Les trois premières minutes de l'univers
de Steven Weinberg

critiqué par Eric Eliès, le 27 mars 2016
( - 50 ans)


La note: étoiles
Un classique de la vulgarisation scientifique, consacré aux premiers instants de l'univers
Ce livre de Steven Weinberg, prix Nobel de physique à seulement 46 ans pour ses travaux en physique des particules, est l’un des tous premiers ouvrages de vulgarisation consacrés aux premiers instants de l’univers intégrant les implications de la découverte du fonds diffus de rayonnement cosmologique. La lecture est fluide et aisée, même si on peut regretter le choix de l’auteur de dérouler des calculs scientifiques sans présenter les équations qui les sous-tendent, ce qui suscite parfois un sentiment de confusion et d’arbitraire dans l’exposé littéral des grandeurs physiques (même s’il est difficile de l'imputer à l’auteur ou au traducteur). En outre, l’édition présente quelques coquilles (incohérences entre le texte et les annexes – par exemple, il est dit dans le texte que notre galaxie se déplace vers l’amas de la Vierge à 400 km/s et dans les annexes que l’amas de la Vierge s’éloigne de nous à 1000 km/s) et des défauts de mise en page (par exemple : renvois erronés aux tableaux en annexe, comme si l’éditeur n’avait pas fait l’effort élémentaire d’une révision pour l’édition de poche !). Malgré ces défauts d'édition et même s'il est un peu daté par rapport à d’autres livres traitant du même sujet, ce classique reste d’actualité et contient d’intéressantes réflexions sur l’évolution des théories scientifiques et sur notre compréhension de l’univers, ainsi que sur la nécessité d’accorder à la recherche scientifique les crédits nécessaires à ses travaux (par exemple via le déploiement de satellites d’observation non perturbés par l’atmosphère terrestre).

L’ouvrage, dont je vous présente ci-dessous un résumé succinct, se compose de trois grandes parties. Après une présentation des lois qui régissent un univers « chaud » en équilibre thermique et un long exposé historique des travaux qui ont mené à la découverte, presque fortuite, du fonds cosmologique, l'auteur déroule chronologiquement le film supposé des premières minutes de l’univers, sans toutefois partir de l’instant « 0 » correspondant à la singularité initiale et à une éventuelle Genèse.

L’existence d’un rayonnement d’ondes radio avait été pressentie dès la fin des années 1940 (notamment par Gamow et Alpher) mais, en raison de fragilités conceptuelles dans la théorie et aussi d’un manque de communication entre chercheurs et radioastronomes expérimentateurs, il n’a été découvert qu’en 1964. Weinberg analyse longuement les raisons qui ont retardé la recherche du fonds de rayonnement. Il présente et détaille également les méthodes développées par les scientifiques pour, à partir de la mesure du décalage vers le rouge des spectres d’absorption des objets observés et en supposant l’isotropie de l’univers, estimer les dimensions, la luminosité et la distance des objets cosmiques. La découverte du décalage vers le rouge a bouleversé notre représentation du cosmos : jusqu’aux travaux d'Einstein, les modèles cosmologiques étaient stationnaires (c’est d’ailleurs la raison pour laquelle Einstein a introduit, ce qu’il regrettera par la suite, une constante cosmologique dans les équations de la Relativité générale) ; même si de Sitter avait construit un modèle stationnaire prédisant un décalage vers le rouge, c’est en fait le modèle non stationnaire du mathématicien russe Friedman, déduit des équations de la Relativité générale, qui va permettre de pleinement comprendre les décalages constatés dans les observations astronomiques et d’associer distance et vitesse de fuite à travers la constante de Hubble (qui varie avec le temps au cours de l’évolution de l’univers). Comme l'estimation de sa valeur actuelle est d’environ 15 km/s et par million d’année-lumière, l’âge de l’univers est inférieur à 20 milliards d’années (dans sa postface, Weinberg actualise la valeur de la constante à environ 30 km/s et par million d’années lumières ; cette correction est due à la découverte que notre galaxie se déplace par rapport au fonds cosmologique à une vitesse d’environ 400 km/s dans la direction de l’amas de Vierge).

L’existence du fonds de rayonnement (qui correspond au moment où l’univers est devenu « transparent ») accrédite la thèse du big-bang et démontre que l’univers a initialement été dans la situation d’un corps noir en équilibre thermique, dont l’état est totalement décrit par sa température. Dans les premiers instants, toute l’énergie est portée par un rayonnement d'une gigantesque densité (proportionnelle à la puissance quatrième de la température), qui ne cesse de générer des couples de particules/antiparticules s’annihilant aussitôt ; les particules créées sont d’autant plus massives que l’énergie de rayonnement est élevée (Weinberg explique alors que le modèle standard offre deux possibilités : soit il existe une infinité de particules possibles et en ce cas il existe une limite à la température de la singularité initiale soit le nombre de particules possibles est fini et en ce cas la température de la singularité initiale n’a pas de limite finie). Au fur et à mesure de l’expansion et du refroidissement du cosmos, la densité d’énergie a chuté successivement en-dessous des seuils de génération des particules lourdes (hadrons) puis légères (leptons) : ainsi, les premiers instants ont engendré les quarks/antiquarks puis les muons et les mésons (seuil à env. 1500 milliards de K [degrés Kelvin]) puis les électrons/positrons (seuil à 6 milliards de K) (nota : pour comparaison, la température au cœur du soleil est d'environ 15 millions de K).

Weinberg commence à dérouler le film des premiers instants à partir du premier centième, quand l’univers était constitué d’une sorte de soupe indifférenciée, à la température de 100 milliards de K, faite de rayonnement et de particules massives très fugaces. Au fur et à mesure du refroidissement, l’énergie de rayonnement s’est progressivement convertie en énergie de masse (les deux formes d’énergie se sont équilibrées à environ 4000 K). Lorsque la température de l’univers a atteint 3000 K, les photons sont devenus « libres » (soit à peu près en même temps que la matière est devenue la forme d’énergie prépondérante) et ont engendré un fonds de rayonnement dont la température est aujourd’hui de 3 K environ. Weinberg postule également l’existence d’un fonds cosmique de neutrinos, émis lorsque ceux-ci sont devenus « libres » à une température (beaucoup plus élevée) d’environ 10 milliards de K ; ce fonds de rayonnement, dont la température doit être d’environ 2 K est indétectable avec les moyens technologiques existants en raison de la très faible interaction des neutrinos avec la matière.

La nucléosynthèse primordiale a commencé à une température de 900 millions de K, environ trois minutes après la singularité initiale, puis s’est ensuite déroulée sur environ 700 000 ans jusqu’à la création des atomes d’hydrogène et d’hélium par combinaison des noyaux et des électrons. Les quarks, qui ne peuvent exister seuls car ils sont soumis à l’interaction forte, ont formé les protons et les neutrons qui se sont eux-mêmes associés, après que la température a suffisamment chuté pour permettre l’existence de noyaux stables, pour former des noyaux d’hydrogène (qui représentent 73 % de la masse de l’univers) et des noyaux d’hélium (qui en représentent environ 27 %) puis, par capture des électrons qui étaient jusqu'alors libres, des atomes qui seront plus tard à l’origine des étoiles. Les atomes plus lourds aujourd’hui présents dans l’univers (carbone, etc.) ne sont pas issus de la nucléosynthèse primordiale du big-bang mais (cf l’article de Fred Hoyle paru en 1957) de la nucléosynthèse opérée dans les étoiles, soit par fusion nucléaire pendant la vie de l'astre soit lors de l’explosion finale (supernova).

Nota : le point qui m’a paru le plus obscur dans l’exposé de Weinberg concerne la surabondance de la matière par rapport à l’antimatière et l’existence d’un reliquat, dont Weinberg m’a semblé éluder l’explication, à l’issue des processus d’annihilation de la matière et de l’antimatière. Si j’ai bien compris, la raréfaction progressive des neutrons par rapport aux protons (dont la proportion passe dans les premières minutes de 50%-50% à 17%-83%, en raison de la masse légèrement supérieure du neutron par rapport à celle du proton) a provoqué la création d’un excès d’électrons par rapport aux antiélectrons (dans une proportion inférieure au milliardième) pour maintenir à zéro la charge électrique globale de l’univers.

Les formes isotopiques intermédiaires entre l’hydrogène et l’hélium étant instables (notamment le deutérium), il est possible de déduire de l’abondance du deutérium par rapport à l’hydrogène que la proportion des hadrons par rapport à celles des photons est d’environ 1 particule pour 1 milliard de photons. Comme la densité de photons du fonds de rayonnement cosmologique à 3 K est d’environ 550 000 photons / litre, on peut en conséquence calculer la densité de particules massives dans l’univers et affirmer qu'elle est bien plus faible que la densité critique à partir de laquelle les forces de gravitation sont capables de freiner puis de stopper l’expansion du cosmos. Néanmoins, cette déduction, selon laquelle l’expansion cosmique n’aura pas de fin, ne tient pas compte de la matière noire, dont l’existence est avérée par les mesures de vitesse de rotation des galaxies (cf les travaux de Vera Rubin) et dont la nature n’est pas connue, même si les neutrinos, dont la masse est en réalité très faible mais non nulle, constituent l’explication la plus plausible. Il se peut donc que la densité de l’univers soit actuellement sous-estimée et que l’univers soit fermé et non ouvert…

Weinberg formule également des remarques sur les limites théoriques du modèle standard et du "big bang". Il développe différents aspects des théories de gauge (théories mathématiques qui sous-tendent les calculs sur les champs), qui révèlent que l’univers aurait subi des transitions de phase (l’univers aurait changé de nature d’une manière comparable à l’eau liquide quand elle gèle), notamment quand la température a chuté en-dessous de 3 millions de milliards de K en dissociant l’interaction faible et l’interaction électromagnétique. En outre, l’intensité des forces gravitationnelles, normalement négligeables à l'échelle quantique par rapport à toutes les autres forces, croît avec l’énergie (par exemple, l’attraction gravitationnelle du soleil sur la Terre est très légèrement renforcée par la température du soleil) et, à la température de 10^32 K (100 mille milliards de milliards de milliards de K soit environ à 10^-43 secondes après la singularité initiale), la gravitation est d’une intensité comparable à celle des autres forces et ne peut plus être négligée ; cette température constitue donc une barrière infranchissable car il n’existe pas de théorie conciliant la gravitation et les forces quantiques pour décrire les phénomènes susceptibles de se produire à ces énergies. Néanmoins, la rupture à 10^32 K de l’équilibre thermique entre les forces gravitationnelles et le reste de l’univers a dû engendrer un fonds cosmique d’ondes gravitationnelles, dont la température doit être d’environ 1 K ; sa découverte nous rapprocherait des limites de l’instant t0 de la singularité initiale, dont nous ignorons s’il marque un « 0 » absolu du temps ou s’il traduit une transition entre une phase d’expansion et une phase de contraction antérieure.