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Leçon de physique n°7

Une brève histoire de l’univers

Par le Pr Raphaël Cannenpasse-Riffard

À la fin de l’âge de Planck (10-43 seconde après l’explosion originelle du Big Bang), l’univers est des milliards de fois plus petit qu’un atome d’hydrogène ; il a une énergie inconcevable : 1092 tonnes/m3 et une température que l’esprit humain a du mal à imaginer de 1027 degrés K...

Nous sommes pétris de lumière

Ce champ d’énergie primordiale incroyablement chaud et dense qui subit des fluctuations violentes lance l’univers naissant dans une expansion folle. En ce moment de nature explosive, l’espace et le temps sont dispersés dans le néant à la vitesse de la lumière.

L’horloge cosmique vient de sonner à 10-35 seconde.

Les événements se succèdent à un rythme inouï. En moins de temps qu’il ne faut à la lumière pour traverser un atome, l’univers va croître d’un facteur extraordinairement élevé de l’ordre de 1050 , soit à peu près celui qui sépare une bactérie d’un superamas de galaxies. C’est cette phase d’expansion vertigineuse que les physiciens appellent « inflation cosmique ».

10-32 seconde. A la fin de cette phase d’une brièveté inimaginable, un champ de rayonnement intense se développe. Les particules virtuelles du vide peuvent alors se séparer et devenir réelles en donnant naissance à tout le contenu matériel de l’univers.

Parce que la lumière primordiale donne naissance à la structure matérielle des êtres et des choses de l’univers, nous pouvons dire, avec l’astrophysicien Trinh Xuan Thuan, qu’elle est en réalité notre plus lointain ancêtre. En fait, nous sommes tous des enfants de la lumière parce que nous sommes pétris de lumière depuis l’aube du temps.

L’univers continue son expansion en entraînant la décroissance de la densité d’énergie.

L’univers fait le choix de la matière

10-6 seconde plus tard, la force forte* qui est devenue supérieure à l’agitation des quarks - particules élémentaires - va les lier trois par trois pour former des nucléons (protons, neutrons et leurs antiparticules), ces briques fondamentales des noyaux d’atomes.

Quand l’horloge cosmique sonne 10-5 seconde, nous arrivons à une étape encore plus importante dans l’évolution de l’univers : protons/antiprotons ou neutrons/antineutrons, qui sont en principe formés en nombre égal, peuvent interagir à leur tour.

Mais si l’antimatière** et la matière qui la suit comme son ombre interagissent, elles devraient s’annihiler pour devenir lumière. En fait, les observations astronomiques montrent que non seulement il n’y a pas d’antimatière dans notre système solaire, mais qu’elle est absente de l’univers observable dans son ensemble.

L’univers a donc fait le choix de la matière et ce phénomène reste encore en partie inexpliqué dans le modèle standard de la physique des particules.

C’est donc grâce cette partialité de l’univers en faveur de la matière, plutôt que l’antimatière, que l’univers existe et qu’il n’est pas un vaste océan d’énergie dépourvu de vie et de conscience.

Le temps passe à un rythme effréné. Cent secondes plus tard, l’univers est assez refroidi et l’énergie thermique est inférieure à la force faible***. La force forte* entre en action et les nucléons s’associent pour construire les premières structures du monde matériel. Les premiers noyaux d’hydrogène et d’hélium apparaissent.

Premiers atomes

Depuis le commencement, 380 000 ans se sont écoulés. L’univers s’est encore beaucoup refroidi (3000 °K).

A cette température, l’énergie des électrons devient insuffisante pour les libérer de l’attraction électrostatique des protons. Ils sont donc piégés dans le champ d’attraction des protons. C’est un événement historique dans l’évolution cosmique car la matière neutre se forme et ainsi naissent les premiers atomes d’hydrogène et d’hélium.

A ce moment précis se produit un autre phénomène d’une importance majeure qui va changer radicalement l’univers. Les atomes fraîchement formés vont absorber les photons, la fréquence de ceux-ci étant contenue dans le spectre d’émission de ces atomes. L’univers lève son voile opaque et devient transparent à la lumière. Ces photons qui nous parviennent directement des premières fractions de seconde de l’univers sont ceux que nous observons aujourd’hui dans le « rayonnement du fond cosmologique ».

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Fluctuation des températures du fond cosmologique (satellite WMAP, 2003)

Le voyage continue et l’horloge cosmique marque maintenant un milliard d’années. L’univers se présente comme un immense réseau enchevêtré de filaments de matière noire qui, par gravité, attire les nuages de gaz d’hydrogène et d’hélium.

Pour que la matière reprenne son ascension vers la complexité, le ciel va inventer les galaxies et les étoiles. Comment se sont-elles formées ? Les mesures réalisées sur le rayonnement du fond cosmologique montrent des variations infinitésimales de température et de petites fluctuations locales de densité de matière dans la plasma primitif constitué de molécules d’hydrogène et d’hélium. Au cours du temps, la force d’attraction entre les grumeaux minuscules accentue ces fluctuations, ce qui renforce les différences de densité spatiale. Lorsque l’effet de gravitation l’emporte sur celui de l’expansion de l’univers dans une région spatiale, la fluctuation devenue masse commence à se concentrer sur elle-même pour former une galaxie.

Les premières étoiles vont jouer un rôle fondamental dans l’évolution cosmique : c’est dans leur cœur et grâce à l’alchimie nucléaire qu’apparaissent pour la première fois au monde des éléments biologiques d’importance, au premier rang desquels se trouve le carbone. Le carbone atomique assume en effet un rôle très spécifique car sa configuration électronique et sa tétravalence**** lui donnent des propriétés uniques.

Une étoile est née

Il y a à peu près 4,6 milliards d’années, dans la banlieue de la Voie lactée, un nuage interstellaire d’environ une année-lumière, constitué d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’hélium, d’éléments lourds et de myriades de grains de poussière, s’effondre... Une étoile est née ! C’est notre soleil. Stimulés par la gravité, ces grains de poussière mettront 4 milliards d’années pour donner naissance aux planètes du système solaire et à la terre.

De la simplicité de la lumière à la complexité du cerveau

Sur notre terre l’organisation de la matière cosmique se poursuit. Dans l’état actuel de nos connaissances, le niveau le plus avancé d’organisation de tout l’univers est atteint par le cerveau humain qui peut poser ces questions fondamentales : qu’est-ce que la vie, qu’est-ce que la conscience ?

Voilà très rapidement dressée notre histoire cosmologique, qui peut pourtant se résumer en une seule phrase : c’est à partir de la lumière primordiale façonnée pendant les trois premières minutes de l’univers puis au cœur des étoiles que la vie a son origine.

Chaque élément de l’univers doit posséder une étincelle de conscience

Nous avons découvert aussi l’un des messages les plus importants de l’astrophysique contemporaine : l’histoire de l’univers montre qu’il y a continuité entre les différents niveaux d’organisation qui structurent la matière, du plus simple au plus complexe car la matière passe spontanément de l’un à l’autre. Il n’y a donc pas de différence entre matière inerte et matière vivante car elles sont faites fondamentalement de systèmes ouverts, communiquant entre eux. S’il n’y a pas de différence entre matière inerte et matière vivante, il est possible dès lors d’admettre avec Teilhard de Chardin et Jean Charon qu’à tous les niveaux - le photon, l’électron, l’atome, la molécule, la cellule, la plante, l’animal puis l’homme - chaque élément de l’univers doit posséder une étincelle de conscience qui s’accroît avec son niveau de complexité.

Nous pouvons alors comprendre combien l’être humain et tout son environnement sont précieux. Savoir que nous avons tous une même origine et que nous sommes tous reliés de façon intime à l’ensemble de l’univers devrait nous faire sentir combien nous sommes responsables de la terre, de la nature et de notre prochain. Cela pourrait permettre à l’humanité aujourd’hui en difficulté de retrouver sa meilleure chance en sachant profiter et gérer au mieux son petit bijou de planète unique et précieux dans l’océan de l’univers.

Extraits de La chair du vivant, éditions Le Courrier du Livre

*force forte : l’une des quatre grandes forces de l’univers. Elle « colle » ensemble les particules élémentaires dans le noyau atomique. Les autres forces sont la force faible, la force électromagnétique et la gravité.
**antimatière : c’est l’ensemble des antiparticules et des particules composant la matière dont est faite la Terre. L’opposition avec la maitère se fait au niveau des charges (dont la charge électrique) : les particules de l’antimatière ont des charges opposées à celles des particules jouant le même rôle dans la matière. L’antimatière n’existe qu’en quantités infimes dans l’univers, soit dans les rayons cosmiques, soit produite en laboratoire. Les travaux sur l’antimatière consistent en grande partie à expliquer sa rareté.
***force faible : force radioactive qui agit à l’intérieur du noyau atomique.
****tétravalence : Un atome est dit tétravalent quand il peut établir 4 liaisons simples différentes avec d’autres atomes.

Pour plus d’informations sur les forces de l’univers et la matière noire, lisez l’article : Les principaux acteurs du grand film cosmique

 Denis Guichard - Un nouveau regard sur le vivant - Tous droits réservés  - Webmaster : GSC