COLLECTION
FOLIO ESSAIS

Jean-Marc Bonnet-Bidaud

Thomas Lepeltier

Big bang

Histoire critique d’une idée

Gallimard

Jean-Marc Bonnet-Bidaud est astrophysicien au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Il a publié de nombreux articles sur l’histoire de l’Univers et les grands problèmes de la cosmologie moderne, ainsi que des travaux sur les conceptions astronomiques anciennes en Chine et en Afrique.

Docteur en astrophysique, Thomas Lepeltier est chercheur indépendant en histoire et philosophie des sciences ainsi qu’en éthique animale, membre associé du Oxford Centre for Animal Ethics (Royaume-Uni). Sur ces deux thématiques, il a publié une dizaine d’ouvrages.

Avertissement des auteurs

Ce livre propose une histoire critique du modèle du big bang, qui correspond à notre description actuelle de l’évolution de l’univers. Depuis les années 1970, ce modèle cosmologique est largement accepté par la communauté scientifique. Ce succès, jamais démenti depuis lors, pourrait être vu comme un signe de sa robustesse. La plupart des cosmologistes ne considèrent-ils pas, sans le moindre doute, qu’il décrit l’histoire de l’univers, du moins dans ses grandes lignes ? En particulier, ils sont convaincus que l’univers émerge il y a 13,8 milliards d’années. Ce livre aurait donc pu raconter comment ce modèle s’est, depuis plus de quarante ans, affiné et amélioré afin de rendre compte, avec une précision croissante, des observations du ciel. D’une certaine manière, il aurait alors été un peu similaire à ces anciens ouvrages d’histoire qui, après la conquête de nouveaux territoires, racontent comment les explorateurs en ont établi la cartographie précise.

Notre approche est différente. Nous avons cherché à raconter tant les progrès accomplis en cosmologie que les difficultés rencontrées par ce modèle du big bang et à comprendre comment les cosmologistes ont cherché à s’accommoder de ces problèmes. C’est donc une histoire où il est question de découvertes fondamentales mais aussi de prédictions jamais réalisées, de calculs qui clochent et d’observations embarrassantes. Surtout, nous avons choisi de montrer combien l’unanimité de façade des cosmologistes cachait en réalité une montagne de difficultés qui sont la plupart du temps éludées dans la présentation de la cosmologie moderne. Certes, il existe bien des travaux qui soulignent les faiblesses du modèle d’univers actuellement dominant, mais ils sont souvent minimisés et rarement mentionnés dans les publications grand public. Aussi, avec ce livre, le lecteur pourra-t-il pénétrer dans les coulisses de l’activité scientifique et se faire une opinion plus concrète des qualités et des défauts de l’histoire de l’univers telle qu’elle est présentée de nos jours. À l’opposé d’une conquête accomplie sur un territoire bien défini, nous préférons ainsi l’image d’une avancée dans un territoire qui se dérobe au fur et à mesure que des conquistadors y pénètrent. Tout en faisant des découvertes, les voici donc allant de surprise en surprise et obligés de refaire en permanence la carte du territoire qu’ils ont l’impression d’avoir conquis. La question ouverte est bien sûr de savoir s’ils ne sont pas en train de s’illusionner sur l’étendue et la topographie réelle de leur nouveau terrain d’investigation.

Pour qu’il n’y ait pas de malentendu, nous tenons à préciser que nous ne nous opposons pas au modèle du big bang. Nous n’en sommes pas des adversaires et n’avons rien d’autre à proposer. Ce modèle est sans aucun doute une étape importante de notre compréhension de l’univers. Mais c’est dans une visée pédagogique que nous tentons d’en mettre en lumière les points faibles. En quelque sorte, nous choisissons de présenter le « verre de la cosmologie » à moitié vide plutôt qu’à moitié plein. Si nous voyons en effet des coups de génie dans le travail des cosmologistes, nous y décelons aussi des failles, des faiblesses et des limites, qui reflètent d’ailleurs le véritable cheminement de l’activité scientifique, fait d’avancées et d’erreurs. Sur les difficultés du modèle du big bang, nous n’avons pas d’opinion tranchée, mais seulement une intuition que leur accumulation pourrait bien conduire à des révisions fondamentales. Par notre démarche, nous attendons donc avec hâte les découvertes futures, notamment celles résultant de la mise en service du nouveau télescope spatial James Webb, et nous cherchons à préparer les esprits aux possibles bouleversements conceptuels qui pourraient en découler. Saine approche, osons-nous penser, qui permet d’échapper à la simplification des discours dominants.

Prologue

Une crise en demi-teinte

En un siècle, la cosmologie a fait des progrès étonnants. Cette discipline qui étudie l’univers dans son ensemble se distingue de l’astrophysique qui en étudie seulement ses constituants. Au début du XXe siècle, les astrophysiciens ne peuvent pas encore dire si toute la matière de l’univers est contenue dans notre Galaxie ou si elle s’étend au-delà, sous forme d’autres galaxies. Ils ne savent pas si l’univers a une origine dans le temps ou s’il est éternel. Ils se demandent même si cette question relève de la science ou de la métaphysique. Ils n’ont aucune idée de l’origine des éléments chimiques et n’entrevoient aucune relation entre leur proportion relative et la constitution des cieux. Enfin, avec les moyens d’observation de l’époque, ils sont incapables de distinguer clairement des astres situés à plus de quelques millions d’années-lumière. D’ailleurs, la cosmologie, en tant que discipline de recherche à part entière, n’existe pas encore. Ceux qui s’y adonnent à l’occasion sont quelques rares mathématiciens ou physiciens versés dans les questions spéculatives. De cosmologistes, professionnels, il n’y a point. On pourrait donc presque dire que, à cette époque, la cosmologie n’existe pas. D’ailleurs, le discours sur l’univers est alors vague et imprécis.

Les succès de la cosmologie

Puis, petit à petit, les cieux se sont éclaircis. Dans les années 1920, les astronomes comprennent que notre Galaxie n’en est qu’une parmi une multitude d’autres. Au début des années 1930, ils se persuadent que l’univers est en expansion, c’est-à-dire que les distances entre les galaxies augmentent. Dans les années 1950, ils établissent que la quasi-totalité des éléments chimiques se sont formés dans les étoiles. Puis, au cours des années 1960, ils se convainquent que les plus légers de ces éléments n’ont pu s’assembler que lors d’une période initiale où l’univers était très chaud et très dense. Ce résultat fait perdre beaucoup de crédit à l’idée, encore présente à l’époque, d’un univers éternel. À la place, c’est l’idée que notre univers est né d’un big bang qui s’impose à presque toute la communauté scientifique. Dans les années 1970, elle devient presque une vérité établie. Le terme « big bang » désigne alors cette phase chaude et dense initiale d’où est issue l’expansion de l’univers qui s’ensuit. Par abus de langage ou simplification, le terme peut aussi recouvrir la notion de « naissance » de l’univers. Enfin, le même terme est également employé pour décrire l’ensemble de l’évolution de l’univers qui découle de la phase initiale chaude. On parle ainsi de l’univers du big bang.

La durée écoulée depuis ce big bang, très souvent considéré comme la naissance de l’univers, n’est pas estimée avec précision. Les astronomes la situent alors entre 10 et 20 milliards d’années. Au moins, tout le monde, ou presque, est d’accord sur le fait que notre univers est né d’une phase très chaude et très dense datant d’il y a quelques milliards d’années. Cette imprécision va, de toute façon, s’atténuer au cours des décennies suivantes. Dans les années 1990, l’âge de l’univers est fixé à environ 15 milliards d’années. Au début des années 2000, il est établi avec une précision accrue à 13,8 milliards d’années.

La cosmologie semble entrée dans l’ère de l’exactitude, comme l’indique d’ailleurs l’utilisation récurrente de l’expression « cosmologie de précision » à partir de cette époque. Fini donc le temps où elle était assimilée à de la métaphysique. Plus question non plus de s’interroger sur sa scientificité. Il y a désormais, au sein des facultés ou universités de sciences, des départements de cosmologie. Elle est manifestement devenue une discipline scientifique comme les autres. Quant aux cosmologistes, ils peuvent raconter avec assurance l’histoire passée de l’univers presque dans ses moindres détails et même laisser entrevoir son futur.

Les ombres de la cosmologie

Pourtant, dans ce récit épique des progrès fulgurants de la cosmologie, il y a des ombres au tableau. D’abord, l’univers est-il vraiment en expansion ? C’est très probable, du moins pour ce qui concerne l’univers observable. Il n’en reste pas moins que l’expansion de l’univers visible n’est qu’une interprétation de certaines données d’observations. Elle est très convaincante, mais elle a quand même été contestée par d’éminents chercheurs. Il paraît sage de ne pas oublier ces velléités sceptiques. Plus fondamentalement, le modèle du big bang explique-t-il la constitution matérielle des cieux ? Il était bien parti pour réaliser cet exploit. Mais pour rester cohérent, dès les années 1970, il a fallu postuler l’existence d’une matière d’une nature autre que la matière ordinaire, appelée « matière noire », jamais observée directement. Ce n’est pas un ajout secondaire que l’on peut facilement négliger. En masse, il y aurait cinq fois plus de cette énigmatique matière que de matière normale, celle qui constitue les fleurs, les pierres, les étoiles ! Or, près de cinquante ans après avoir été postulée, elle reste introuvable.

Ensuite, l’idée que l’univers est né d’un big bang s’est avérée un peu trop simple. Dès les années 1980, pour expliquer les propriétés globales de l’univers observable, les cosmologistes se sont sentis obligés d’introduire une théorie, dite de l’inflation, qui décrit une phase très courte d’expansion faramineuse au tout début de l’univers. Le problème est que cette théorie de l’inflation repose sur la présence d’un champ physique (comme l’est un champ électromagnétique) dont on n’a jamais pu jusqu’ici garantir l’existence. Puis, c’est l’idée même d’expansion qui a dû aussi être revue de fond en comble. Dès le début du modèle du big bang et jusqu’à la fin des années 1990, tous les partisans de ce modèle étaient convaincus qu’elle devait ralentir avec le temps : plus l’univers était vieux, moins l’expansion était rapide. Pourtant, en 1998, la mesure de l’expansion grâce à de très lumineuses explosions d’étoiles, les supernovae, visibles jusqu’à de très grandes distances, suggéra qu’il n’en était rien : l’expansion accélérerait au lieu de ralentir ! Quelle pouvait être l’énergie à même de relancer ainsi la machine cosmique ? Le mystère était entier et il le demeure aujourd’hui. Pour le résoudre, l’existence d’une « énergie noire » hypothétique, capable d’accélérer cette expansion, a dû être postulée. Matière noire et énergie noire ne sont pas les seuls écueils que rencontre le modèle du big bang ; mais ils sont probablement les plus importants. Toute la question est de savoir s’ils sont les symptômes d’une crise grave de la cosmologie.

La question de la crise

Il y a une crise en science quand un conflit entre un corpus théorique et des données observationnelles ne peut être supprimé qu’en modifiant de façon importante ce corpus. Mais déterminer l’existence d’une crise n’est jamais aisé. Toutes les anomalies ne conduisent pas à des crises. Certaines disparaissent grâce à des observations plus précises ; d’autres sont éliminées grâce à de petits ajustements théoriques qui n’entraînent aucun changement important dans la conception du phénomène observé. Dans ces situations, l’anomalie n’est donc le symptôme d’aucune crise. On peut ainsi toujours avoir l’espoir que les anomalies seront résolues dans l’avenir sans changement de cadre théorique. Aussi est-il difficile de savoir si les difficultés rencontrées par une théorie sont annonciatrices d’un bouleversement conceptuel, d’autant plus que, dans un premier temps, face à des anomalies, des chercheurs peuvent manifester un attachement à la théorie bousculée, avant qu’une autre ne s’avère plus pertinente.

Ainsi, ce n’est souvent qu’après l’apparition du nouveau corpus théorique que l’on comprend qu’une anomalie relevait d’une crise. Par exemple, au XIXe siècle, en s’appuyant sur la théorie de la gravitation de Newton, l’astronome Urbain Le Verrier calcula le déplacement dans l’espace de l’orbite de la planète Mercure, en particulier la précession du périhélie de la planète, c’est-à-dire le déplacement régulier du point de l’orbite de la planète qui est le plus proche du Soleil. Bien qu’ayant pris en compte l’effet de toutes les autres planètes, il trouva un léger écart par rapport aux observations. Or, en 1846, ce même Le Verrier avait découvert des anomalies dans l’orbite d’Uranus qui l’avaient conduit à prédire l’existence de la planète Neptune qui avait été ainsi découverte. S’inspirant de ce succès qui l’avait rendu célèbre, Le Verrier proposa là encore qu’une planète inconnue, baptisée Vulcain, cette fois-ci proche de l’orbite de Mercure, permettrait d’expliquer cette nouvelle anomalie. Confiants dans la valeur de cette prédiction, les astronomes pointèrent donc leurs télescopes vers le ciel pour découvrir Vulcain. Pendant deux décennies, des astronomes eurent l’impression de l’observer, même si les comptes rendus de ces observations n’étaient pas toujours jugés convaincants. Pour beaucoup à l’époque, l’existence de cette planète ne faisait néanmoins pas de doute.

La situation changea finalement, trente ans plus tard, à partir de juillet 1878, lors d’une éclipse censée être propice à l’observation de Vulcain. L’hypothétique planète ne s’étant pas laissé découvrir, cette fois-ci le doute sur son existence s’installa chez les astronomes. Toutefois, cet échec ne les conduisit pas à remettre en cause la théorie de Newton. Pendant plusieurs décennies encore, ils essayèrent de la sauver, par exemple, en imaginant que le Soleil est aplati aux pôles ou en « triturant » légèrement la formule mathématique de la gravitation universelle, sans changer l’essentiel de la théorie. En vain. Aucune solution ne s’avéra satisfaisante. Il fallut attendre 1915 pour qu’Albert Einstein fasse finalement disparaître l’anomalie de l’orbite de Mercure avec sa nouvelle théorie de la gravitation et, du même coup, fasse définitivement oublier Vulcain. L’anomalie du périhélie de Mercure n’était finalement jamais apparue comme une crise, juste un problème à résoudre1. Pourtant, elle était porteuse d’un grand bouleversement de la physique. Reste à savoir combien de problèmes sont, de nos jours, des symptômes cachés de crises à venir…

Demain, les anomalies du modèle du big bang seront peut-être résolues sans modification importante de ce modèle ou des théories physiques qui le sous-tendent. Rétrospectivement, on comprendra qu’elles n’étaient annonciatrices d’aucune crise. Il se peut aussi que les cosmologistes n’arrivent pas à les résoudre ni dans le cadre de ce modèle, ni dans le cadre d’un autre modèle. Dans ce cas, la cosmologie se retrouverait dans une impasse théorique. Mais il sera toujours possible d’éluder la question de la crise en pariant sur une résolution future des anomalies dans le cadre du modèle du big bang. Pour que les anomalies actuelles soient vraiment perçues comme annonciatrices d’une crise, il faut qu’elles commencent à être résolues dans le cadre d’un autre modèle cosmologique qui finira par remplacer le modèle du big bang. À quoi pourrait ressembler ce nouveau modèle cosmologique ? À ce jour, impossible à dire. Mais rien ne nous interdit de méditer sur la nature de ces anomalies qui, éventuellement, l’annoncent. C’est cette réflexion que nous voulons entreprendre ici, en cette période particulièrement excitante où se trouve aujourd’hui la cosmologie moderne, faite d’espoirs et d’incertitudes. Mais, pour en apprécier l’enjeu, il est nécessaire de revenir sur la mise en place progressive du modèle du big bang.

Chapitre premier

La préhistoire du big bang
(1915-1965)

Nous sommes le 28 mars 1949. Fred Hoyle, astrophysicien anglais en poste à l’université de Cambridge (Royaume-Uni), est interrogé au sujet des différents modèles d’univers à la radio britannique, la BBC. Après y avoir décrit un nouveau modèle cosmologique dont il est l’un des artisans, où l’univers n’a pas d’origine dans le temps, Hoyle compare ce modèle d’univers éternel avec un autre modèle basé sur « l’hypothèse que toute la matière de l’univers fut créée dans un “big bang” à un moment donné dans un lointain passé1 ». C’est la première fois que l’expression « big bang » est utilisée pour décrire à cette époque l’hypothèse d’un univers ayant une origine dans le temps. Il n’existe pas d’enregistrement sonore conservé de cette émission, mais une retranscription écrite en a été réalisée2. Deux semaines plus tard, ces propos sont d’ailleurs reproduits dans le magazine de la BBC, très lu à l’époque, The Listener.

Fred Hoyle y aborde notamment les difficultés qu’affrontaient à l’époque les différentes théories, opposées à son modèle d’univers éternel, qui cherchaient à trouver une origine à l’expansion de l’univers :

Nous en arrivons à la question de l’application des tests d’observation aux théories antérieures. Ces théories reposaient sur l’hypothèse selon laquelle toute la matière dans l’univers a été créée dans un big bang à un moment particulier dans le passé lointain. Il s’avère que, d’une manière ou d’une autre, toutes ces théories sont en conflit avec les contraintes des observations. Et à un degré difficile à ignorer.

Pour expliquer cette difficulté, Hoyle recourt alors à une métaphore montagnarde :

Les enquêteurs de ce problème ressemblent à un groupe d’alpinistes qui tentent d’escalader un sommet jamais gravi. Auparavant, il avait semblé que la principale difficulté était de décider entre différents itinéraires, chacun offrant des voies d’ascension prometteuses. Mais aujourd’hui, nous constatons que chacune de ces routes conduit à ce qui semble des précipices désespérés. Une nouvelle voie doit être trouvée. La nouvelle voie dont je vais discuter implique l’hypothèse selon laquelle la matière est créée en continu3.

Hoyle utilisera à nouveau trois fois le terme « big bang » quelques minutes plus tard en l’opposant à sa propre hypothèse de création continue de matière dans l’univers :

On a soutenu que la création continue introduit une hypothèse supplémentaire dans la discussion […]. Mais, je ne suis pas d’accord qu’il s’agit d’une hypothèse supplémentaire. La création continue, dans le sens où je l’ai décrite, est certainement une nouvelle hypothèse. Mais elle remplace une hypothèse qui est totalement cachée dans les théories anciennes, car elles supposent, comme je l’ai déjà dit, que l’ensemble de la matière dans l’univers a été créé dans un big bang à un moment particulier dans le passé lointain.

Après ce rappel historique, Hoyle livre son analyse sur ces deux hypothèses :

Sur le plan scientifique, cette hypothèse de big bang est de loin la moins appétissante des deux. Car c’est un processus irrationnel qui ne peut être décrit en termes scientifiques. La création continue, au contraire, peut être représentée par des équations mathématiques précises dont les conséquences peuvent être comparées à l’observation. Sur le plan philosophique non plus, je ne vois pas de bonnes raisons de préférer l’idée de big bang. En effet, elle me semble être, en termes philosophiques, une notion singulièrement insatisfaisante, puisqu’elle met l’hypothèse de départ hors de portée, là où elle ne pourra jamais être contestée par un recours direct à l’observation.

Ce sont là in extenso les premières citations de ce terme scientifique de « big bang » qui deviendra un peu plus tard une des notions les plus populaires de la science moderne.

Au début de l’année 1950, Hoyle donne à nouveau une série d’émissions sur la BBC ayant pour titre « La nature de l’univers » (The Nature of The Universe). Ses propos sont reproduits une nouvelle fois dans The Listener. Puis, quelques mois plus tard, ils apparaissent sous forme d’un livre, ayant le même titre et qui va connaître un grand succès. Là encore, Hoyle utilise l’expression « big bang » pour décrire les modèles d’univers avec origine dans le temps. Mais l’expression n’aura pas un succès immédiat. Contrairement à ce qui a souvent été dit et répété par la suite, elle n’a, dans la bouche de Fred Hoyle, puis sous sa plume, rien de péjoratif. Hoyle critique certes l’idée d’univers ayant une origine dans le temps, mais l’expression qu’il invente a pour unique finalité de donner aux auditeurs, qui ne sont bien sûr pas des spécialistes du domaine, une image évocatrice de ce genre de modèle. L’intention de Hoyle, en utilisant cette expression, n’est donc pas de ridiculiser ce modèle, même s’il est quand même clair qu’il critique ce dernier, en particulier parce qu’il trouve irrationnel de concevoir un modèle de « création » de l’univers à travers un « big bang » qui ne peut, à ses yeux, être abordé scientifiquement. Si cette expression avait eu une connotation péjorative volontaire, il serait d’ailleurs difficile de comprendre pourquoi Hoyle ne l’utilise pas une seule autre fois entre 1950 et 1965, alors même qu’il écrit beaucoup pour critiquer les modèles d’univers avec origine dans le temps.

Contrairement à ce que l’on entend également souvent, cette expression n’a pas d’impact immédiat. Elle est notamment peu reprise par les astronomes et physiciens. Ce n’est qu’au milieu des années 1960 qu’elle devient, tant auprès des spécialistes que du grand public, l’expression usuelle pour désigner les modèles d’univers ayant une origine dans le temps ou passant par une phase très dense et très chaude. Jusqu’à cette époque, les connaisseurs se partageaient entre ceux qui doutaient de la scientificité de la cosmologie, ceux qui hésitaient entre un modèle avec origine dans le temps ou un modèle sans origine, et ceux qui avaient une préférence nette pour l’un ou l’autre type de modèle. L’expression « big bang », inventée près de quinze années plus tôt, s’impose finalement en même temps que le modèle qu’elle désigne4. Depuis le début des années 1970, ce modèle d’univers est de fait accepté par la quasi-totalité des astrophysiciens. C’est l’histoire de cette consécration dont il sera question dans ce chapitre.

Premières ébauches cosmologiques

La cosmologie au XIXe siècle

Au XIXe siècle, les astronomes ne pratiquent pas vraiment la cosmologie, c’est-à-dire qu’ils s’intéressent peu à l’univers pris comme un tout. Leur regard se porte essentiellement sur le Système solaire, les étoiles, la Voie lactée. Cette dernière est visible comme une bande laiteuse qui traverse le ciel. Dès l’usage des premières lunettes modernes, cette zone du ciel révèle qu’elle est en réalité composée de milliers d’étoiles qui constituent un vaste disque vu par la tranche. Ce disque d’étoiles constitue notre « galaxie », du grec galaktos qui signifie « laiteux ». En dehors de la Voie lactée, les astronomes découvrent aussi des nébuleuses, sorte de nuages lumineux. Ces objets sont-ils situés à l’extérieur ou à l’intérieur de notre Galaxie ? À l’époque, la thèse dominante est qu’ils se situent à l’intérieur. L’affaire semble suffisamment réglée pour que, à la fin du XIXe siècle, l’astronome anglaise Agnes Clerke déclare de façon péremptoire qu’aucun « penseur compétent […] ne peut de nos jours […] soutenir qu’une seule nébuleuse est un système d’étoiles équivalent à la Voie lactée5 ». Pour beaucoup d’astronomes, l’univers matériel se résume donc à notre seule Galaxie, la Voie lactée. Cette galaxie n’est toutefois pas le tout de l’univers puisqu’elle est supposée être plongée au sein d’un espace infini. Mais la nature exacte de cet espace est laissée à la spéculation. Aussi, pour la grande majorité des astronomes, la réflexion sur l’univers pris comme un tout relève-t-elle plus de la philosophie que de l’activité scientifique.

Malgré ce contexte, l’idée que l’univers a une origine dans le temps apparaît. D’où vient-elle ? Si on laisse de côté les mythes anciens qui ont élaboré certains récits de la création du monde, les premières conceptions relevant de la physique moderne datent du milieu du XIXe siècle. Par exemple, en 1858, l’astronome allemand Johann von Mädler cherche à expliquer le fameux paradoxe d’Olbers du « ciel noir » : l’apparente contradiction d’un ciel majoritairement noir alors que, dans un univers infini, uniformément peuplé d’étoiles, la brillance cumulée de tous ces astres devrait rendre la voûte céleste lumineuse. Selon lui, ce paradoxe pourrait être résolu en supposant que « le monde est créé et n’est donc pas éternel6 ». Son argument est que, si les étoiles n’ont existé que pendant une période limitée, la lumière de celles qui sont très lointaines n’a pas encore atteint la Terre. Ce qui expliquerait que, la nuit, le ciel soit noir.

Une autre conception d’un commencement de l’univers émerge également avec le développement de la thermodynamique, c’est-à-dire la science des processus et échanges thermiques qui est basée sur trois grands principes. En 1850 précisément, le deuxième de ces principes de la thermodynamique est défini pour la première fois. Il explicite la tendance naturelle de la température à s’égaliser. Par exemple, un verre d’eau froide placé au milieu d’une pièce va finir par avoir la même température que l’air ambiant. En 1865, ce principe est reformulé en utilisant le concept d’entropie, qui caractérise le degré de désordre d’un système. Ce deuxième principe stipule ainsi que l’entropie d’un système isolé ne peut qu’augmenter avec le temps jusqu’à atteindre une valeur maximale où le système reste en équilibre. C’est une traduction précise de la constatation simple que tout système physique laissé à lui-même tend à se désorganiser jusqu’à atteindre un niveau de désorganisation maximale. Ainsi, un morceau de glace dans un verre d’eau tend à fondre jusqu’à ne plus se distinguer du reste de l’eau.

Une fois ce principe formulé, il est tentant de l’appliquer à l’univers7. Si on considère ce dernier comme un système isolé, il faut en conclure que son entropie ne peut que croître. Et donc, s’il avait un passé infini, il aurait déjà atteint son état d’entropie maximale et serait devenu inerte. Comme ce n’est manifestement pas le cas, il faut en conclure que l’univers a un âge fini. En suivant ce petit raisonnement, certains physiciens en arrivent à supposer que l’univers est apparu, ou a été créé, à un moment donné. C’est ainsi que naît, dès le XIXe siècle dans le cadre d’une théorie physique, l’idée que l’univers a un âge fini. Par exemple, James Clerk Maxwell, le « père » de l’électromagnétisme, écrit en 1870 en faisant explicitement référence au deuxième principe de la thermodynamique, que, si nous retraçons l’histoire de l’univers en remontant dans le temps,

[n]ous arrivons à la conception d’un état de choses qui ne peut pas être conçu comme le résultat d’un état antérieur, et nous constatons que cette situation critique a réellement existé à une époque qui ne remonte pas dans les profondeurs de l’éternité passée, mais est séparée du temps présent par un intervalle fini. Cette idée de commencement [de l’univers] est une idée que les recherches physiques de l’époque récente [en thermodynamique] nous ont apportée, plus qu’aucun observateur de l’évolution de la pensée scientifique ne pouvait l’espérer8.

Mais cette idée de commencement reste discutable. Peut-on réellement considérer l’univers comme un système isolé ? Isolé de quoi ? Certains, considérant que le deuxième principe ne s’applique pas à l’univers pris comme une totalité, en concluent que la physique n’a rien à dire sur un éventuel âge de l’univers. Ont-ils raison ? Difficile à dire. Personne n’arrive à formuler d’argument convaincant pour savoir si la thermodynamique s’applique ou non à l’univers. Dans tous les cas, l’idée reste vague et elle est peu reprise. Impossible de dater l’origine de l’univers, par exemple, ou d’appréhender son évolution. Il n’y a donc pas encore de cosmologie, c’est-à-dire d’étude de l’univers dans sa globalité, et encore moins de cosmogonie moderne, c’est-à-dire d’étude de la naissance de l’univers.

Néanmoins, le développement d’une nouvelle géométrie, dite « non euclidienne » (où, par exemple, deux droites parallèles peuvent se couper), allait inciter certains chercheurs à repenser l’univers dans sa totalité, en fonction de sa géométrie. Dans les années 1870, en supposant que la quantité de matière est finie, l’astrophysicien Karl Friedrich Zöllner fait ainsi remarquer que si l’univers est infini, la matière devrait s’éparpiller petit à petit et la densité tendre vers zéro. Comme ce n’est manifestement pas encore le cas, Zöllner en conclut que soit l’espace est fini, soit l’univers a une durée d’existence finie. Cette dernière conclusion n’ayant pas sa faveur, il en vient à suggérer que l’univers est fini, c’est-à-dire fermé sur lui-même comme permet de le penser la géométrie sphérique (non euclidienne). Cette conception passe toutefois relativement inaperçue dans les milieux scientifiques de l’époque qui continuent à penser que le concept d’univers représente un espace vaguement immuable dans lequel sont plongés les astres9.

Les débuts de la cosmologie relativiste

La situation va globalement rester en l’état jusqu’au début du XXe siècle. Le changement est amorcé par Albert Einstein qui, en 1915, élabore la théorie de la relativité générale. Cette théorie, pour faire simple, revient à donner une interprétation géométrique de la gravitation. Elle introduit une interaction entre le contenu et le contenant, ou entre la matière et l’espace-temps qui la contient. Cet espace-temps, où le temps n’est pas indépendant de l’espace, n’est plus inerte et rigide, mais réagit à la présence de matière en se courbant à la manière d’une toile élastique sur laquelle on dépose une lourde bille. La théorie prédit ainsi que, localement, l’espace se courbe en présence d’objets massifs. En 1917, Einstein décide d’appliquer cette idée au cosmos pris comme un tout. Les équations de la nouvelle gravitation étant d’une extrême complexité, pour les résoudre, il est obligé de faire des hypothèses très simplificatrices. Il doit supposer par exemple que l’univers est homogène et isotrope, c’est-à-dire qu’il apparaît identique en tout point et dans toutes les directions. La pertinence de cette hypothèse, qui sera appelée « principe cosmologique » par la suite, est difficile à évaluer dans les années 1920. L’univers n’est manifestement pas homogène et isotrope, au sens où il n’est pas partout pareil. Mais on peut supposer qu’en prenant un volume d’univers suffisamment grand, il pourrait « en moyenne » être considéré comme tel. La question est de savoir si cette hypothèse peut être prise comme une bonne approximation de l’univers quand on veut l’étudier dans sa globalité. En tout cas, elle permet à Einstein de résoudre les équations auxquelles il arrive. C’est la raison pour laquelle il se sent contraint de l’adopter10.

Avec ses équations et cette hypothèse, Einstein aboutit à une solution qui le rend perplexe : l’univers n’est pas en équilibre car la structure de l’espace évolue avec le temps ; plus exactement, son univers a tendance à s’effondrer sur lui-même sous l’effet de sa propre gravité. Phénomène qui n’est suggéré ni par les données astronomiques de l’époque ni par les considérations thermodynamiques du XIXe siècle. Pour remédier à ce résultat qui pose problème, Einstein ajoute à ses solutions un paramètre supplémentaire, une constante arbitraire, désignée par la lettre grecque Λ (Lambda), représentant une propriété d’expansion de l’espace-temps qui a pour effet de contrebalancer l’action de la gravité. Sa valeur doit bien sûr être très faible pour n’avoir d’incidence qu’au niveau cosmologique et pas planétaire, par exemple. Elle sera appelée par la suite « constante cosmologique ». Voici donc Einstein en possession d’une description mathématique d’un univers statique et fini.

Ce n’est toutefois pas la seule solution possible de ses équations. En découvrant ce modèle cosmologique d’Einstein, le physicien néerlandais Willem de Sitter les reprend et montre, dès 1917, que l’on peut obtenir un autre modèle d’univers statique et fermé11. Deux différences avec celui d’Einstein sont à signaler. D’abord, dans le modèle de de Sitter, l’univers est vide de matière. Bien sûr, de Sitter ne considère pas que cela corresponde à la situation réelle, mais il avance que cette hypothèse est une bonne approximation d’un univers où la densité de matière est très faible. Ensuite, son modèle permet d’expliquer un apparent mouvement d’éloignement de certaines nébuleuses qui vient juste d’être observé par l’astronome Vesto Slipher12. En 1917, de Sitter, qui est au courant de ces résultats, montre que, selon lui, il s’agit simplement d’un effet dû à la structure de l’espace-temps, ne traduisant aucun déplacement réel des sources lumineuses. Son modèle décrit donc, à ses yeux, un univers statique. Ce lien avec des données observationnelles est, pour de Sitter, une des forces de son modèle comparé à celui d’Einstein13.

Le premier big bang

À la fin des années 1910, le concept d’univers ne représente donc plus seulement l’ensemble de ce qui se situe dans les limites des observations astronomiques. Il désigne maintenant l’ensemble des événements se déroulant dans l’espace-temps. Mais cet univers n’est toujours pas pensé comme un objet ayant une histoire et une origine dans le temps. Il est encore vu comme globalement immuable. Or cette situation aurait pu basculer déjà à cette époque, à la suite des calculs du physicien Alexandre Friedmann dans la toute jeune Union soviétique. C’est en effet là que, pour la première fois, la possibilité d’un univers en expansion est clairement démontrée comme une conséquence de la relativité générale. Mais ce travail novateur n’aura alors pas d’écho, en raison de circonstances historiques particulières.

Les modèles d’univers de Friedmann

Alexandre Friedmann, à l’origine géophysicien et météorologue, commence à s’intéresser à la cosmologie en 1920. Mais sa contribution à cette discipline sera de courte durée. En 1925, deux mois après avoir participé à un vol en ballon pour étudier la haute atmosphère jusqu’à 7 000 mètres d’altitude, il meurt de maladie, probablement du typhus, à l’âge de trente-sept ans. En tout cas, avec son article intitulé « Sur la courbure de l’espace », publié en 1922, il a eu le temps d’opérer une rupture fondamentale avec les conceptions classiques de l’univers. Comme Einstein et de Sitter avant lui, il fait l’hypothèse que l’univers est homogène et isotrope, mais il est le premier à montrer très clairement que, si les équations d’Einstein comportent bien les solutions envisagées par ces deux chercheurs, d’autres solutions très différentes sont également envisageables. Il explicite sa démarche dans l’introduction de son article de la façon suivante :

Dans leurs travaux bien connus sur les questions cosmologiques générales, Einstein et de Sitter arrivent à deux types possibles d’univers […]. Le but de cet article est d’obtenir, d’une part, [ces] univers […] (en tant que cas particuliers) à partir de certaines hypothèses générales et, d’autre part, la démonstration de la possibilité d’un univers dont la courbure est constante par rapport aux trois coordonnées spatiales, mais variable pour la quatrième — la coordonnée de temps14.

De cette formulation un peu technique, il faut traduire que Friedmann découvre un univers à courbure variable au cours du temps, ce qui signifie un univers dynamique dont le volume varie avec le temps, soit en expansion soit en contraction.

Selon Friedmann, la courbure de l’univers n’est donc pas nécessairement constante. Il existe ainsi des solutions dynamiques des équations d’Einstein, où le rayon de courbure de l’univers et les caractéristiques de celui-ci varient avec le temps. Ces solutions correspondent à des univers en expansion ou en contraction, éventuellement de manière cyclique. Tout en étant conscient de l’aspect « théorique » de sa démarche et de ses limites, il conclut néanmoins son article par une remarque détonante pour l’époque :

Notre connaissance est complètement insuffisante pour effectuer des calculs numériques et pour décider à quel monde correspond notre univers. […] Il est à remarquer que la constante cosmologique (Λ) reste indéterminée dans nos formules, puisqu’il s’agit d’une constante supplémentaire […]. Si nous fixons Λ = 0 et M = 5 x 10²¹masses solaires [la masse totale de l’univers], alors la période de l’univers [cyclique] devient de l’ordre de 10 milliards d’années15.

Friedmann arrive même à la conclusion que, selon certains modèles, l’univers aurait pu être concentré dans le passé dans un volume infiniment petit avec une densité d’énergie infiniment grande, ce que les physiciens nomment une « singularité ». Selon lui, la durée écoulée depuis ce moment correspondrait tout simplement, selon sa formule, au « temps depuis la création du monde16 ». C’est la première fois qu’une notion s’apparentant à un âge de l’univers est introduite à partir des équations d’Einstein et, de plus, évaluée à environ 10 milliards d’années, proche de son estimation actuelle. Mais Friedmann ne peut encore indiquer lequel de ses modèles dynamiques pourrait correspondre à l’univers réel. Il reconnaît tout simplement que nous n’avons pas les moyens de « décider à quel monde correspond notre univers17 ». Ses modèles d’univers dynamiques restent donc, à ses yeux, de simples modèles mathématiques. Malheureusement pour lui, en 1922, Friedmann est totalement isolé dans la jeune Union soviétique, alors en proie à la guerre civile qui a suivi la révolution d’octobre 1917. Prenant conscience de l’impact de sa découverte et de la façon dont elle remet en cause les conclusions précédentes d’Einstein, il lui fait parvenir une lettre l’informant de ces résultats. Mais Einstein reçoit très fraîchement ces conclusions d’un illustre inconnu qui remet en cause ses propres conclusions.

En lisant l’article de Friedmann pour la première fois, Einstein pense même y trouver une erreur et prétend qu’il démontre en réalité le caractère statique des modèles d’univers. Il publie ainsi une courte note où il déclare avec une très brève démonstration :

Les résultats obtenus dans l’article cité concernant un univers non stationnaire me semblaient suspects. […] La signification de cet article réside donc précisément dans le fait qu’il prouve la constance (du rayon de l’univers)18.

Après avoir lu la remarque d’Einstein, Friedmann refait tous ses calculs et écrit à nouveau à son contradicteur pour lui expliquer que ses travaux ne contiennent aucune inexactitude. Einstein reconnaît alors son erreur, sous la pression notamment de scientifiques de son entourage, et se rétracte en publiant le petit texte suivant :

Dans une note antérieure […], j’ai émis des critiques sur le document mentionné […]. Mon objection, cependant, était basée sur une erreur de calcul — comme j’en ai été persuadé, à la suggestion de M. Krutkoff, guidé par une lettre de M. Friedmann. Je considère que les résultats de M. Friedmann sont corrects et éclairants. Il est démontré que les équations du champ permettent, en plus de la solution statique, des solutions dynamiques19.

Einstein semble ainsi reconnaître que l’univers puisse être en expansion. Mais bien à contrecœur, car, dans la réponse manuscrite originale qu’il a écrite, il avait ajouté que les solutions dynamiques n’ont aucune signification physique. Cette remarque sera toutefois rayée par lui et ne sera finalement pas publiée20. De toute façon, à l’époque, malgré la grande originalité des travaux de Friedmann et leur caractère totalement précurseur, personne ne perçoit encore leur intérêt et ils n’ont, par conséquent, pas d’influence notable sur l’évolution immédiate de la cosmologie.

De la Voie lactée à l’univers

Après les années 1920, la cosmologie change tout de même brutalement de visage et de continent. De science théorique, elle devient science d’observation et, d’européenne, elle devient étasunienne. Les grands moyens d’observation vont en effet changer de rives de l’Atlantique. Alors que l’Europe, affaiblie par la Première Guerre mondiale, peine à améliorer ses anciennes lunettes astronomiques, les États-Unis lancent, le plus souvent grâce à des financements privés, la construction de grands télescopes à miroir et conquérir ainsi, pour de nombreuses années, la prééminence mondiale dans l’observation astronomique. La Californie va même devenir un nouvel Eldorado, cette fois-ci non pas pour les chercheurs d’or mais pour les explorateurs du ciel.

Dès le début du siècle, les États-Unis avaient déjà pris leurs marques en créant, près de Los Angeles, l’observatoire du mont Wilson. D’abord grâce à l’Institution Carnegie, une fondation philanthropique, puis aux largesses de John Hooker, un industriel ayant fait fortune dans les pipelines, un télescope de 1,5 mètre de diamètre avait été mis en service dès le 8 décembre 1908. Mais c’est surtout le 2 novembre 1917 avec la mise en service du télescope Hooker de 2,5 mètres de diamètre que le mont Wilson devient le haut lieu de l’observation cosmologique. Dans les deux cas, la seule contribution européenne aura été la fourniture des imposants miroirs de verre de plusieurs tonnes, façonnés par la société française Saint-Gobain. Ces deux instruments dépassent désormais de loin les possibilités des instruments européens, dont les plus grandes lunettes à lentilles n’excèdent pas la taille du mètre et dont, même par la suite, les télescopes à miroir seront toujours de dimensions inférieures à ceux disponibles aux États-Unis.

Dans les années 1920, l’observatoire du mont Wilson est ainsi le premier véritable outil d’exploration de l’univers. Ses grands miroirs permettent non seulement de capter la faible lumière d’objets jamais observés jusque-là, mais la qualité de leurs images rend possible de distinguer aussi de plus fins détails sur les photographies du ciel. En particulier, ils clarifient la nature de ces nébuleuses que, jusqu’en 1920, les instruments de petite taille montrent comme de simples nuages. Certaines d’entre elles sont manifestement des nuages de gaz illuminés par les étoiles brillantes de notre galaxie, la Voie lactée, mais d’autres paraissent plus isolées dans le ciel. Font-elles réellement partie de notre Voie lactée ou lui sont-elles extérieures ? Certains astronomes soutiennent la théorie des « univers îles » selon laquelle ces nébuleuses sont des structures similaires, en taille et en forme, à notre Galaxie et se situent donc à l’extérieur. Mais, pour d’autres, elles ne seraient que des petites structures situées à l’intérieur de notre Galaxie qui, par conséquent, constituerait à elle seule l’ensemble de l’univers matériel. Cette question, qui fait encore l’objet d’un grand débat en avril 1920 à l’Académie des sciences à Washington, sera résolue grâce à ces nouveaux miroirs géants21.

Le télescope du mont Wilson est en effet le premier outil capable de dissiper le brouillard qui entoure ces énigmatiques nuages. Il révèle que l’aspect de « nébuleuses » n’est qu’un leurre dû, tout simplement, à la résolution insuffisante des images. Vues à travers le grand miroir de 2,5 mètres de diamètre, ces nébuleuses se résolvent au contraire en une collection d’étoiles individuelles. Par conséquent, en comparant ces étoiles à d’autres similaires plus proches de nous, il devient possible de déterminer leur distance. C’est en appliquant cette méthode, qu’un jeune astronome, Edwin Hubble, âgé de trente-cinq ans et tout juste embauché en 1919 au mont Wilson, fait le premier une constatation étonnante : dans la nébuleuse d’Andromède, comme dans celle du Triangle, les étoiles sont à une distance de plus d’un million d’années-lumière, bien plus loin que toutes les étoiles de notre Galaxie. Ces nébuleuses constituent donc bien des ensembles séparés, c’est-à-dire d’autres galaxies distinctes, qui sont appelées à l’époque « nébuleuses extragalactiques ». Hubble est ainsi le premier à mettre en évidence un monde en dehors de notre Galaxie ; un monde peut-être peuplé à l’infini d’autres galaxies. Pourtant, sa découverte, annoncée en décembre 1924, au 33e meeting de l’American Astronomical Society, passe relativement inaperçue à l’époque. La presse n’y fait référence que plusieurs mois plus tard. Dans un entrefilet du New York Times du 11 février 1925, le célèbre quotidien se contente ainsi de noter que le prix de l’American Association for the Advancement of Science a été attribué conjointement pour leurs travaux à Hubble et à un biologiste22. La découverte du premier est pourtant l’une des plus fondamentales de la cosmologie moderne. Ce n’est qu’avec elle que les chercheurs prennent véritablement conscience de l’immensité de l’univers et, surtout, de la richesse de son contenu dont l’inventaire soulève encore aujourd’hui d’innombrables questions. Désormais, les cosmologistes peuvent s’affronter à coups de milliards de galaxies.

La découverte de l’expansion

Avec l’aide de l’astronome Milton Humason, un observateur hors pair, Edwin Hubble poursuit la mesure des distances des nébuleuses extragalactiques mais, surtout, il a l’idée de comparer ces distances à la vitesse des galaxies déjà déterminée dix ans plus tôt par l’astronome Vesto Slipher. Et il fait à nouveau une constatation étonnante. Plus une galaxie est distante, plus sa vitesse d’éloignement est élevée. Il résume cela sur un graphique resté célèbre où est portée la vitesse de chaque galaxie en fonction de sa distance, délimitant une relation linéaire qui figure dans la communication qu’il présenta le 17 janvier 1929 à la National Astronomical Society sous le titre « Une relation entre la distance et la vitesse radiale parmi les nébuleuses extragalactiques23. » Sa conclusion est stupéfiante : toutes les galaxies (à l’exception de la plus proche, Andromède) semblent s’éloigner de nous à une vitesse d’autant plus élevée qu’elles sont loin. Il y aurait donc une expansion de l’univers à taux constant. C’est la fameuse « loi de Hubble » qui marque le véritable acte de naissance de l’univers en expansion. En moins de cinq ans, à l’aide de deux découvertes fondamentales, Hubble fait ainsi éclater l’espace clos de la Voie lactée et bouleverse l’ordre du monde : non seulement il a découvert que l’univers est peuplé de galaxies comme la nôtre ; le voilà maintenant qui suggère que cet univers n’est pas statique mais en expansion.

Toutefois, pour mieux comprendre les incertitudes inhérentes à ce travail, revenons un instant sur les méthodes employées par les astronomes pour mesurer l’expansion. Il s’agit avant tout de mesurer la distance et la vitesse d’un ensemble de galaxies. Or, dans l’exploration de l’univers, la détermination des distances est la chose la plus complexe qui soit. Comment, en effet, apprécier l’éloignement d’un astre à partir de sa simple lumière ? Imaginez un instant être à bord d’un bateau s’éloignant d’une côte où est installé un phare. Au fur et à mesure du trajet vers le large, la lumière du phare apparaît de plus en plus faible. Cette diminution de luminosité vient du fait que la lumière du phare doit emplir une sphère de plus en plus grande pour vous atteindre. Les lois de la géométrie vous apprennent donc que son éclat diminue en fonction du carré de la distance : si votre distance au phare double, sa luminosité apparente sera divisée par quatre. Vous avez donc un moyen facile d’estimer votre variation relative de distance à ce phare. Si, de plus, vous connaissez l’éclat absolu du phare, c’est-à-dire la quantité de lumière totale qu’il émet, vous avez alors aussi le moyen de déterminer votre distance à ce phare simplement en mesurant son éclat apparent. Si, par chance, tous les phares des ports de la côte ont été construits de manière identique, selon le même standard, avec le même éclat absolu, vous avez alors le moyen de déterminer votre distance exacte vers n’importe quel port. C’est cette méthode dite des « chandelles standards » qu’utilisent les astronomes pour mesurer la distance des étoiles lointaines. Leurs « phares » ou « chandelles standards » sont des étoiles dont ils pensent qu’elles ont toutes la même luminosité.

Pour déterminer les distances absolues, il faut néanmoins connaître l’éclat absolu d’au moins une de ces étoiles-phares. Mais, comme on ne peut pas s’approcher d’une étoile comme on le ferait d’un phare pour évaluer cet éclat absolu, il faut que, pour une de ces étoiles au moins, sa distance soit mesurée par une autre méthode indépendante. Pour cela, comme sur un bateau, on peut faire de nouveau appel à la géométrie. Si votre bateau croise au large du phare et se déplace parallèlement à la côte à une certaine distance, le phare peut être observé suivant deux directions, c’est-à-dire selon deux angles distincts. Par simple triangulation, en mesurant ces deux angles et la distance parcourue par le bateau dans le trajet entre les deux positions, il est possible de calculer la distance exacte au phare avec une simple formule de géométrie. C’est par une méthode de triangulation analogue, dite des « parallaxes », que procèdent les astronomes pour mesurer les distances des étoiles les plus proches. Pour cela, ils utilisent le bateau Terre et son mouvement autour du Soleil. Entre deux positions séparées de six mois, la Terre fait un mouvement d’amplitude maximale par rapport aux étoiles. Comme le phare par rapport au bateau, les étoiles sont observées selon un angle différent entre les deux positions. Malheureusement, les étoiles sont tellement lointaines que la variation d’angle est très faible, de l’ordre du centième de seconde d’arc pour des étoiles à seulement 300 années-lumière. La mesure directe de distance est donc encore aujourd’hui limitée aux étoiles les plus proches. Les astronomes en ont d’ailleurs tiré leur unité de distance, baptisée le « parsec » pour « parallaxe d’une seconde d’arc », qui définit la distance d’une étoile telle que sa « parallaxe », c’est-à-dire son déplacement apparent sur le ciel lors du mouvement de la Terre autour du Soleil, soit exactement d’une seconde d’arc (soit la 1/3600 partie d’un degré, équivalant à l’angle qui sépare les deux bords d’une pièce de monnaie de 1 centimètre de diamètre vue à plus de deux kilomètres). La distance d’un parsec est ainsi égale à 3,261 années-lumière, 206 265 fois la distance Terre-Soleil ou 30 857 milliards de kilomètres.

La mesure des distances astronomiques, simple sur le principe, est en pratique un patient et complexe échafaudage, combinant mesures de parallaxes et détermination de chandelles standards. C’est un travail d’équilibriste qui se révèle très délicat à mettre en œuvre. En particulier, comment s’assurer qu’ils existent bien des « chandelles standards », c’est-à-dire des étoiles exactement de même luminosité qui constitueraient autant de phares identiques ? Ensuite, tout comme l’éclat d’un phare peut être modifié par l’atmosphère plus ou moins opaque, la lumière d’une étoile peut être plus ou moins absorbée par la poussière qu’elle rencontre dans l’espace. Là encore, cette deuxième incertitude est loin d’être négligeable. Par exemple, avec les plus puissants télescopes actuels, même si la distance moyenne de la galaxie d’Andromède, notre plus proche voisine, semble converger vers 2,5 millions d’années-lumière, sa distance estimée selon les différentes méthodes adoptées varie de 1,4 à 3,6 millions d’années-lumière. Pour les galaxies plus lointaines, comme celles de l’amas de la Vierge, l’évaluation de sa distance varie entre 30 et 80 millions d’années-lumière. Nous sommes donc encore très loin d’avoir une vision précise de notre environnement cosmique. Imaginons un seul instant devoir construire une carte de France si la distance estimée entre Paris et Lyon variait entre 220 à 560 kilomètres ! Il y a ainsi de quoi relativiser les succès de l’astronomie moderne.

Pour conclure à une expansion de l’univers, la deuxième mesure nécessaire est celle de la vitesse des galaxies. Elle s’avère plus facile à effectuer, mais soulève des questions d’interprétation. Il est en effet impossible de « chronométrer » le mouvement d’une galaxie comme on le ferait pour un objet mobile ordinaire car, à l’échelle des milliards d’années des phénomènes cosmiques, la durée de notre mesure est toujours trop courte pour pouvoir déceler un mouvement significatif. Les astronomes recourent donc à l’effet Doppler-Fizeau, qui affecte les ondes lumineuses émises par un corps en mouvement. Cet effet, du nom des deux physiciens autrichien et français qui l’ont indépendamment mis en évidence, est quotidiennement perceptible pour les ondes sonores émises par un véhicule comme un camion de pompiers ou une voiture de course. Lorsque le véhicule se rapproche de l’observateur, le son émis paraît plus aigu, tandis que lorsqu’il s’éloigne, il paraît plus grave. Cet effet est dû au mouvement qui se combine aux impulsions sonores. Lorsque le véhicule se rapproche, l’écart entre deux impulsions paraît raccourci car la deuxième impulsion arrive plus vite à nos oreilles : elle a moins de distance à parcourir puisque le véhicule s’est rapproché. Lorsqu’il s’éloigne, cette deuxième impulsion arrive plus tard, car la distance à parcourir jusqu’à nous augmente et, du même coup, l’intervalle entre deux impulsions. Pour notre sens auditif, la perception d’un écart plus court correspond à un son plus aigu, celle d’un écart plus long à un son plus grave. Il en est de même pour la lumière mais, dans son cas, ce changement d’intervalle affecte la couleur : un mouvement de rapprochement, qui crée un intervalle plus court entre, par exemple, le sommet des ondes lumineuses, correspond à une lumière décalée vers le bleu (une longueur d’onde plus courte) tandis qu’un mouvement d’éloignement, qui crée un intervalle plus long, correspond à une lumière décalée vers le rouge (une longueur d’onde plus longue).

C’est ce seul décalage vers le rouge de la lumière que les astronomes observent pour les galaxies lointaines et qui leur suggère que ces galaxies ont un mouvement d’éloignement. Ce n’est pas la vitesse qui est mesurée directement, mais uniquement l’effet de la vitesse sur la lumière. Cependant, dans l’esprit des physiciens, les vitesses d’expansion des galaxies, déduites du décalage vers le rouge, ne sont pas interprétées comme de « vraies » vitesses. Elles sont considérées comme des vitesses « apparentes » liées au simple fait que, dans l’interprétation de la relativité générale, c’est le tissu d’espace-temps contenant ces galaxies qui se dilate. De fait, les galaxies ne bougent pas ; c’est l’espace-temps qui s’agrandit. Dans l’image classique qui en est souvent donnée, si l’on réduit l’univers à deux dimensions et que les galaxies sont symbolisées par des points marqués sur un ballon gonflable, l’expansion correspondrait à un gonflement du ballon. Les points, qui marquent les galaxies, semblent donc s’écarter les uns des autres avec une certaine vitesse, mais c’est la dilatation du ballon qui produit cet effet car les points des galaxies sont toujours à la même place sur le ballon.

Dès 1929, c’est grâce à ces méthodes qu’Edwin Hubble a comparé la distance et la vitesse (déduite du décalage vers le rouge) de quelques galaxies proches et obtenu une relation linéaire : les vitesses d’éloignement des galaxies semblent augmenter proportionnellement avec les distances. Autrement dit, pour n’importe quelle galaxie qui nous entoure, le rapport entre sa vitesse et sa distance serait toujours identique et ce rapport, qui mesure le taux d’expansion unique de l’univers, est considéré comme identique dans toutes les directions. Ce nombre particulier a été baptisé la « constante de Hubble ». Il est noté H₀ et est mesuré dans les unités propres aux astronomes, en kilomètres par seconde et par mégaparsec (km/s/Mpc) ; le mégaparsec (Mpc) étant égal à un million de parsecs soit 3,26 millions d’années-lumière. L’indice « 0 » de H₀ indique seulement que c’est la valeur de la constante aujourd’hui, car cette valeur pourrait avoir varié dans le passé. H₀ est le paramètre fondamental à la base de la cosmologie moderne que les astronomes cherchent à mesurer avec le plus de précision possible, puisqu’il leur permet de reconstituer la durée écoulée depuis le début de l’expansion et de prédire aussi l’évolution future de l’univers. Le rapport inverse, c’est-à-dire la distance divisée par la vitesse, soit l’inverse de la constante de Hubble, donne directement une estimation de la durée de l’expansion, qui correspond à l’âge actuel de l’univers dans le modèle du big bang, du moins dans l’hypothèse où cette expansion a été régulière et constante.

APPENDICES

Remerciements

Nous remercions chaleureusement Roland Lehoucq pour sa lecture attentive de la première partie du manuscrit. Nous sommes également reconnaissants à David Elbaz, Émeric Falize et Azar Khalatbari pour les divers retours qu’ils nous ont faits sur ce texte. Leurs remarques et critiques nous ont permis de corriger certaines maladresses et erreurs. Celles qui restent sont de notre entière responsabilité. Il en est de même de l’interprétation que nous avons faite des observations et des réflexions théoriques sur le cosmos : elle n’engage que nous.

Notes

PROLOGUE

UNE CRISE EN DEMI-TEINTE

1. ﻿L’histoire des recherches de la planète Vulcain est racontée par Thomas Levenson, The Hunt for Vulcain. How Albert Einstein Destroyed A Planet and Deciphered The Universe, Head of Zeus, 2015. Les quelques lignes ci-dessus sont reprises (et adaptées) d’un compte rendu que Thomas Lepeltier a écrit de ce livre, publié dans La Recherche, no 512, juin 2016, p. 95.﻿

I

LA PRÉHISTOIRE DU BIG BANG (1915-1965)

1. ﻿Fred Hoyle, « Continuous Creation », The Listener, 41, 1949, p. 567-568, cit. p. 568 [Cette traduction et les suivantes proviennent des deux auteurs de ce livre].﻿

2. ﻿Une partie de la retranscription est accessible sur le site « Fred Hoyle : An Online exhibition » (https://www.joh.cam.ac.uk/library/special_collections/hoyle/exhibition/radio).﻿

3. ﻿Fred Hoyle, « Continuous Creation », op. cit., p. 568.﻿

4. ﻿Sur cette histoire de l’expression « big bang » et de sa réception, voir Helge Kragh, « Naming The Big Bang », Historical Studies in The Natural Sciences, vol. 44, no 1, 2014, p. 3-36.﻿

5. ﻿Agnes Clerke, The System of The Stars, Londres, New York, Longmans, Green and Co., 1890, p. 368.﻿

6. ﻿Cité in Frank Tipler, « Johann Mädler’s Resolution of Olbers’ Paradox », Quarterly Journal of The Royal Astronomical Society, vol. 29, no 3, 1988, p. 313-325, cit. p. 320.﻿

7. ﻿Sur les tentatives, au XIXe siècle, d’application de la thermodynamique à la cosmologie, voir Helge Kragh, Entropic Creation. Religious Contexts of Thermodynamics and Cosmology, Aldershot, Ashgate, 2008.﻿

8. ﻿James Clerk Maxwell, The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, édité par W. D. Niven, Cambridge, Cambridge University Press, 1890, p. 226.﻿

9. ﻿Sur le modèle de Zöllner, voir Helge Kragh, « A Closed-Space Cosmological Model of 1872 », Annalen der Physik, vol. 524, no 12, 2012, p. A176-A178.﻿

10. ﻿Sur le rôle d’Einstein dans le développement de la cosmologie relativiste, voir Christopher Smeek, « Einstein’s Role in The Creation of Relativistic Cosmology », in Michel Janssen et Christoph Lehner (dir.), The Cambridge Companion to Einstein, Cambridge University Press, 2014.﻿

11. ﻿Willem de Sitter, « On Einstein’s Theory of Gravitation and its Astronomical Consequences. Third Paper », Monthly Notices of The Royal Astronomical Society, vol. 78, no 1, 1917, p. 3-28.﻿

12. ﻿Sur le lien entre le modèle de Willem de Sitter et les observations de Vesto Slipher, voir Harry Nussbaumer, « Slipher’s Redshifts as Support for De Sitter’s Model and The Discovery of The Dynamic Universe », in Michael J. Way et Deidre Hunter (dir.), Origins of The Expanding Universe : 1912-1932 (ASP Conference Series, vol. 471), 2013.﻿

13. ﻿Sur les débats concernant les modèles d’Einstein et de Sitter, voir Pierre Kerszberg, « The Einstein-De Sitter Controversy of 1916-1917 and The Rise of Relativistic Cosmology », in Don Howard et John Stachel (dir.), Einstein and The History of General Relativity (Einstein Studies, vol. 1), Birkhäuser, 1989 ; et, du même auteur, The Invented Universe. The Einstein-De Sitter Controversy (1916-1917) and The Rise of Relativistic Cosmology, Clarendon Press, 1989.﻿

14. ﻿Alexandre Friedman, « On The Curvature of Space », General Relativity and Gravitation, vol. 31, no 12, 1999 [1922], p. 1991-2000, cit. p. 1991-1992.﻿

15. ﻿Ibid., p. 2000.﻿

16. ﻿Ibid., p. 1998.﻿

17. ﻿Ibid., p. 2000.﻿

18. ﻿Albert Einstein, « Bemerkung zu der Arbeit von A. Friedmann “Über die Krümmung des Raumes” », Zeitschrift für Physik, vol. 11, 1922, p. 326.﻿

19. ﻿Albert Einstein, « Notiz zu der Arbeit von A. Friedmann “Über die Krümmung des Raumes” », Zeitschrift für Physik, vol. 16, 1923, p. 228.﻿

20. ﻿Albert Einstein, « Notiz zu der Arbeit von A. Friedmann “Über die Krümmung des Raumes” », copie manuscrite, The Einstein Archives Online (accessible sur http://www.albert-einstein.org).﻿

21. ﻿Pour découvrir l’histoire des débats sur la nature des nébuleuses, voir Richard Berendzen, Richard Hart et Daniel Seeley, Man Discovers The Galaxies, Columbia, Columbia University Press, 1984 [1976].﻿

22. ﻿« Two Share Science Prize — Drs. Cleveland and Hubble Win American Association’s $1,000 », The New York Times, 11 février 1925.﻿

23. ﻿Edwin Hubble, « A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae », Proceedings of The National Academy of Sciences, 15 (3), 1929, p. 168-173.﻿

© Éditions Gallimard, 2021.

Couverture : Illustration © Julien Langendorff.

Éditions Gallimard
5 rue Gaston-Gallimard
75328 Paris
http://www.gallimard.fr

Des mêmes auteurs

JEAN-MARC BONNET-BIDAUD

Ouvrages

4000 ANS D’ASTRONOMIE CHINOISE. Les officiers célestes, Belin, 2017. Version chinoise (4000年中国天文史) publiée par CITIC Press, 2020.

Contributions à des ouvrages collectifs

HISTOIRE ET PHILOSOPHIE DES SCIENCES (dir. Thomas Lepeltier), éditions Sciences Humaines, 2013.

VARIATIONS SUR UN MÊME CIEL (avec entre autres Aurélien Barrau et Etienne Klein), La Ville brûle, 2012.

LE SOLEIL DANS LA PEAU. L’homme et le soleil : un lien amoureux, un lien dangereux (avec Alain Froment, Patrick Moureaux et Aymeric Petit), Robert Laffont, 2012.

UN AUTRE COSMOS ? (dir. avec Thomas Lepeltier), Vuibert, 2012.

ÉTOILES DANS LA NUIT DES TEMPS (dir. Yves Vadé), L’Harmattan, 2009.

LE BIG BANG N’EST PAS UNE THÉORIE COMME LES AUTRES (avec François-Xavier Désert, Dominique Leglu et Gilbert Reinisch), La Ville brûle, 2009.

THOMAS LEPELTIER

Ouvrages

L’UNIVERS EXISTE-T-IL ?, P.U.F, 2021.

LES VÉGANES VONT-ILS PRENDRE LE POUVOIR ?, Le Pommier, 2019.

L’IMPOSTURE INTELLECTUELLE DES CARNIVORES, Max Milo, 2017.

LA FACE CACHÉE DE L’UNIVERS. Une autre histoire de la cosmologie, Le Seuil, 2014.

LA RÉVOLUTION VÉGÉTARIENNE, Sciences Humaines, 2013.

UNIVERS PARALLÈLES, Le Seuil, 2010.

VIVE LE CRÉATIONNISME ! POINT DE VUE D’UN ÉVOLUTIONNISTE, éditions de l’Aube, 2009.

DARWIN HÉRÉTIQUE. L’ÉTERNEL RETOUR DU CRÉATIONNISME, Le Seuil, 2007.

Direction d’ouvrages

PLAIDOYER POUR UNE VIANDE SANS ANIMAL (dir. avec David Chauvet), P.U.F, 2021.

LA RÉVOLUTION ANTISPÉCISTE (dir. avec Yves Bonnardel et Pierre Sigler), P.U.F, 2018.

HISTOIRE ET PHILOSOPHIE DES SCIENCES, éditions Sciences Humaines, 2013.

UN AUTRE COSMOS ? (dir. avec Jean-Marc Bonnet-Bidaud), Vuibert, 2012.

Jean-Marc Bonnet-Bidaud
Thomas Lepeltier

Big bang

Histoire critique d’une idée

La cosmologie est aujourd’hui à la croisée des chemins. Le modèle du big bang, qui est censé décrire l’histoire de notre univers, s’est imposé à la communauté scientifique au milieu des années 1960. Depuis lors, il semble un horizon indépassable. Pourtant, ces dernières années, il a été confronté à des difficultés croissantes. Quelle est la source de l’expansion ? Comment expliquer la phase d’inflation ? Où est passée l’antimatière ? Pourquoi doit-on supposer l’existence de matière noire et d’énergie noire de nature inconnue ? Sans réponse à ces questions, le modèle du big bang reste fragile.

Ce livre raconte comment s’est construite l’idée du big bang et décrit les modifications majeures qu’elle a subies pour rester en accord avec les observations du ciel. Il évoque autant les coups de génie qui ont procédé à son élaboration que ses limites souvent passées sous silence. À l’opposé du consensus habituellement exposé, cet ouvrage dévoile aussi combien sont vifs les débats entre cosmologistes sur la validité de ce modèle d’univers. Par cette approche critique, les auteurs soulignent que notre vision du cosmos pourrait bien être à l’aube d’une révolution majeure.

Cette édition électronique du livre
Big bang de Jean-Marc Bonnet-Bidaud et Thomas Lepeltier
a été réalisée le 20 août 2021 par les Éditions Gallimard.

Elle repose sur l’édition papier du même ouvrage
(ISBN : 9782070463916 - Numéro d’édition : 278445).

Code Sodis : N69641 - ISBN : 9782072586507.

Numéro d’édition : 278447.

Ce document numérique a été réalisé par Nord Compo