Frontières pour connaître l'univers nouveau-né
L'idée actuelle de l'univers est très différente. Ces dernières années, les modèles théoriques ont fait de grands progrès et nous avons réalisé des expériences cosmologiques très précises. Avec tout cela, nous avons obtenu un modèle cosmologique standard. Selon le modèle standard, l'univers est né il y a 14 milliards d'années (environ), et avait des densités et des températures très élevées. Depuis lors, l'univers s'est développé et s'est refroidi, et comme il s'est refroidi, des transitions de phase cosmologique ont eu lieu depuis un univers chaud de haute densité, peu à peu, jusqu'à ce que nous atteignons l'univers que nous observons aujourd'hui.
Essayons de voir la vie de l'univers à l'envers, en commençant par l'univers actuel et en reculant dans le temps jusqu'au nouvel univers natal. Plus il s'en va dans le temps, plus il devient jeune, plus la densité et la température sont élevées. Imaginez que nous mettions un morceau de glace dans une boîte et que nous le chauffons : d'abord la glace fondra, puis elle deviendra vapeur ; à partir de là, si nous augmentons la température, sera-t-elle plus à la vapeur ? Notre expérience culinaire quotidienne nous dit que l'eau se transforme en vapeur à 100ºC et que peut-être à 200 ou 300 degrés rien ne passe... Mais à 1.000 degrés ou à 1.000.000 degrés ?
En étudiant l'univers, nous avons une situation similaire. L'information obtenue dans les températures que nous pouvons obtenir dans nos laboratoires nous aide à prédire comment était l'univers quand il était plus jeune. Mais pour des températures très élevées (un univers très jeune) nous n'avons pas de connaissances expérimentales.
Il y a l'habitude de classer l'histoire de l'univers en trois époques : l'univers actuel, l'univers jeune et l'univers nouveau-né. L'univers actuel coïncide avec l'image que nous avons tous dans la tête : il est principalement vide et parfois il y a des étoiles, des quasars, des galaxies et des groupes de galaxies. Nous pouvons observer cet univers directement, en analysant la lumière émise par les étoiles, les galaxies, etc.
Le jeune univers (environ 100 millions d'années) est plus difficile à imaginer. Cet univers n'a ni étoiles, ni galaxies, ni objets de ce genre ; les électrons, les protons et les neutrons ont été formés pour la première fois. Mais en dépit d'être plus difficile à imaginer, la physique dont nous avons besoin pour expliquer tous ces processus est largement connue. Selon l'analogie utilisée précédemment, la température de l'univers jeune est la même que celle que nous pouvons obtenir dans nos laboratoires.
De plus, dans le jeune univers, deux faits très importants se sont succédés et aujourd'hui nous pouvons mesurer les conséquences directes de ce qui s'est passé alors. D'une part, lorsque l'univers avait 3 minutes a eu lieu la nucléosynthèse, c'est à dire, pour la première fois ont été formés noyaux atomiques. Les prévisions faites par la théorie actuelle de nucléosynthèse coïncident avec les mesures. D'autre part, lorsque l'univers avait 300.000 ans, il y avait aussi la recombinaison, à savoir la capture des électrons libérés par les noyaux atomiques et la formation des atomes. La photographie de cette époque peut être obtenue directement en mesurant le rayonnement micro-ondes de fond (CMB, Cosmic Microwave Background, en anglais). Par conséquent, ce qui est arrivé dans le jeune univers est assez contrôlé.
Dire ce qui est arrivé dans l'univers nouveau-né est beaucoup plus difficile. À cette époque (environ 10 à 36 secondes), les températures et les densités étaient très élevées. En dessous de ce point, la physique des échelles très grandes et très petites commence à se parler entre elles ou, en d'autres termes, pour expliquer cette époque, il faut combiner la relativité générale d'Einstein (grandes échelles) avec la physique quantique (très petites échelles). Et nous ne savons pas encore comment formuler la relativité générale quantique. Nous avons des modèles théoriques entre les mains, et certaines des caractéristiques de base sont connues, mais dans la plupart des cas, ils ne sont suspects avec un bon fond.
Bien sûr, du point de vue, nous pourrions dire que c'est un mensonge que nous comprenons l'époque où l'univers était entre 10 et 36 secondes, parce que, comprenons-nous l'univers actuel? Selon le modèle cosmologique standard, les composants de l'univers sont : 4% matière normale (atomes, lumière, électrons...), 22% matière noire et 74% énergie noire. La seule chose que nous connaissons bien est la matière normale. Nous ne savons pas très bien ce qu'est la matière noire, mais il est assez clair que ce n'est pas une matière "normale", ce n'est pas quelque chose que nous pouvons mesurer dans nos laboratoires. Et l'énergie sombre est encore plus mystérieuse.
Cependant, notre connaissance de l'évolution de l'univers est très profonde et à travers différentes expériences nous pouvons expliquer ce qui se passe à différentes échelles et situations. Merveilleux. Et l'avenir semble plus intéressant. Alors soyez attentifs!
Jon Urrestilla. Docteur en physique et chercheur à l'Université du Sussex.
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