L'idée que l'Univers est né du Big Bang semble si bien étayée que la contester a tout du blasphème. Pourtant, plusieurs observations viennent aujourd'hui fissurer ce bel édifice théorique. De quoi le remettre en cause ? La réponse appartient à de super télescopes, dont l'arrivée s'annonce décisive.


UNE THEORIE MOINS SOLIDE QU'IL N'Y PARAIT

Reposant sur trois piliers observationnels, le "Big Bang " est depuis 40 ans "la" théorie de l'origine de l'Univers. Or, voici que des fissures apparaissent ça et là : De plus en plus visibles.

Tout le monde connaît l'histoire, elle est belle, son intrigue bien ficelée, et son nom particulièrement évocateur lui a assuré un succès fulgurant : "Big Bang ". Un succès qui n'est pas seulement d'audience puisque la grande fresque qui conte l'origine et l'évolution de l'Univers est universellement reconnue par la communauté scientifique comme une histoire... vraie. A tel point que depuis maintenant quarante ans, il est devenu quasi impossible d'entendre une autre version de l'origine cosmologique que celle qui commence par ces mots : " Il était une fois, voici 13,7 milliards d'années..."

Que s'est-il passé ensuite ? Dans ses grandes lignes, la théorie du Big Bang a le mérite de la simplicité : voici 13,7 milliards d'années, donc, l'Univers serait apparu spontanément, à partir d'une mystérieuse étincelle dont on sait seulement qu'elle fut d'une intensité et d'une température défiant l'imagination humaine et, de ce fait, inaccessible à la physique. Le Big Bang, c'est cela : non pas une explosion, comme on le croit souvent, mais l'apparition spontanée de l'espace et du temps, suivie d'une expansion vertigineuse de l'Univers, initiée par une énergie prodigieuse. Ce qui suppose qu'à l'origine, juste après l'hypothétique instant zéro, tout l'Univers n'était qu'un plasma brûlant en dilatation et en refroidissement rapides (Voir SC& V n° 1024, p.104) : du fait de l'expansion, ce fluide brûlant et homogène aurait commencé à se condenser en atomes, puis en étoiles, en galaxies...


LA PREUVE PAR TROIS

Evidemment, un tel scénario n'est pas tombé du ciel, si l'on ose dire. S'il a pu être établi par l'abbé et astrophysicien belge Georges Lemaître à la fin des années 20 et, au fil des décennies, rallier à lui l'immense majorité des chercheurs, jusqu'à devenir à partir des années 60 une théorie quasi inattaquable, c'est qu'il repose sur trois puissants piliers observationnels. Le premier date de 1929 : il s'agit de la découverte, par Edwin Hubble, que les galaxies s'éloignent les unes les autres ; or, cette fuite des galaxies signe cette expansion de l'Univers prédite par la théorie du Big Bang . Le second pilier a pour nom la "nucléosynthèse primordiale". Soit le fait, observé dans les années 60, que l'abondance des atomes dans l'Univers (75 % d'hydrogène, 24 % d'hélium, 1 % d'éléments lourds) est exactement celle que prédit là encore le scénario du Big Bang , selon lequel seuls les atomes les plus légers (hydrogène et hélium) existaient dès le début de l'Univers, alors que les atomes plus lourds se sont formés bien plus tard, dans les étoiles, et en bien moindre quantité. Enfin, troisième pilier, la découverte du rayonnement de fond cosmologique en 1965. C'est d'ailleurs cette observation spectaculaire qui a assuré le succès de la théorie du Big Bang . Et pour cause : ce faible rayonnement, qui baigne l'Univers entier à la température de-270 °C (soit à peine 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu), n'aurait d'autre explication que celle d'être le lointain écho lumineux, dilaté et refroidi par l'expansion cosmique, de la lumière aveuglante émise alors que l'Univers entier n'était encore qu'un gaz brûlant. Quelle meilleure preuve le Big Bang pouvait-il nous envoyer que celle de son propre rayonnement !

Etayée par de tels solides piliers, on comprend que cette théorie se soit mise à régner sans partage jusqu'à dominer toute l'astronomie depuis quarante ans. Vue de loin, elle est même devenue ce puissant temple de la connaissance qui impressionne quiconque voudrait s'y attaquer. Et pourtant ! A regarder de plus près l'édifice, voilà qu'apparaissent ici une fissure observationnelle, là une lézarde théorique... Stupeur : le colosse serait-il aux pieds d'argile ? Certes non ! Il n'en est pas moins vrai que ces fissures font désordre, d'autant qu'elles semblent prêtes à s'ouvrir. S'agit-il de simples défauts de construction qui seront vite replâtrés ? Ou de malfaçons graves, mettant en danger l'ensemble de l'édifice ?

Une chose est sûre : il y a quelques mois, fin 2005, la première lézarde s'est imperceptiblement agrandie quand l'équipe internationale de Mark Dickinson a découvert, nichée dans la constellation de la Baleine, la galaxie HUDF-JD2. Sitôt repérée, une véritable armada scientifique l'a prise en chasse : après Hubble, le Very Large Telescope européen, puis Spitzer, le télescope spatial infrarouge de la Nasa, n'ont pas quitté des yeux la minuscule petite tache lumineuse perdue dans le cosmos. Et cette débauche de moyens techniques a été couronnée de succès : elle a révélé, en effet, chez HUDF-JD2 des caractéristiques... hors normes ! A commencer par sa distance : celle-ci a été estimée à 13 milliards d'années-lumière, un chiffre vertigineux qui flirte étonnamment avec l'âge du Big Bang . D'après la théorie, HUDF-JD2 serait donc observée telle qu'elle existait 700 millions d'années seulement après le Big Bang .


"PHYSIQUEMENT IMPOSSIBLE ! "

Or, là où les choses se compliquent, c'est que le calcul de sa masse a donné 600 milliards de masses solaires, ce qui représente environ quatre fois la masse de notre propre Voie lactée, pourtant considérée comme une galaxie géante par les astronomes. Bizarre : d'après les théories actuelles d'évolution des galaxies, dites de "croissance hiérarchique ", les galaxies d'aujourd'hui se sont condensées à partir de petits amas d'étoiles, puis de mini-galaxies, au fil des âges... Comment une galaxie si massive a-t-elle bien pu se former si vite après le Big Bang ?

Ce n'est pas tout. Car une autre surprise attendait les chercheurs lorsqu'ils ont tenté d'évaluer l'âge des étoiles peuplant HUDFJD2. Selon les modèles de formation stellaire qu'ils injectent dans leurs programmes informatiques, ils trouvent que cette galaxie s'est formée, dans le meilleur des cas, 200 millions d'années après le Big Bang et, dans le pire des cas, 100 millions d'années... avant le Big Bang ! Autrement dit, cette galaxie "pourrait être plus vieille que l'Univers ", laisse tomber Mark Uickinson. Qui s'empresse d'ajouter, bien entendu, que c'est "physiquement impossible". D'où la tentation d'appuyer sur la touche "supprimer" de l'ordinateur qui a osé afficher à l'écran cette monstruosité... Pour l'heure, Mark Dickinson cherche une solution du côté théorique, en essayant de raccourcir le temps de formation des étoiles et celui des galaxies, voie qu'empruntent les chercheurs depuis plus de trente ans... En effet, le "problème des vieilles galaxies dans un univers jeune" ne date pas d'aujourd'hui. Il se pose simplement avec un peu plus d'acuité à chaque nouvelle observation... Mais cette fois, cela ne suffira peut-être ; pas, car il est possible que HUDF-JD2 ne soit qu'un glaçon posé sur la partie immergée de l'iceberg. En clair, avec l'amélioration des techniques d'observation, certains astronomes s'attendent à trouver des objets encore plus vieux dans l'enfance de l'Univers. Si cela se confirme, la fissure qui apparaît dans la chronologie cosmologique dictée par le Big Bang pourrait bien se transformer en véritable faille, voire en gouffre... Mais il n'y a pas que cela. En effet, le rayonnement fossile, pourtant considéré comme le plus solide pilier du Big Bang , commence lui aussi à montrer des signes de faiblesse, surtout depuis que ce rayonnement, qui renseigne sur l'état de l'Univers 380 000 ans après le Big Bang (un brouillard de particules encore très dense, porté à 3 000 degrés), a été mesuré précisément par le satellite Wmap en 2003. Verdict : les écarts de température dans l'Univers primordial ne dépassaient pas... 0,0002 °C. Or, comment dix ou cent millions d'années plus tard, l'écart entre le vide interstellaire et le coeur des étoiles a-t-il pu devenir mille milliards de fois plus grand ? Comment un milieu presque homogène a-t-il pu se transformer si vite en un milieu presque entièrement fait de vide avec, ça et là, d'énormes grumeaux de matières que sont les galaxies ? En l'état, le scénario de formation des galaxies dans le cadre du Big Bang ne permet pas de répondre...


COSMOLOGIE SCHIZOPHRÈNE ?

A ce stade, une autre question s'impose : le rayonnement cosmologique est-il vraiment aussi fiable que les cosmologistes veulent bien le croire ? Principal pilier du Big Bang , n'est-il pas en train de fragiliser celui-là même qu'il est censé étayer ? Aujourd'hui, les cosmologistes l'étudient avec tant de soin qu'ils en tirent avec une précision inouïe l'âge théorique de l'Univers, et celui de ses premières étoiles. Mais qui dit que la mesure extraordinairement difficile de ce rayonnement ne pourrait pas être entachée d'erreurs et de fausses interprétations ? Ce sont des physiciens du Cern, le laboratoire européen pour la physique des particules, situé près de Genève, qui ont tiré les premiers en alertant leurs collègues astronomes sur de possibles erreurs : d'après Dominik Schwarz et Glenn Starkman, qui ont publié leur travail dans les Physical Review Letters en novembre 2004, des erreurs d'analyse ont été faites ; par les chercheurs de Wmap ! D'après eux, une partie du rayonnement cosmologique n'a rien à voir avec la cosmologie, puisqu'elle proviendrait du... système solaire lui-même ! Enhardis par cette première attaque frontale, Richard Lieu et Jonathan Mittaz, de l'université d'Alabama, ont publié dans l'Astrophysical Journal, en avril 2005, un article plus radical encore : pour eux, c'est l'ensemble des données enregistrées sur le rayonnement cosmologique qu'il faudrait réanalyser, voire réinterpréter ! Pour Richard Lieu, "il est possible qu'une partie du rayonnement cosmologique n'ait rien à voir avec le Big Bang , mais soit dû à des phénomènes physiques locaux ". A savoir des poussières interplanétaires, des poussières interstellaires, du gaz intergalactique... les candidats ne manquent pas. Même son de cloche qu'au Cern... L'ennui, c'est que si les paramètres injectés dans la théorie du Big Bang grâce aux observations de Wmap - âge de l'Univers, densité, courbure, vitesse de l'expansion, etc. - sont faux, c'est tout l'édifice qui pourrait s'écrouler comme un château de sable. Car tous ces paramètres sont si intimement imbriqués qu'il est impossible de remettre en question l'un d'eux sans jeter à bas tous les autres !

La conséquence de tant de remises en cause découlant des progrès réalisés dans l'observation : la cosmologie est menacée de devenir schizophrène. Insensible aux critiques, l'équipe américaine de Wmap affirme ainsi avec un humour bien involontaire que "nous sommes entrés dans l'ère de la cosmologie de précision ", et fournit des chiffres d'une précision surréaliste à l'appui de sa thèse. Des chiffres qui font sourire les sceptiques selon l'équipe de Wmap, 5 % du "contenu" en énergie et en matière de l'Univers sont représentés par les étoiles, nébuleuses, galaxies, planètes, etc., 25 % seraient représentés par de la "matière noire" de nature inconnue et enfin, cerise sur le gâteau, 70 % seraient représentés par une mystérieuse "énergie sombre". En clair, 95 % de l'Univers prédit par la théorie est donc de nature parfaitement... inconnue ! Voilà une troisième fissure qui, lorsqu'on s'en approche, donne le vertige... puisque le scénario du Big Bang ne concernerait donc finalement que 5 % de l'Univers.


UNE MATIÈRE NOIRE INCONNUE

Mais qu'est-ce donc que cette "matière noire" et cette "énergie sombre", dont les noms mêmes trahissent l'embarras des cosmologistes ? Commençons par la matière noire, dont l'existence a été proposée pour la première fois en 1938 par Fritz Zwicky. L'astronome américain d'origine suisse avait constaté que les galaxies proches s'attiraient les unes les autres avec une force gravitationnelle bien supérieure à celle qu'il pouvait calculer â à partir de l'observation des seules étoiles qui les constituent... d'où la présence, supposée, d'une grande quantité de matière non visible. Sans elle, la force de gravitation n'aurait pas eu suffisamment de prise sur la matière visible pour former les galaxies qui peuplent notre univers, du moins dans le temps imparti par le scénario du Big Bang . L'équation est simple : sans matière noire, pas de galaxie. Aujourd'hui, l'immense majorité des astronomes postulent l'existence de cette matière dite "noire", qui ne se signale que par ses perturbations gravitationnelles. L'ennui c'est qu'aucun télescope dans l'infiniment grand, ni aucun accélérateur de particules dans l'infiniment petit, n'a jamais réussi à découvrir sa véritable nature. S'agit-il de mini-étoiles trop petites ? De trous noirs ? De nuages de gaz invisibles ? Non : trente ans d'observations acharnées auraient permis de le savoir... Un flux de particules à la fois massives et... invisibles ? Pourquoi pas, puisqu'aucun accélérateur n'est capable de les reproduire... Mais alors, comme les identifier ? Quoi qu'il en soit, cette incertitude est d'autant plus problématique que l'influence de la "matière noire" est énorme : elle multiplie par cent la masse d'une galaxie par rapport à sa partie visible ! C'est beaucoup. A tel point que certains chercheurs se demandent aujourd'hui si la matière noire n'est pas un "faux problème" et, pour s'en débarrasser, envisagent de revoir, par exemple, les lois de la gravitation... soit l'un des piliers théoriques du Big Bang .

Quant à l'énergie sombre, elle est encore plus exotique que la matière noire. Il s'agirait d'une force de nature inconnue qui accélérerait l'expansion de l'Univers. Comme la matière sombre, son existence tout hypothétique a été imposée par certaines incohérences entre les observations et la théorie : c'est en 1998 que plusieurs équipes internationales se sont aperçues, en observant des supernovae (des explosions d'étoiles) très lointaines, que l'expansion de l'Univers était en train de s'accélérer avec une "fougue" que la théorie du Big Bang n'était pas du tout en mesure d'expliquer. D'où l'idée qu'il y aurait une énergie de nature inconnue qui viendrait s'ajouter à l'expansion naturelle de l'Univers pour l'accélérer.


L'ÉNERGIE SOMBRE EN DOUTE

Aujourd'hui, personne n'a la moindre idée de ce dont il pourrait s'agir, et pourtant son intensité est réglée au pour cent près par les théoriciens pour qu'elle colle aux données de Wmap ! Pour réaliser à quel point l'hypothèse de l'énergie sombre est solide, il suffit de savoir qu'Edward Kolb, directeur de l'un des plus célèbres centres de recherche en physique au monde, le Fermilab, à Chicago... n'y croit pas ! L'ennui, c'est que désormais, on ne peut plus faire l'économie de la matière sombre et de l'énergie sombre si l'on veut que le Big Bang tienne debout.

Avec autant de fissures, on comprend que certains n'hésitent plus à douter d'une théorie qui ne parvient pas à expliquer la formation des galaxies, dont le pilier le plus solide, le rayonnement cosmologique de fond, pourrait ne pas être aussi fiable qu'on le croit, et qui, finalement, n'expliquerait que 5 % de l'Univers, nous laissant nous débrouiller avec 95 % d'inconnu. Roberto Abraham, qui a découvert avec son équipe de chercheurs américains et canadiens, après "un grand sondage de galaxies en 2004", que l'Univers, moins de trois milliards d'années après sa supposée naissance, était déjà peuplé aux trois quarts de galaxies vieilles, elles-mêmes constituées d'étoiles âgées de plusieurs milliards d'années, résume assez bien l'état d'esprit des cosmologistes : "Les théoriciens ne paniquent pas encore, mais ça va finir par arriver..." S.B


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LE BIG BANG FAIT DE LA RESISTANCE

Pour être contesté, le Big Bang n'en rallie pas moins les suffrages de l'immense majorité des astronomes. Parce que sa cohérence est indéniable et faute d'alternative crédible.

Galaxies trop vieilles dans un cosmos trop jeune, controverses sur l'interprétation du rayonnement de fond cosmologique, rustines mathématiques pour masquer de grosses lézardes... La théorie du Big Bang a beau présenter certaines failles de plus en plus visibles (voir p. 60), son hégémonie n'en demeure pas moins quasi totale dans le monde des astronomes. Pourquoi ? D'abord, parce que "le Big Bang est le modèle qui rend compte le plus économiquement et le plus élégamment de l'ensemble des observations cosmologiques", analyse Alain Riazuelo, chercheur à l'Institut d'Astrophysique de Paris. Ensuite, parce qu'à ce jour, cette théorie n'a aucun concurrent sérieux.

Certes, des alternatives sont proposées, mais elles se limitent en général à une réinterprétation d'une petite partie de la théorie (expansion et âge de l'Univers, évolution des galaxies ou origine des quasars). En un mot, elles sont impuissantes à offrir une image du monde globale, cohérente... ce qui est la grande force du Big Bang , comme aiment à le rappeler les astronomes. Pourtant, deux challengers ont bel et bien tenté de monter sur le ring cosmologique pour y affronter le Big Bang . Le premier, dit "modèle stationnaire", fut proposé dès 1948 par les astronomes britanniques Fred Hoyle, Hermann Bondi et Thomas Gold (voir infographie). Ses armes ? Une indéniable élégance formelle et un parti pris philosophique radical : loin d'être apparu à un instant "t", l'Univers a toujours existé, il est infini et éternel. Et, comme l'Univers du Big Bang , l'Univers stationnaire est naturellement en expansion : les galaxies s'éloignent les unes des autres et sont perpétuellement remplacées par de nouvelles galaxies, formées à partir de particules se créant spontanément, à partir de rien, par un mécanisme... inconnu.


IL A VALEUR DE DOGME

Toutefois, la découverte du rayonnement fossile va mettre ce modèle au tapis : incapable d'expliquer ce "bruit de fond cosmologique", il va être officiellement rejeté en 1965 par le corpus astronomique. Fin du combat ? Pas tout à fait. Car ce modèle survit aujourd'hui via une variante, dite de l'Univers quasi-stationnaire, proposée en 2000 par l'Indien Jayant Narlikar et l'Américain Geoffrey Burbidge : cette fois, il est toujours incréé et éternel, mais il oscille perpétuellement entre deux phases extrêmes de densité et de température, une "astuce" qui permet de mieux "coller" aux observations...L'autre concurrent avait pour coach le Suédois Hannes Alfven, prix Nobel de physique en 1970. Baptisé "Univers-plasma", ce modèle est toujours étudié par une poignée de chercheurs. Comme dans le modèle stationnaire, l'Univers d'Alfven n'a pas d'origine. Mais ici, c'est l'électromagnétisme, plutôt que la gravitation, qui mène la danse. Pour Alfven, l'influence de la force électromagnétique était en effet largement sous-estimée en cosmologie : c'est elle qui modèle les galaxies et l'Univers entier (voir infographie). Quant à l'expansion, elle ne concernerait que notre espace local, le reste de l'Univers nous étant inaccessibles. Cette théorie, qui tire son nom du fait que la plus grande partie de l'Univers existe sous forme de plasma - des atomes ionisés - est toujours en chantier aujourd'hui, mais ne convainc pas l'immense majorité des cosmologistes, pour qui l'Univers reste gouverné par la gravitation...

Au final, ni ces deux modèles ni aucun des nombreux autres ayant cherché à exclure le Big Bang de l'histoire cosmologique n'ont réussi à s'imposer faute de pouvoir rendre compte de l'ensemble des observations. Mais leurs propres faiblesses ne désarment pas les détracteurs du Big Bang . Car ceux-ci avancent encore un argument, cette fois de principe. Ils reprochent au Big Bang d'avoir échappé à la méthodologie scientifique pour devenir un dogme, du " fondamentalisme scientifique ", selon l'expression très dure de Jayant Narlikar, qui, pour défendre l'Univers stationnaire, n'en est pas moins directeur du centre d'astrophysique de Pune et membre de la Royal Astronomical Society. En clair : l'astronomie moderne serait devenue une véritable "machine à prouver le Big Bang ", broyant sur son passage toutes les observations, toutes les hypothèses qui n'abondent pas dans son sens. En mai 2004, ils étaient d'ailleurs 34 scientifiques et ingénieurs de renom à signer une "Lettre ouverte à la communauté scientifique" (voir encadré p. 72). Leur message étant, en substance, le suivant : " Comment s'étonner que nos théories ne soient pas aussi achevées, puisqu'aucun moyen ne nous est accordé pour les développer ? " Ils n'ont pas tout à fait tort : aujourd'hui, un étudiant en astrophysique désireux de se lancer dans la carrière ne se voit plus proposer qu'un seul cadre de travail : "le Big Bang chaud", "le Big Bang froid", "le modèle standard", "le modèle de concordance", etc. Bref, le tout dernier avatar de la théorie. Exercer sa curiosité et son questionnement - la raison d'être d'un chercheur - dans les champs célestes plus aventureux de théories alternatives au modèle dominant serait professionnellement suicidaire. Et de fait, personne ne s'y risque...

Mais au fond, que reprochent exactement au Big Bang ses détracteurs ? Avant tout d'être une théorie à géométrie variable, capable, avec une facilité suspecte, de s'adapter à n'importe quelle nouvelle donnée, voire d'inventer de nouveaux paramètres à son usage unique, liberté qu'elle ne concède pas à ses malheureuses concurrentes.


DES RÉPONSES À TOUT

Exemple : la dernière théorie en vogue attribue aux étoiles un âge de 18 milliards d'années ? Un coup de curseur à gauche, via une légère modification du taux d'expansion de l'Univers, et le Big Bang arrive pile au bon moment. Finalement, on s'est trompé, les étoiles ne dépassent pas 13 milliards d'années ? Un coup du même curseur à droite et le Big Bang s'adapte parfaitement à la nouvelle courbe du modèle. L'Univers est trop "lourd" dans les équations : pas de problème, voici la "matière sombre". L'expansion va trop vite ? "L'énergie sombre" est là pour tout régler. Et si elle allait trop lentement ? On la supprimerait ! L'Univers est trop homogène ? Pouf ! Voici l'inflation qui sort du chapeau des théoriciens ! Grâce à ce super Big Bang dans le Big Bang , l'Univers, en 10-³⁵ seconde, voit sa taille augmenter d'un facteur 10-¹⁰⁰. Et voilà l'homogénéité expliquée.

Ceci dit, les défenseurs du Big Bang ne sont pas dupes : nombre d'entre eux sont lucides, voire autocritiques, puisque certains ne croient ni à l'inflation, ni à la matière noire, ni à l'énergie sombre. Mieux, ceux-là notent, goguenards, qu'il existe, par exemple, un décalage de 10-¹²⁰ en termes d'énergie entre les deux explications les plus crédibles de la fameuse "énergie sombre" ! Reste que la plupart des astronomes le soutiennent : si la théorie du Big Bang s'est élevée progressivement au rang de paradigme, c'est que "toutes les observations convergent, insiste Marc Lachièze-Rey, astrophysicien au CEA, indépendamment des problèmes qu'elles posent ici ou là à un moment donné. Cette grande cohérence du Big Bang , vérifiée dans tous les domaines de l'astronomie, c'est la grande force de la théorie". Pour Alain Riazuelo : "Il n'y a tout simplement pas besoin de chercher autre chose". Fermez le ban.

Pourtant, la messe n'est pas dite, et l'on sent un frémissement, même chez les plus "pro-Big Bang " qui ne veulent pas balayer sous le tapis ce qui demeure la grande faiblesse théorique du Big Bang : à savoir le fait qu'il est construit sur deux modèles physiques... inconciliables ! En effet, la grille de lecture des astrophysiciens, c'est la théorie de la relativité générale pour l'infiniment grand, et la mécanique quantique pour l'infiniment petit. Le hic, c'est que la première ignore les particules élémentaires, tandis que la seconde n'envisage pas l'existence de l'espace-temps... Or, relativité et mécanique quantique, sont toutes deux convoquées dans le scénario du Big Bang pour jouer ensemble la première scène, cruciale pour comprendre le film : "L'instant zéro", le Big Bang même. En effet, aux parages du Big Bang , toutes les grandeurs physiques de l'Univers - dimensions, densité, température - habituellement régies par la relativité, relèvent alors de la mécanique quantique ! C'est là, dans ce no man's land entre infiniment grand et infiniment petit, que, selon Jean-Marc Bonnet-Bidaud, se livrera l'ultime bataille du Big Bang . Pour cet astronome du CEA, ses collègues "ont voulu aller trop vite. Ils s'imaginaient sur les autoroutes de la connaissance, avec la théorie du Big Bang leur livrant l'alpha et l'oméga de l'histoire cosmique. Mais l'Univers réel est probablement plus complexe que celui qu'ils génèrent avec leurs modèles mathématiques ".

C'est le seul point sur lequel tout le monde tombe d'accord, partisans comme opposants au Big Bang : la cosmologie actuelle est dans une impasse. La relativité, si féconde un siècle durant, est devenue stérile. La mécanique quantique, de son côté, s'essouffle : si les physiciens créent avec frénésie dans leurs ordinateurs des particules de plus en plus exotiques et évanescentes, ils ne disposent pas des outils pour les découvrir dans le monde réel... Pour avancer, il faudrait aux physiciens dépasser la relativité et la mécanique quantique, c'est-à-dire trouver leur faille, seul point d'appui pour proposer autre chose... Du coup, des pistes jusqu'ici inconnues sont explorées, dans l'objectif, non plus de concilier les deux théories phares du XXe siècle, mais de les contourner : "II y a aujourd'hui un vrai changement de mentalité, se réjouit Jean-Marc Bonnet-Bidaud. Pendant des décennies, personne n'a osé toucher aux monuments de la physique : relativité et mécanique quantique ; or, les jeunes chercheurs ont brisé ce tabou et n'hésitent plus à se lancer dans des voies radicalement nouvelles ".


LEVÉE DE BOUCLIERS MONDIALE

Jusqu'à oser l'impensable : remettre en cause les fondements de la physique, autrement dit ses constantes fondamentales ! On ne compte plus désormais les scientifiques de renom qui, comme le Portugais Joao Magueijo, le Britannique John Barrow ou l'Américain Lee Smolin, s'interrogent sur la sacro-sainte vitesse de la lumière : loin d'être immuable, elle pourrait être... variable ! Autre piste : vérifier que la loi de la gravitation est bien... universelle. D'une gravitation à géométrie variable proposée par le Français Christian Marinoni et l'Italien Federico Piazza à une inconstance... de la constante de gravitation suggérée par l'Américain Robert Scherrer ou l'Israélien Mordehai Milgrom, plus rien n'est sacré pour les physiciens ! Or, un changement des constantes de la physique bouleverserait notre conception du monde.

Par exemple, en tripatouillant un peu la vénérable loi de la gravitation universelle, et au risque de faire se retourner dans leur tombe Isaac Newton ton et Albert Einstein, une variation du champ de gravitation évacuerait l'encombrante énigme de la matière noire... De même, une variation de la vitesse de la lumière impliquerait que notre vision du monde est faussée, énergie sombre, inflation, origine même de l'Univers, tout pourrait être remis en question ! Cela dit, toutes les tentatives pour observer une dérive des constantes de la physique au fil du temps cosmique ont échoué. En clair, les lois de la nature semblent, jusqu'à preuve du contraire, inchangées depuis... le Big Bang ! S.B.








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LA SOLUTION SE TROUVE QUELQUE PART DANS LE CIEL

Age des galaxies, rayonnement fossile... Pour en savoir plus, de nouveaux outils vont scruter l'espace comme jamais. De quoi consolider la théorie... ou la faire voler en éclat !

On ne touche qu'avec les yeux ! Cet avertissement pourrait figurer aux frontons du ciel. Car les astronomes ne sont pas comme saint Thomas : ils ne peuvent toucher du doigt l'objet de leur doute pour s'assurer de sa réalité. Seule la lumière étant messagère du cosmos, ils en sont réduits à l'observer et à donner des interprétations théoriques des images qu'elle offre pour penser l'Univers. C'est là leur gloire et leur fardeau. Ils savent qu'ils ne pourront jamais envoyer une sonde spatiotemporelle voir comment se sont éclairées les premières étoiles, que jamais ils ne mettront directement les mains dans le chaudron brûlant du Big Bang ni n'assisteront au premier "tic" de la grande pendule cosmique, que jamais ils ne sauront ce qui se passe derrière l'horizon cosmologique... Il n'empêche ! La lumière du ciel est bavarde et, pour un peu plus de 99 % des astrophysiciens, elle raconte une histoire aujourd'hui bien établie. A savoir que l'Univers est en constante évolution, depuis la création de la matière, puis celle des galaxies, des étoiles, des planètes, au gré de l'expansion cosmique.

Ce scénario du Big Bang fait l'objet d'un tel consensus qu'il apparaît depuis des années comme une forteresse inexpugnable. Mais s'il tient debout, c'est par la force d'étais - matière noire, énergie sombre, inflation, etc. - si nombreux qu'il fait désormais songer, selon le joli mot de Jean-Marc Bonnet Bidaud, astrophysicien au CEA, à "un édifice baroque". Autant dire que quelque chose cloche... mais quoi ? Les astronomes étant payés pour savoir que le diable se dissimule dans les détails, ils n'ignorent pas que c'est dans les recoins du ciel qu'il leur faut chercher la solution, dans le ciel que va se dérouler la dernière bataille du Big Bang ... Et le ciel, bon prince, pourrait bien exaucer leurs vœux. En 1600, n'est-ce pas une minuscule différence de position de la planète Mars relevée par Tycho Brahé qui amena Johannes Kepler à la révélation de la loi de révolution des planètes ; un chercheur moins attentif serait passé à côté de la découverte... Autre exemple : c'est un écart infinitésimal dans la position de Mercure dans le ciel, resté incompris jusqu'au début du XXè siècle, qui distingue les théories, pourtant radicalement différentes, de la gravitation universelle de Newton de la relativité générale d'Einstein !

Voilà bien l'espoir de ceux qui osent mettre en doute le Big Bang : découvrir un infime grain de sable qui gripperait la machine tout entière. A l'instar de ce qui se produisit voici cinq siècles, lorsque la théorie géocentrique, héritée des Grecs, plaçait la 1ère au centre de l'Univers. Ce géocentrisme tint longtemps bon, face aux astronomes et à leurs observations de plus en précises, grâce à des "épicycles" : de petites orbites rajoutées progressivement les unes dans les autres, comme les rouages d'une montre mécanique. Mais à force, la grande horloge cosmique finit par ne plus tourner rond et, entre 1543, date de la parution de l'hypothèse héliocentrique de Copernic, et la publication de la dernière loi du mouvement planétaire de Kepler en 1619, l'image du monde géocentrique s'est lentement délitée, puis effacée, remplacée par une autre, qui plaçait le Soleil au centre de l'Univers. Le ciel au-dessus de leur tête n'avait pas changé d'un iota, mais l'idée que les hommes s'en faisaient, si. Sommes-nous à la veille d'une révolution dans notre conception de l'Univers aussi radicale que l'héliocentrisme ? Matière noire, énergie sombre et inflation sont-ils les épicycles d'hier ?


UN PREMIER VERDICT BIENTÔT

C'est que ce pensent les "anti-Big Bang ". Qui sont bien décidés à trouver dans le ciel a de quoi nourrir leurs doutes. Un gant relevé par les "pro-Big Bang " qui, loin de baisser les bras, entendent faire de même, mais cette fois pour rendre plus cohérente encore leur théorie chérie. Par où commencer ? Nous l'avons vu (voir p. 68), la relativité générale, fondement théorique du Big Bang , est devenue un frein aux progrès en cosmologie : toutes les prédictions d'Einstein sont vérifiées - parfois au dix millième de milliardième d'unité près -, au point que la théorie, trop parfaite, est devenue stérile. C'est pourquoi les grandes agences spatiales ont décidé d'investir en masse pour dénicher un phénomène qui viole la relativité, ce petit quelque chose "qui cloche". Ainsi, la sonde américaine Gravity Probe B, qui vient d'achever en orbite terrestre sa mission d'études des effets les plus subtils de la relativité, concentre-t-elle aujourd'hui toute l'attention : elle revient après avoir tenté de mesurer pour la toute première fois l'effet "Lense Thirring", prédit dès 1918 par la relativité générale, et qui dit qu'un corps massif en rotation (en l'occurrence la planète Terre) doit entraîner l'espace-temps dans son mouvement. Verdict dans quelques mois.

De son côté, le satellite français Microscope est dans les starting blocks : décollage prévu pour 2008. Construit par le Cries, il doit pareillement tester la relativité avec une précision de... 1 million de milliardième d'unité ! Mais lui va s'attaquer au fondement même de la relativité générale, le principe d'équivalence, découvert par Galilée vers 1600 : pourquoi tous les objets se comportent-ils de la même façon dans un champ de gravité ? Rejouant métaphoriquement l'expérience de Galilée qui, selon la légende, jetait des masses différentes depuis la tour de Pise, Microscope mesurera la chute libre de masses tests en apesanteur.

Bien sûr, l'idéal, pour les physiciens, serait de pouvoir tester les ébauches de théories unificatrices de la gravitation et de la physique quantique, comme la supergravité, la gravité quantique, la gravité quantique en lacets, ou encore la théorie des cordes. Las, il est encore trop tôt pour ce faire, la plupart de ces théories demeurant inaccessibles à la moindre expérimentation pratique. C'est d'ailleurs l'objectif principal des physiciens aujourd'hui : trouver des biais leur permettant de tester leurs théories sans recourir à la construction d'accélérateurs de particules grands comme le système solaire...


TOUJOURS PLUS DE PRÉCISION

En attendant les résultats de Gravity Probe B et une éventuelle nouvelle théorie, réconciliant ou dépassant relativité et mécanique quantique, une meilleure compréhension de l'Univers, voire la remise en cause de l'idée que nous nous en faisons, pourrait venir de l'astronomie "classique" et de ses bons vieux télescopes. Car avec des instruments de plus en plus puissants, précis et spécialisés, les années qui viennent pourraient s'avérer cruciales. Dans l'espace, d'abord : le satellite Planck, conçu par l'agence spatiale européenne (Esa), va, dès 2008, étudier le fameux rayonnement de fond avec une précision dix fois supérieure à son précurseur américain Wmap. Si son origine est bien cosmologique, comme en est persuadée la quasi-totalité des astronomes, nous le saurons, car ce sont littéralement les germes des galaxies qui seront visibles dans ses infimes variations ! Mais surtout, Planck permettra d'affiner les paramètres cosmologiques - dimensions, âge, structure de l'Univers -, le tout à quelques pour cent près. Du coup, si quelque chose cloche, comme le supposent certains chercheurs après avoir étudié les données nées de Wmap (voir p. 60), Planck ne le laissera pas passer.

Du côté du problème des galaxies qui seraient trop vieilles dans un univers trop jeune (voir p. 60), c'est Alma, un instrument astronomique américain et européen, qui va s'y atteler dès 2010 : constitué de 60 antennes de 12 m de diamètre, sensibles aux ondes millimétriques, ce gigantesque interféromètre, installé dans les Andes chiliennes, explorera la première centaine de millions d'années de l'histoire cosmique. Aima amène une véritable rupture dans la technologie astronomique : jamais les astronomes n'avaient vu aussi grand et aussi précis ! Ainsi, la surface totale des antennes de l'interféromètre dépassera 7000 m2... De plus, l'immense réseau, qui s'étendra sur près de 100 km2, bénéficiera d'un ciel d'une pureté inconnue jusqu'ici, à l'altitude record de 5100 m. Mieux, à partir de 2013, Alma sera secondé par une autre machine hors norme : le télescope spatial infrarouge américain James Webb de 6 m de diamètre, installé à plus de 1 million de kilomètres de la terre. A eux deux, ces instruments à un milliard d'euros pièce auront probablement trouvé d'ici à 2015 le "chaînon manquant" entre la lueur fossile, issue du Big Bang , et l'Univers actuel, fait d'atomes, de planètes, d'étoiles, de galaxies. Un enjeu prodigieux, qui amène d'ailleurs les grands instituts astronomiques internationaux à lancer, dès à présent, la construction de télescopes "super géants" sur Terre.


VERS UN NOUVEAU MONDE ?

A côté de cette nouvelle génération d'outils, les géants actuels – Very Large Télescope européen de 8 m et les télescopes américains Keck de 10 m2 feront figure de jouets : le GMT (Giant Magellan Telescope) de Z 5 ni de diamètre et le TMT (Thirty Meter Telescope) de 30 m de diamètre, tous deux américains, pourraient entrer en service en 2015, avant les Européens, qui ont dans leurs cartons des projets encore plus ambitieux. En principe, cette "grande armada" de l'exploration scientifique verra littéralement les premières étoiles et les premières galaxies émerger du gaz primordial laissé par le Big Bang ... De quoi prouver que l'inflation, la matière noire, l'énergie sombre ne sont pas les "épicycles" qu'imaginent les opposants aux Big Bang et, de là, étouffer enfin la sacrilège opposition à la plus célèbre théorie scientifique... Mais si ces télescopes du futur découvrent que le Big Bang est un leurre, comme le géocentrisme voici près de cinq siècles, c'est un nouveau monde qui s'ouvrira alors aux astronomes, toutes chapelles confondues. Un terrain de jeu infini pour de nouveaux Copernic, Galilée ou Einstein. Un rêve de chercheur, en somme. S.B





ENCART 1

Quand les anti Big Bang prennent la plume :
Signée par 34 scientifiques et ingénieurs, cette "Lettre ouverte à la communauté scientifique" a été publiée le 22 mai 2004 dans le magazine britannique New Scientist. Nous l'avons traduite pour donner une idée des arguments qu'avancent ceux qui s'opposent à la théorie du Big Bang . Depuis sa mise en ligne sur Internet (www.cosmology statement.org),185 scientifiques sont venus ajouter leur nom à la liste.

"Le Big Bang repose aujourd'hui sur un nombre croissant d'entités hypothétiques, des choses qui n'ont jamais été observées, dont l'inflation, la matière sombre et l'énergie sombre sont les exemples les plus frappants. Sans elles, il y aurait une contradiction directe entre les observations des astronomes et les prédictions faites par la théorie du Big Bang . Ce recours continuel à de nouveaux objets hypothétiques pour combler le fossé entre théorie et observation ne serait accepté dans aucun autre champ de la physique. II soulèverait, pour le moins, de sérieuses questions sur la validité de la théorie sous jacente. Mais la théorie du Big Bang ne peut survivre sans ces éléments rapportés. Sans ce champ hypothétique qu'est l'inflation, le Big Bang ne prédit pas un rayonnement de fond cosmologique homogène et isotrope tel qu'il est observé, parce qu'il n'y aurait aucune raison pour que des parties de l'Univers, qui sont aujourd'hui éloignées de plusieurs degrés dans le ciel, soient à la même température et donc émettent la même quantité de rayonnement micro-onde. Sans une certaine matière sombre, différente de tout que nous avons observé sur Terre malgré vingt ans d'expériences, la théorie du Big Bang fait des prédictions contradictoires sur la densité de matière dans l'Univers. L'inflation nécessite une densité 20 fois plus grande que celle qu'implique la nucléosynthèse, soit l'explication théorique de l'origine des éléments légers dans le cadre du Big Bang . Et sans énergie sombre, la théorie prédit que l'Univers n'a que 8 milliards d'années, ce qui est plusieurs milliards d'années plus jeune que beaucoup d'étoiles de notre galaxie.

Qui plus est, la théorie du Big Bang ne peut se vanter d'aucune prédiction quantitative qui aurait été ensuite validée par l'observation. Les succès revendiqués par les défenseurs de la théorie sont dus à sa capacité à s'adapter rétrospectivement aux observations, via un ajout continuel de paramètres ajustables, tout comme la cosmologie géocentrique de Ptolémée nécessitait des couches successives d'épicycles. Pourtant, le Big Bang n'est pas le seul canevas disponible pour comprendre l'histoire de l'Univers. L' "Univers-plasma" et le "modèle stationnaire" font tous deux l'hypothèse d'un univers en évolution, sans début ni fin. Ces modèles, ainsi que d'autres approches alternatives, peuvent aussi expliquer les phénomènes basiques du cosmos, y compris l'abondance des éléments légers, le rayonnement de fond cosmologique, et la façon dont le décalage vers le rouge des galaxies lointaines augmente avec leur distance. Ils ont même prédit de nouveaux phénomènes qui ont ensuite été observés, chose que le Big Bang n'a jamais pu faire. Les défenseurs de la théorie du Big Bang rétorqueront que ces théories n'expliquent pas toutes les observations cosmologiques. Mais ce n'est guère étonnant, vu que leur développement a été sévèrement entravé par un manque total de financement. En effet, de telles questions et alternatives ne peuvent, aujourd'hui encore, être librement débattues et examinées. La plupart des conférences suivent le courant dominant et ne permettent pas un échange d'idées complètement ouvert. Quand Richard Feynman dit que "la science est la culture du doute ", dans la cosmologie actuelle, le doute et la dissidence ne sont pas tolérés, et les jeunes scientifiques apprennent à tenir leur langue s'ils ont quelque chose de négatif à dire à propos du modèle standard du Big Bang . Ceux qui doutent du Big Bang craignent de perdre leur financement en le disant. Même les observations sont désormais interprétées à travers un filtre biaisé, jugées correctes selon qu'elles étayent ou non le Big Bang . Du coup, des données discordantes sur les décalages vers le rouge, les abondances de lithium et d'hélium, et la distribution des galaxies, parmi d'autres éléments, sont ignorées voire ridiculisées. Cela reflète un dogmatisme grandissant qui est étranger à l'esprit de recherche scientifique libre. Aujourd'hui, pratiquement toutes les ressources financières et expérimentales en cosmologie sont allouées aux études sur le bigbang. Les financements proviennent de quelques sources seulement, et tous les comités d'évaluation qui les contrôlent sont dirigés par des défenseurs du Big Bang . En conséquence, la dominance du Big Bang est devenue totale, indépendamment de la validité scientifique de la théorie. Ne donner de caution qu'aux projets qui entrent dans le cadre du Big Bang sape un élément fondamental de la méthode scientifique : la constante mise à l'épreuve de la théorie par l'observation. Une telle restriction rend toute discussion non biaisée ainsi que toute recherche impossible. Pour remédier à cela, nous exhortons les agences qui financent le travail en cosmologie de mettre de côté une part significative de leur financement pour les recherches sur les théories alternatives, et les observations contradictoires au Big Bang . Pour éviter tout biais, le comité d'évaluation qui alloue de tels fonds pourrait être composé d'astronomes et de physiciens extérieurs au champ de la cosmologie. Allouer des financements à des recherches sur la validité du Big Bang , et sur ses alternatives, permettrait au processus scientifique de déterminer notre modèle le plus fiable de l'histoire de l'Univers."


Encart 2

La théorie du Big Bang touche à l'une des questions les plus sensibles qui soient : celle de l'origine. A savoir, le monde est-il né à un moment donné, ou bien existe-t-il depuis toujours ? Historiquement, ce clivage philosophique date de l'Antiquité : selon Aristote, l'Univers était éternel, alors que pour son maître Platon, il fut créé par le Démiurge. Inventée en 1929 par un ecclésiastique belge, Georges Lemaître, l'idée que l'Univers est né du Big Bang s'inscrit dans ce cadre platonicien. Possible métaphore de la création divine, il ne pouvait que déchaîner les passions. Loin de désarmer, les tenants d'Aristote ont développé leur propre modèle d'un Univers éternel, le "modèle stationnaire".

SCIENCE ET VIE Avril 2006

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NOTES DIVERSES

Les 3 piliers observationnels du Big Bang : fond cosmologique, éloignement des étoiles entre elles, nombre d'atomes contenus dans l'univers.

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LE PROBLEME DES STRUCTURES

L'univers est globalement isotrope malgré des éléments structurels variés et divers. Sauf à sa "limite" : le fond cosmologique. Ce serait d'ailleurs lui qui serait à l'origine des structures. On parle en ce "lieu", d'anisotropie. On ne s'explique pas les écarts structurels enregistrés. L'Univers aurait du rester une masse. C'est ce qu'on appelle le "problème de l'horizon".

Problème de la formation des structures.

Si l’observation révèle que l’univers est homogène à grande échelle, elle révèle aussi qu’il présente des inhomogénéités importantes à plus petite échelle (planètes, étoiles, galaxies, etc.). Le fait que l’univers présente des inhomogénéités plus marquées à petite échelle n’est pas évident en soi. L’on sait expliquer comment, dans certaines circonstances, une petite inhomogénéité dans la distribution de matière peut croître jusqu’à former un objet astrophysique significativement plus compact que son environnement : c’est ce que l’on appelle le mécanisme d’instabilité gravitationnelle, ou instabilité de Jeans (du nom de James Jeans). Cependant, pour qu’un tel mécanisme se produise, il faut supposer la présence initiale d’une petite inhomogénéité, et de plus la variété des structures astrophysiques observées indique que la répartition en amplitude et en taille de ces inhomogénéités initiales suivait une loi bien précise, connue sous le nom de spectre de Harrison-Zeldovitch. Les premiers modèles de Big Bang étaient dans l’incapacité d’expliquer la présence de telles fluctuations. On parlait alors du problème de la formation des structures.


Expansion de l'univers : les galaxies restent compactes, mais l'univers s'expanse. CAD que les galaxies s'éloignent les unes des autres.

Parmi les nombreux problèmes rencontrés par la théorie du big-bang, on trouve celui des différences de cohésion formelles observées dans les structures spatiales de l'Univers. Tout en effet devrait – selon la théorie, y être homogène et bien égalisé. Or ce n'est pas le cas.

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Hubert Reeves compare l'univers a un potage avec des lettres. Il en est ressorti des mots : au début : aucune structure, puis le refroidissement aurait créé des forces qui auraient elles-mêmes créé les structures. Croissance de la complexité.

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Un phénomène qui étonne les scientifiques : les galaxies devraient s'éloigner de moins en moins vite, mais c'est le contraire qui se passe. O n ne sait pas pourquoi cet éloignement s'accélère. On parle d'énergie noire pour expliquer cela. Elle constituerait 70% de l'énergie universelle.

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Problème de la vitesse de la lumière face à la transmission instantanée d'informations entre les particules.
Alain Aspect, physicien, montre en 1982, le phénomène d'intrication : deux particules peuvent adopter simultanément un même comportement. Comme si elles communiquaient plus vite que la lumière.

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En avril 2006, Science et Avenir : "Au fur et à mesure que progressent les moyens d'observation de l'Univers, de nouvelles interrogations émergent. Des interrogations suffisamment sérieuses pour venir ébranler l'édifice ? L'avenir le dira. Mais il apparait d'ores et déjà qu'elles sont suffisamment fondées pour rappeler une chose essentielle : le Big Bang reste une hypothèse."