure aujourd’hui de visualiser l’univers. L’image dévoilée est stupéfiante. C’est l’image d’un univers sombre insidieusement dominé par 99,6 % de matière et d’énergie invisible et impalpable.

Nous vivons donc dans un univers iceberg dont la partie émergée, lumineuse, ne représente rien ou presque au regard du substrat de l’univers. Notre type de matière ne prend pas beaucoup de place et n’apporte qu’une contribution dérisoire à la densité totale de l’univers. Et pourtant, le miracle est que malgré sa place insignifiante, l’homme est là pour se poser des questions sur cet univers qui l’a engendré.

Lisez toute l’intervention de Raphaël Cannenpasse-Riffard dans le livre du Deuxième Colloque : La Chair du Vivant
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