L’Univers à portée de main

Le lecteur décolle. Premier objet rencontré : la Lune, satellite naturel qui tourne à quelque 300 000 kilomètres de la Terre. Ensuite vient le Soleil, à environ 150 millions de kilomètres. Astre largement plus volumineux et massif que notre planète autour duquel celle-ci tourne, il brille de mille feux dans un océan de ténèbres.

Le lecteur poursuit son voyage et constate alors que, comme la Terre, sept autres planètes (Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) tournent autour du Soleil, chacune accompagnée d’une cohorte de satellites. Des astéroïdes, des comètes, des planétoïdes, la plupart regroupés en « ceintures » (ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter, ceinture de Kuiper au-delà de l’orbite de Neptune) complètent ce ballet astral formant système : le Système solaire, dont le nuage d’Oort constitue la frontière. Le lecteur quitte alors la sphère d’influence du Soleil et pénètre dans celle de sa plus proche voisine : Proxima du Centaure, située à quelque 4,2 années-lumière, ce qui signifie que sa lumière voyage pendant 4,2 ans avant d’arriver sur Terre. Cette étoile aussi possède son cortège de planètes, et elle n’est pas la seule, ce que le lecteur constate en continuant son voyage. En effet, le Soleil et Proxima du Centaure ne sont que deux étoiles quelconques parmi les milliards qui constituent la Voie lactée, une galaxie au centre de laquelle se trouve un étrange corps : un trou noir. Un objet si massif qu’il aspire tout, même la lumière.

Depuis la Terre, l’espace au-delà de 13,5 milliards d’années est appelé âge sombre cosmique, et le mur situé à 13,8 milliards surface de dernière diffusion. Ces deux « concepts » ne peuvent se comprendre qu’en précisant que notre lecteur-voyageur ne s’est pas seulement déplacé dans l’espace, mais aussi dans le temps. Nous avons vu que la lumière de Proxima du Centaure met 4,2 années à nous arriver. Autrement dit, quand nous observons Proxima du Centaure, nous la voyons telle qu’elle était il y a 4,2 années.

L’âge sombre cosmique représente donc une portion de l’Univers telle qu’il était il y à 13,5 milliards d’années. Quant à la surface de dernière diffusion, elle correspond à notre Univers à une époque où la lumière ne pouvait pas se déplacer, d’où ce « mur » au-delà duquel nous ne pouvons rien voir.

Pourquoi, dans ce passé si lointain, l’Univers ne contenait pas de galaxies ? Et pourquoi, à une époque encore plus lointaine, la lumière ne pouvait pas se déplacer ? Tout simplement parce que l’Univers n’est pas éternel. Il est né, il a grandi et il mourra. Ainsi, quand, depuis la Terre, nous regardons une zone de l’Univers située à 13,5 milliards d’années-lumière, nous l’observons à une époque où il était si jeune qu’aucune galaxie n’était encore apparue. Quant au « mur » situé à 13,8 milliards d’années, il ne s’explique qu’en admettant un Univers en expansion.

Observer le ciel, c’est donc remonter le temps. Ce rapport qui existe entre l’espace et le temps n’est possible que parce que la vitesse de la lumière n’est pas instantanée. Celui qui va lier ces deux notions, c’est Albert Einstein. Constatant l’échec des lois de la gravitation établies par Newton pour rendre compte du mouvement de certains corps célestes, il élabore une nouvelle théorie, la relativité, dans laquelle la vitesse de la lumière est indépassable. Une telle conception apparaît comme particulièrement contre-intuitive.

En effet, si une voiture se déplace à 100 km/h et qu’elle en croise une autre se déplaçant à la même vitesse, chaque conducteur aura l’impression que l’autre arrive sur lui à 200 km/h. Mais si les voitures roulaient à la vitesse de la lumière, chaque conducteur verrait l’autre arriver… à la vitesse de la lumière, et non au double de celle-ci. Pour que cela soit possible, il faut, soit que le temps se dilate, soit que les distances se contractent. Dans les engins les plus rapides conçus par les hommes par exemple, le temps s’écoule plus lentement à l’intérieur qu’à l’extérieur.

Comment se forme un trou noir ? Pour le savoir, un détour du côté d’un atome d’hydrogène est nécessaire. Cet atome est composé d’un proton (de charge positive) et d’un électron (de charge négative). La force qui les relie s’appelle la force électromagnétique. Le proton est quant à lui composé de trois quarks, reliés par la force dite nucléaire forte.

Une étoile comme le Soleil est un réservoir gigantesque d’hydrogène. La gravité qui y a cours est si forte que les atomes d’hydrogène ont tendance à « tomber » en son centre, puis à fusionner pour former des atomes plus lourds : l’hélium. Mais cette réaction produit une énergie considérable qui s’oppose à la gravité. Une étoile est donc un système en équilibre entre deux forces antagonistes : la gravité qui tend à la faire s’effondrer sur elle-même et la fusion qui s’oppose à cet effondrement.

Dans ce périple à travers l’Univers, trois forces ont été identifiées : la force gravitationnelle, la force électromagnétique et la force nucléaire forte. Il en existe une quatrième : la force nucléaire faible. Cette force apparaît dans les atomes lourds, si lourds qu’ils en deviennent instables. Ils finissent par se casser en dégageant de l’énergie. C’est le phénomène de la fission, à la base de l’énergie nucléaire.

Depuis longtemps les physiciens travaillent à l’unification de ces forces, c’est-à-dire à prouver que ces quatre forces fondamentales proviennent d’une unique force primordiale. S’ils sont en bonne voie pour les forces électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible, la gravité résiste toujours à cette unification. En fait, cette dernière, nous l’avons vu, correspond davantage à une courbure de l’espace-temps qu’à une force. En outre, sa compréhension découle de la théorie de la relativité d’Einstein, concept puissant pour expliquer les phénomènes à l’échelle de l’Univers, mais inadapté pour décrire ce qui se passe dans l’infiniment petit, là où s’exercent les trois autres forces.

Malgré ce bel édifice bâti par les scientifiques, beaucoup de zones d’ombres subsistent, comme la matière noire et l’énergie noire.

Le mouvement constaté des galaxies ne cadre pas avec la quantité de matière observée dans l’Univers. Pour l’expliquer, l’Univers doit être plus lourd. Il semble donc exister une hypothétique matière noire dont la nature échappe complètement aux chercheurs.

Christophe Galfard propose un panorama complet de l’Univers tel qu’aujourd’hui les scientifiques le comprennent. Des notions les plus simples aux théories les plus complexes, des faits les mieux établis aux spéculations les plus incroyables, en passant par les inévitables zones d’ombres qui restent à éclaircir, il emmène le lecteur dans un voyage imaginaire à travers le temps et l’espace, et même au-delà du temps et de l’espace.

Voici un ouvrage dont le titre ne ment pas sur son contenu. L’Univers à portée de main, c’est précisément ce qu’on ressent à la lecture du texte de Christophe Galfard. En interpellant directement le lecteur…

Mieux, en le transformant en protagoniste principal de son récit, il l’invite à un voyage qui mêle efficacement science et imagination. Certes, le voyage n’est pas de tout repos, notamment lorsqu’il s’agit d’aborder les rivages de la relativité et de ses étranges effets sur le temps et l’espace, ou quand il faut arpenter les sentiers de la mécanique quantique et ses manifestations les plus exotiques.

Ouvrage recensé

– Christophe Galfard, L’Univers à portée de main, Paris, J’ai lu, 2016.

Du même auteur

– E= Mc2 : l'équation de tous les possibles, Paris, Flammarion, 2017.

Autres pistes