© Éditions Grasset & Fasquelle, 2010.

ISBN : 978-2-246-77239-2

« Pour les esprits religieux, c’est comme voir le visage de Dieu ! »

GEORGE SMOOT,

prix Nobel de physique

 (Commentant le 23 avril 1992
les images de l’Univers naissant
transmises par le satellite COBE)

Table des matières

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Table des matières

Avant-propos

Introduction

1 - Où chercher le visage de Dieu ?

2 - L’Univers éternel

3 - La fin de l’éternité

4 - L’atome primitif

5 - Le plus grand mystère de l’Univers

6 - Et la lumière fut

7 - Vers le Big Bang

8 - A la découverte de la première lumière

9 - Le feu de la Création

10 - Le fantôme du Big Bang

11 - Les astronomes de métal

12 - Photographier « le visage de Dieu »

13 - Voir le bébé Univers

14 - « Voir » le Mur de Planck

15 - Pourquoi l’Univers est-il si bien réglé ?

16 - Quelle est la forme de l’Univers ?

17 - D’où viennent les rides du temps ?

18 - Vers le grand équilibre originel

19 - L’étrange moment du Big Bang

20 - D’où vient l’énergie noire ?

21 - D’où vient le Big Bang ?

Conclusion

Postfaces

Avant-propos

Dans ce livre d’Igor et Grichka Bogdanov, dont le titre reprend la fameuse expression de mon collègue George Smoot, Le Visage de Dieu, vous allez découvrir l’histoire la plus fascinante que vous puissiez imaginer, la plus mystérieuse aussi : celle de nos origines. Vous et moi, bien sûr, mais aussi la naissance de l’Univers.

Toute bonne histoire a ses héros. Igor et Grichka vont vous présenter la plupart de ceux qui ont apporté quelque chose d’essentiel à notre compréhension du Big Bang, au début sur de simples feuilles de papier, et aujourd’hui, avec des satellites. Je n’ai pas eu la chance de rencontrer certains des héros les plus anciens de cette histoire, comme Alexander Friedmann ou Edwin Hubble ; mais j’ai eu le bonheur de connaître nombre de ceux que vous allez découvrir au fil des pages, comme Fred Hoyle, George Gamow ou Robert Dicke. C’est une immense joie de retrouver ici, dans les postfaces de ce livre, ces deux grands acteurs de l’histoire du Big Bang, Jim Peebles et John C. Mather. Comme nous allons le voir plus loin, Jim et l’équipe de Princeton m’ont aidé à comprendre ce phénomène mystérieux que j’avais observé avec Penzias. Et plus tard, grâce à leur extraordinaire satellite, John et l’équipe de COBE ont pu confirmer nos observations.

Si COBE n’avait pas pu mettre en évidence les infimes différences de température au cœur du premier éclair émis par le cosmos, il aurait alors été très difficile d’expliquer notre propre existence. Je comprends à quel point George Smoot a pu être enthousiasmé au moment où il a reçu les premières informations transmises par COBE. C’est pourquoi il s’est exclamé : « C’était comme voir le visage de Dieu ! » J’imagine cependant que je n’aurais pas fait le même rapprochement. Même si cette image est frappante, j’aurais préféré dire : « Nous sommes en train de contempler le visage de la Création ! » plutôt que celui du créateur. Mais en fin de compte, il y a certainement eu « quelque chose » au commencement pour tout mettre en place. A mon sens, si vous êtes religieux, selon la tradition judéo-chrétienne, il n’existe pas de meilleure théorie de l’origine de l’Univers qui puisse correspondre à ce point à la Genèse. A la fin de ce livre, je reviens en détail sur cette histoire qui se confond un peu avec la mienne.

Mais pour l’heure, je vous invite à découvrir la fascinante aventure que nous racontent Igor et Grichka : elle nous entraîne jusqu’à l’origine de l’Univers et débouche sur l’une des révolutions les plus impressionnantes que l’humanité ait jamais connues.

Robert Wilson
prix Nobel de physique 1978
Université de Harvard
le 11 avril 2010

Introduction

Washington DC, le 23 avril 1992, au siège de la vénérable Société Américaine de Physique. Il est un peu plus de midi. Après avoir rapidement avalé un sandwich et un verre d’eau, un physicien du nom de George Smoot, solide gaillard barbu à l’époque totalement inconnu du grand public, se prépare à rejoindre la salle de presse pour annoncer une découverte qui, il le sait, fera dès le lendemain la une de tous les journaux du monde. Il savoure cet instant. Pour la circonstance, il a enfilé son plus beau costume. Plus de quinze ans qu’il attendait ça. Quinze années d’un travail acharné, jour après jour, souvent même nuit après nuit. Une longue suite d’obstacles, de difficultés presque incontournables, de batailles obscures, d’accidents, de retours en arrière, de déceptions, de critiques et d’incertitudes, une traversée interminable avant d’en arriver là : dans quelques minutes, il allait offrir sa découverte au grand public, la mettre en scène, la rendre claire pour tout le monde. Il hésita encore un bref instant, chercha une profonde inspiration au fond de sa poitrine, rajusta ses lunettes sur son nez, puis ouvrit franchement la porte.

Une rumeur vague monta entre les murs avant de prendre l’air, lentement, jusqu’à l’évaporation des derniers bruits. Accompagné de ses collègues Ned Wright, Chuck Bennett et Al Kogut, Smoot monta le premier sur l’estrade qui dominait la salle. Le plancher grinçait, lézardait chaque pas, fissurait le silence. Au moment de s’asseoir, il posa un regard diffus sur le public qui se taisait entre les petits bruits. La salle était bourrée à craquer. On entendait un souffle vague, le bruissement d’une attente lentement remuée par le grand nombre. Le moment était magique : un miracle, en quelque sorte, dont la solennité était à peine dispersée par une mouche qui vibrait contre l’une des vitres de la fenêtre. Les quatre conférenciers se regardèrent sans rien dire. Des caméras de divers modèles étaient disposées au fond de la salle brutalement éclairée par une rangée de projecteurs. Le flot de lumière blanche agitée par les flashes était presque inflammable. Smoot se racla la gorge. Devant lui, la pièce était comme un abîme plat. Lentement, il commençait à prendre conscience de l’immense intérêt du public pour les recherches qu’il avait menées, avec son équipe, pendant toutes ces années.

Il commença à parler. Les premiers mots, fragiles, à peine sonores, passèrent difficilement dans l’air chaud.

— Nous avons observé les plus anciennes et les plus grandes structures jamais vues dans l’Univers. A peine 380 000 ans après le Big Bang.

Il s’interrompit un bref instant avant de poursuivre :

— Il s’agit des germes primordiaux des structures actuelles comme les galaxies ou les amas de galaxies. Ce sont des plis dans la trame de l’espace-temps, restes de la période de la création1.

Smoot avait déposé le dernier mot sur un silence. Lentement il leva la tête pour laisser travailler la phrase. Loin dans la salle, les journalistes semblaient pris d’une légère ivresse. Chacun d’eux était en train de réaliser que ces quelques mots allaient bouleverser le ciel cosmologique de fond en comble : pour la première fois, un satellite nommé Cosmic Background Explorer (COBE) venait de « photographier » la lumière la plus ancienne jamais émise par l’Univers : âgé de plus de 13 milliards d’années, ce rayonnement archaïque offrait une image saisissante de « l’œuf cosmique » qui venait à peine de naître. En effet, après avoir tâtonné, cherché en vain, risqué toutes sortes de théories pendant près de trois décennies, les astrophysiciens tenaient enfin la preuve qui leur permettait de résoudre l’une des plus anciennes énigmes en cosmologie : l’Univers primordial était là, sous leurs yeux, ils le voyaient en taches rouges, jaunes et bleues encore plus clairement que la lune par beau temps ou Jupiter au bout de leurs télescopes. Pris de vertige devant ces images impensables venues du fond de l’espace et du début des temps, ces détails lumineux datant de la création de l’Univers, George Smoot, le « père » de COBE, est bien loin de se douter à cet instant qu’un beau jour, en 2006, il recevra la récompense suprême, le prix Nobel. Mais pour l’heure, il y a ces images folles, incroyables. Et tout à coup, il va lâcher une phrase, un mot que personne n’attendait et qui claque aux oreilles comme un arc électrique dans la salle de presse surchauffée : « Pour les esprits religieux, c’est comme voir le visage de Dieu ! »

Un souffle incertain traversa la salle. Puis quelques paroles murmurées de bouche à oreille se firent entendre. A cet instant, tout au fond, une porte s’ouvrit pour se refermer presque aussitôt : deux personnes venaient de quitter la pièce. Smoot remua sur son siège, vaguement mal à l’aise. En avait-il trop dit ? Avait-il été mal compris ? Les deux inconnus qui venaient de partir s’étaient-ils émus d’entendre le nom de Dieu dans une communication scientifique ? « Je pense que je n’aurais pas fait le même rapprochement, écrit Robert Wilson dans la préface de ce livre. J’aurais dit : “Nous sommes en train de contempler le visage de la Création !” plutôt que celui du créateur. » Il ne s’agissait que d’une image, une métaphore sans contenu religieux, mais à cet instant, Smoot pressentait que cette petite phrase lui vaudrait sans doute beaucoup d’ennuis de la part de la communauté scientifique.

Il est vrai que les informations transmises par la petite sonde étaient prodigieuses : « Il s’agit de la découverte la plus importante du siècle ! Peut-être même de tous les temps ! » s’exclama à son tour Stephen Hawking. L’émotion du chercheur anglais était à la mesure de ce qui venait de se passer.

*

En 1992, on savait encore bien peu de choses sur ce fameux rayonnement fossile (c’est le nom savant de la première lumière). Il avait été découvert en 1964 par deux chercheurs américains qui, en procédant à des réglages sur une antenne radio des laboratoires Bell Téléphone, allaient déboucher par hasard sur l’un des plus extraordinaires bouleversements scientifiques qu’ait connus l’humanité. Car sans le savoir, Penzias et Wilson – qui nous raconte en détail sa formidable aventure dans le texte qu’on retrouvera à la fin de ce livre – ont découvert l’éclair le plus ancien jamais émis par l’Univers : issu du feu primordial et de la formidable énergie du Big Bang, la température de ce rayonnement a chuté, tout au long des millions de siècles et de l’expansion de l’Univers, jusqu’à seulement 2,7 degrés Kelvin au-dessus du zéro absolu (soit - 270,4° C). Or ni Penzias, ni Wilson, ni aucun chercheur sur Terre n’avaient encore jamais pu déceler ce que Smoot et Mather allaient observer un quart de siècle plus tard. Un vrai mystère : tout au fond de la lumière fossile, il y avait des irrégularités. Comme si quelque chose était (selon le mot de Smoot) « écrit » sur ces images archaïques : l’Univers primordial semblait mystérieusement tramé, il ressemblait à une sorte de « carte cosmologique » sur laquelle on pouvait lire, par stries, ce qu’allait devenir bien plus tard le cosmos.

*

Aujourd’hui encore, le mystère reste entier. Au début des années 2000 a été lancé un nouveau satellite astronomique, WMAP, doté de détecteurs beaucoup plus sensibles que son prédécesseur. Cette sonde a photographié en finesse les fameuses stries primordiales. Les dernières images rendues publiques n’ont cependant pas permis de répondre à la question : D’où proviennent donc ces mystérieuses irrégularités observées 380 000 ans après le Big Bang ? Toutes les théories sur l’origine de l’Univers viennent, indifféremment, se heurter à une seule et même limite infranchissable : le Mur de Planck. Enfoui dans un passé cosmique immensément reculé, très loin « en dessous » de la première lumière observée par COBE, cette barrière est d’une petitesse inconcevable : 10–33 cm, un « soupçon de néant », la plus infime longueur de tout l’Univers. En imaginant que le Mur de Planck mesure 3 mètres de haut, à cette échelle, un atome d’hydrogène serait aussi immense que l’Univers entier. Rien d’étonnant alors à ce que face à ce Mur, la physique (celle des années 1980 comme celle d’aujourd’hui) soit réduite au silence.

*

Dans Dieu et la science, nous avions écrit avec Jean Guitton qu’il est possible « d’appréhender l’Univers comme un message exprimé dans un code secret, une sorte de hiéroglyphe cosmique que nous commençons tout juste à déchiffrer ». Ce « message secret » semble inscrit dans la trame même de l’Univers primordial, dans ce temps très reculé où l’avenir de tout ce qui est semblait déjà crypté dans la première lumière. Ceci veut peut-être dire que l’origine profonde de la trame cosmologique pourrait se situer ailleurs, semble-t-il, que dans le monde physique. L’Univers repose bien sur des lois physiques, mais leur origine semble curieusement située « en dehors » de notre réalité, étrangement antérieure au Big Bang lui-même. En 2001, le physicien américain Paul Davies a observé en ce sens : « Les lois de la physique n’existent aucunement dans l’espace et dans le temps. Tout comme les mathématiques, elles ont une existence abstraite. Elles décrivent le monde, mais elles ne sont pas “dedans” (bien que certaines personnes désapprouvent profondément cette vision). Néanmoins, cela ne signifie pas pour autant que les lois de la physique sont nées avec l’Univers. Si tel était le cas – si l’ensemble de l’Univers physique et des lois étaient issus de rien –, nous ne pourrions alors pas recourir à ces lois pour expliquer l’origine de l’Univers. Aussi, pour avoir quelque chance de comprendre scientifiquement comment l’Univers est apparu, nous devons admettre que les lois elles-mêmes ont un caractère abstrait, intemporel, éternel2. »

Ce caractère « abstrait, intemporel et éternel » dont parle Paul Davies, nous espérons en avoir identifié quelques fragments (un peu comme on retrouve les contours d’un bas-relief à partir de traces à demi effacées ou de vestiges à peine visibles), fragments que nous vous ferons partager dans les pages de ce livre. Dans l’un de ses derniers ouvrages, Paul Davies n’hésitera pas à écrire : « J’appartiens au nombre de ces chercheurs qui ne souscrivent pas à une religion conventionnelle, mais refusent de croire que l’Univers est un accident fortuit. L’Univers physique est agencé avec une ingéniosité telle que je ne puis accepter cette création comme un fait brut. Il doit y avoir, à mon sens, un niveau d’explication plus profond. Qu’on veuille le nommer “Dieu” est affaire de goût et de définition3. »

Peut-être bien. Peut-être est-ce aussi par « goût » que les physiciens, à la suite du prix Nobel de physique 1988 Leon Lederman, ont baptisé la particule la plus mystérieuse qui puisse rôder dans l’infiniment petit « la particule Dieu ». En ce moment même, on la traque au LHC, dans le sillage d’atomes tellement accélérés qu’à chaque seconde ils font 11 000 fois le tour du grand anneau, soit 27 kilomètres ! Est-ce un hasard ? L’un des objectifs du LHC consiste à recréer les conditions qui régnaient dans l’Univers naissant, une infime fraction de seconde après le Big Bang ! Le grand rêve, c’est de mettre ainsi au jour ce que les physiciens appellent la « supersymétrie », c’est-à-dire cet ordre généralisé qui régnait dans l’espace-temps tout au début.

*

C’est sans aucun doute en songeant à ces mêmes questions que Smoot a écrit, à la dernière page des Rides du Temps : « Quand un cosmologiste comprend comment s’assemblent lois et principes dans le cosmos, comment ils sont reliés, comment ils montrent une symétrie que les anciennes mythologies réservaient à leurs dieux, comment ils impliquent que l’Univers doit être en expansion, doit être plat, doit être tel qu’il est, il perçoit la beauté pure sans mélange. Le concept religieux de création découle d’un sentiment d’émerveillement devant l’existence de l’Univers et devant notre place en son sein4. »

*

Après deux heures d’exposé, alors que les quatre scientifiques se préparaient à quitter la salle de presse, Smoot resta un long moment silencieux, le regard appuyé sur le vide. Peut-être parce qu’il était alors en train de songer à ce qu’il écrirait plus tard dans son livre : « La cosmologie est au confluent de la physique, de la métaphysique et de la philosophie : quand la recherche approche de la question ultime de notre existence, les frontières entre elles deviennent inévitablement floues. » Tellement floues que derrière les images de l’Univers naissant, vient presque inévitablement cette question : « Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? Pourquoi y a-t-il de l’Etre ? Ce “je ne sais quoi” qui nous sépare du néant ? » Si « l’ADN cosmique » dont parle Smoot dans son livre existe bel et bien, alors il faudra sans doute le chercher à l’origine : dans le tout premier instant qui a marqué la préhistoire du monde, bien avant le Big Bang. C’est peut-être là, dans la singularité initiale, que se trouve codé le scénario cosmologique, à la façon d’un secret originel, au cœur du temps imaginaire et du zéro. L’un des plus grands éblouissements pour le chercheur sera alors de découvrir que ce secret originel peut encore être entrevu aujourd’hui, sous la forme de traces, de reliques cosmologiques projetées sur le fond de rayonnement cosmologique.

L’un des objectifs de la science consiste, pour l’essentiel, à réduire la complexité apparente des phénomènes, à leur donner une explication simple. Si vous ramassez une poignée de neige au creux de votre main, vous verrez très vite que chaque flocon est différent des autres. Certains sont cristallisés en étoiles, d’autres en hexagones, d’autres encore en cercles parfaits couronnés de six petites pointes : tous uniques, les flocons peuvent être ramifiés d’une infinité de façons. Or cette extraordinaire diversité de formes, ces myriades de combinaisons vont se résoudre en une réalité très simple, commune à tous les flocons : il suffit de les faire fondre dans votre main pour réduire l’infini des figures géométriques à quelques gouttes d’eau : un soupçon d’hydrogène et un souffle d’oxygène.

Ce sont les traces de cette simplicité primordiale que nous allons maintenant rechercher, 13,7 milliards d’années après leur apparition, dans les pages de ce livre. Avec l’espoir de déchiffrer quelques fragments de leur mystère.

1- George Smoot, Keay Davidson, Les Rides du Temps, Flammarion, 1994.

2- Paul Davies, The Mind of God, Simon & Schuster, 1992.

3- Paul  Davies, The Fifth Miracle, Simon & Schuster, 1999.

4- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

1

Où chercher le visage de Dieu ?

Par un sombre soir de novembre 1990, rue de Fleurus, nous rentrions avec le philosophe et académicien Jean Guitton d’une promenade d’automne dans les sous-bois du Luxembourg. Le vent avait balayé en poussières nos certitudes du moment et soudain, le vieux penseur chrétien, empêchant son chapeau de fuir dans la bourrasque, avait demandé : « Comment Dieu… » Le reste de sa phrase s’était perdu dans la tempête. En appui sur le vide, il avait alors repris : « Comment Dieu peut-il nous apparaître dans le cosmos ? » Cette question emportée dans la nuit allait être au centre du petit ouvrage que nous avons écrit ensemble, Dieu et la science1.

Etrangement, elle est revenue à nos oreilles deux ans plus tard – mais cette fois sous une forme scientifique – lorsque, en avril 1992, George Smoot a cherché à nous faire comprendre ces images éclairées par la toute première aube de l’Univers. Une vision venue de l’abîme, profonde d’un tel infini qu’elle ne pouvait être comparée à rien, sinon au visage de Dieu. D’ailleurs, coupant au plus haut, Smoot n’a pas hésité à franchir un nouveau pas, cinq ans après sa découverte, en décrivant dans la revue Science la radiation fossile comme « l’écriture manuscrite de Dieu2 ».

*

Ici se pose une première question : Pourquoi George Smoot, jusqu’alors sur ses gardes comme tous les scientifiques, a-t-il soudain pris le risque, en ce jour du printemps 1992, de mêler Dieu à ce qu’il a vu grâce à son satellite ? Nous avons posé la question à son compagnon de route, John Mather, lauréat comme lui du prix Nobel en 2006 : « Pourquoi est-ce que George a dit cela ? En fait, comme il l’a précisé plus tard, il pensait que cela pourrait aider le public à comprendre les résultats scientifiques. Mais bien sûr, beaucoup de gens ont protesté face à une telle référence, tout particulièrement ici, aux Etats-Unis, où la religion est tellement politisée3. »

Sans surprise, l’affaire a fait grand bruit. Lorsqu’il regagne son laboratoire à Berkeley, il peut lire sur une pancarte suspendue à sa porte « Maison du saint Graal ». Dans le hall, les étudiants ont placardé en grand la fameuse photo de l’Univers naissant avec cette petite phrase en dessous : « Contempler le visage de Dieu ».

Au sein de la sacro-sainte Société Américaine de Physique et par ricochet chez nombre de ses collègues, ce qui est souvent considéré comme un « dérapage » a également laissé des traces. Smoot nous l’a d’ailleurs confirmé lui-même sans détour : « Je dois vous dire franchement que mes paroles en rapport avec Dieu le jour de l’annonce de ma découverte m’ont causé beaucoup d’ennuis, particulièrement avec la communauté scientifique4. »

Pourtant si Smoot est allé aussi loin, c’est qu’il avait de bonnes raisons. Il a bel et bien aperçu « quelque chose » là-haut. Quelque chose de très inhabituel. Mais quoi ? Peut-être la même chose que l’astrophysicien Richard Isaacman, de l’université de Leiden. Lui aussi a fait partie de l’équipe qui, aux côtés de George Smoot et de John Mather, a encadré le satellite COBE. Dans ces années 1990, en tant que responsable de l’analyse des données, il a suivi « en direct » le déroulement de la fantastique observation. Or un jour (peu de temps après le lancement), en reconnaissant les courbes très précises de ce que les physiciens appellent un « corps noir » (c’est-à-dire un objet idéal en équilibre thermique) au cœur de la première lumière, il s’est tout à coup exclamé : « J’ai senti que j’étais en train de regarder Dieu en face5 ! »

Ici, faisons une petite mise au point. Smoot nous l’a confié lui-même : sa fameuse phrase ne doit pas être prise au pied de la lettre. « C’était une métaphore, mais les journalistes l’ont prise au sérieux et l’ont propagée sans discernement, sans chercher à comprendre le contexte ou une signification plus profonde6. »

Justement : il existe une signification plus profonde derrière ce que George Smoot a dit. Quoi donc ? Pour nous mettre sur la voie, regardons en face – avec raison et humilité – l’immense mystère de l’origine. Peut-être finirons-nous alors par ressentir quelque chose d’assez proche de ce qu’énonce Smoot dans son livre : « Nous ne sommes pas le résultat d’un simple accident cosmique, le résultat fortuit d’un enchaînement de processus physiques dans un Univers qui nous écrase complètement7. »

Alors ? S’il ne s’agit pas d’un « simple accident cosmique », d’où vient l’Univers ? D’où venons-nous ?

*

Il vous est sûrement arrivé, un jour ou l’autre, de vous demander, de façon fugitive, sans peser sur la question : comment faire pour entrevoir, ne serait-ce qu’un instant, le « visage de Dieu » dans notre monde ? Comment donc savoir si « quelque chose » – mieux encore, quelqu’un – existe à l’arrière de cette immense machinerie qu’est l’Univers ? Un esprit « immensément supérieur à celui de l’homme », comme l’a écrit un jour de 1936 Einstein à un enfant. Raisonnons un instant comme Einstein et, plus généralement, comme le font les hommes de science. Ce qui les intéresse dans la nature, ce sur quoi ils travaillent du matin au soir (et souvent la nuit) ce sont les lois. Pour commencer, prenons quelque chose de tout simple. Par exemple, ces flocons de neige dont nous avons parlé en introduction. Ils ont des formes très différentes les uns des autres. Mais tous, sans aucune exception, ont six pointes. Pas quatre ou cinq. Ou sept. Alors pourquoi six ? Même si cela provient de l’eau dont sont formés ces flocons, qui donc en a décidé ainsi ? Autre « loi » étrange : cueillez quelques marguerites cet été dans un pré. Puis comptez leurs pétales. La première en a cinq. Une autre en a treize. Une autre encore huit. Mais vous ne trouverez aucune marguerite avec sept pétales. Ou seize. Pourquoi ? Parce que le nombre de pétales d’une fleur n’est pas distribué au hasard. En réalité, il existe une loi mathématique cachée dans les profondeurs de la fleur. Mais à nouveau, d’où vient cette loi ?

Pour en savoir plus, revenons vers la première lumière de l’Univers. Comme nous l’a confié Robert Wilson, ce qui est sidérant dans ce rayonnement du début des temps, c’est sa régularité qui tient du miracle : la température du fond ne dévie que d’une infime fraction de degré sur 100 000. Un écart tellement insignifiant qu’il pourrait se comparer à la chaleur dérisoire que vous pourriez ressentir chez vous si quelqu’un craquait une allumette sur la lune ! Comment expliquer un « réglage » si fin ? Mais allons plus loin. Il existe, vous le savez, quatre forces dans l’Univers. Deux agissent « depuis chez nous » jusqu’à l’infini, c’est-à-dire dans votre salon aussi bien que sur les étoiles et les galaxies les plus lointaines : c’est la force de gravitation (qui fait que vous ne vous envolez pas de votre siège) et la force électromagnétique (qui éclaire ces pages mais qui empêche aussi votre fauteuil de s’écrouler en poussières de particules). Et les deux autres ? On les trouve dans l’infiniment petit : c’est la force faible (sans cette forme de radioactivité, le soleil ne pourrait pas briller) et la force forte (qui « colle » les particules élémentaires à l’intérieur du noyau de l’atome).

Et c’est ici que surgissent tout à coup des chiffres dont le « réglage » apparent semble presque « surnaturel ». Ainsi, la force forte vaut 1. Elle est suivie par la force électromagnétique qui est 137 fois plus petite (mais pas 138 ni 135 fois). Puis vient la force faible, un million de fois plus petite que sa cousine la force forte. Enfin, la gravité plonge dans un gouffre : 1 000 milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus petite que la force nucléaire ! Comment expliquer cette chute inouïe, mais très précise, de 39 (et pas 40) ordres de grandeur ? L’ajustement donne d’autant plus le vertige qu’on le retrouve pour une trentaine d’autres grandes constantes sur lesquelles repose toute notre réalité, du grain de poussière sur votre manche aux milliards d’étoiles de la Voie lactée.

Car sans ces fameuses constantes universelles – en fait sans les valeurs très précises qu’elles ont – ni les fleurs, les chiens, les chats, ni aucun être vivant, ni notre monde, ni l’Univers lui-même, en fait rien de tout cela n’aurait la moindre chance d’exister. C’est sans doute ce qui a poussé le célèbre savant anglais Stephen Hawking, cloué sur son fauteuil de métal, l’œil fixé sur l’écran qui le relie au monde, à écrire dans sa Brève histoire du temps : « Les lois de la science, telles que nous les connaissons actuellement, contiennent certains nombres fondamentaux, comme la charge électrique de l’électron ou encore le rapport des masses du proton et de l’électron… Ce qui est remarquable, c’est que la valeur de ces chiffres semble avoir été très finement ajustée pour rendre possible le développement de la vie8. »

*

En 1998, nous avons eu plusieurs discussions captivantes avec un certain Alexander Polyakov, un savant russe aujourd’hui à l’université de Princeton (la première du monde où se sont retrouvés avant lui d’autres grands héros du Big Bang, comme Einstein, Dicke, Wilkinson, Peebles, Penzias et bien d’autres). Ce théoricien, lauréat de la médaille Dirac (une des plus hautes distinctions en physique théorique), a exercé une influence profonde et durable sur de nombreux fronts de la physique théorique actuelle. En particulier, il est le premier à avoir formalisé en 1975 (en même temps que le prix Nobel Gerard’t Hooft mais indépendamment) la nature de ces étranges « pseudo-particules » qui pourraient exister non pas dans le temps réel mais dans le temps imaginaire (un temps autre, que les physiciens conçoivent comme « fixe », et que nous retrouverons au voisinage de l’origine de l’Univers, comme nous le verrons plus loin). Or, lorsqu’il était encore en Union soviétique, à l’Institut Landau, voici ce que Polyakov affirmait haut et fort : « Nous savons que la nature est décrite par la meilleure de toutes les mathématiques possibles parce que Dieu l’a créée9. »

C’est peut-être pour cela que les choses de la nature – un magnifique coucher de soleil, le cœur d’une rose – vous donnent parfois la sensation furtive qu’un ordre, une intelligence insaisissable mais bienveillante est bel et bien là, occupée à faire tourner mystérieusement les innombrables rouages du monde, visibles ou cachés. Mais l’instant d’après, cette fragile certitude s’évanouit.

Alors ?

Revenons un instant à Einstein. En 1929, il reçoit un télégramme plutôt inhabituel, signé du rabbin de New York, Herbert S. Goldstein, lui demandant de but en blanc – sur un fond d’inquiétude – s’il croyait en Dieu. L’affaire était sérieuse, car le rabbin avait lui-même été contacté peu de temps auparavant par le cardinal O’Connell, influent prélat de Boston. Très alarmé, l’ecclésiastique menaçait de saisir le Vatican, au motif que la relativité « répandait un doute universel sur Dieu et la Création ». En bref, elle impliquait « l’affreuse apparition de l’athéisme ».

Le cardinal O’Connell était affligé. En moins de trente mots, soucieux de calmer son interlocuteur, le Maître s’empresse alors de renvoyer cette réponse aujourd’hui célèbre : « Je crois au Dieu de Spinoza, révélé dans l’harmonie du monde, mais pas en un Dieu qui se préoccuperait des faits et gestes de chacun. »

Il n’en fallait pourtant pas davantage pour que le rabbin Goldstein, aux anges, se mette à répéter à qui voulait l’entendre qu’Einstein, « bien évidemment », n’était pas athée. Comme ce dernier préférait prudemment garder le silence, il crut même bon d’apporter la touche finale : « La théorie d’Einstein, si elle était poussée jusqu’à sa conclusion logique, pourrait apporter à l’humanité une formule scientifique pour le monothéisme. »

Sans doute que le père de la relativité n’en demandait pas tant. Mais plus sérieusement, à plusieurs reprises, il a confié au lauréat du prix Nobel de physique Paul Dirac, lui aussi très troublé par l’ajustement des grandes constantes, que les valeurs de celles-ci n’étaient pas distribuées au hasard. Et c’est sans doute poussé par cette conviction qu’il franchit la dernière étape avec ce coup d’éclat : « Je veux savoir comment Dieu a créé le monde. Je ne suis pas intéressé par tel ou tel phénomène, tel ou tel élément. Je veux connaître la pensée de Dieu ; le reste n’est que détails10. »

Dieu !

Est-ce un hasard ? C’est le tout dernier mot choisi par Hawking pour clore sa Brève histoire du temps11. Il s’y demande, entre autres, pourquoi l’Univers existe. Et sa réponse a de quoi surprendre : « Si nous trouvons la réponse à cette question, ce sera le triomphe ultime de la raison humaine – à ce moment, nous connaîtrons la pensée de Dieu. »

Avec Einstein et Hawking, à un demi-siècle de distance l’un de l’autre, nous voici face à cette frontière encore jamais atteinte qui sépare Dieu et la science. Pour certains cela pourrait bien devenir l’horizon de la recherche scientifique du XXIe siècle, comme l’affirme le grand théoricien américain Freeman Dyson, l’un des collègues de James Peebles à Princeton : « Le défi est de lire la pensée de Dieu12 ! » Afin de savoir pourquoi l’Univers existe. Pourquoi il est tel qu’il est. Pourquoi il y a « quelque chose » plutôt que rien. Comment le monde a été créé.

*

Vous venez donc de voir brusquement émerger l’enjeu. Celui d’un lien étroit entre la création de l’Univers et, invisible à l’arrière, son hypothétique créateur. Au nom de quoi ? Du très ancien principe de la cause et de l’effet – une aubaine pour les spiritualistes et un casse-tête pour les athées. Dit simplement, il n’existe pas d’effet sans cause. C’est donc de ce côté-là – de ce que Jean Guitton nous a appris à comprendre comme « la cause à l’origine des causes » – que nous allons chercher le mystérieux « visage de Dieu » dont parle George Smoot.

Mais jusqu’où cela va-t-il nous mener ? Vers quelque chose de totalement inconnu. Une cause primordiale qui, selon le Nobel Arno Penzias, ne se situe pas dans notre Univers : « Ce que nous avons découvert était une radiation pour laquelle il n’existe aucune source connue dans l’Univers13. »

Et nous voici face à la question ultime : si cette « source inconnue » d’où émerge la radiation fossile (et avec elle tout l’Univers) n’existe pas ici et maintenant, où donc la chercher ? De manière naturelle, avant le Big Bang. Là où l’énergie et la matière n’existent pas encore. C’est peut-être dans cet esprit que Penzias précise à propos de la naissance de tout ce qui existe : « C’est une création à partir de rien. L’apparition, à partir de rien, de notre Univers14. »

Un quart de siècle après Penzias et Wilson, John Mather pose à son tour une question-choc dans la postface de notre ouvrage : « Qu’est-il arrivé à l’instant du Big Bang ? Et peut-être même avant ? » Or, des fragments de réponse nous attendent au cœur de la première lumière. D’où l’enthousiasme de George Smoot face à l’éclair primordial : « C’est vraiment remonter en arrière jusqu’à la création, regarder l’apparition de l’espace et du temps, de l’Univers et de tout ce qu’il y a dedans, mais aussi voir l’empreinte de celui qui a fait tout ça15. »

Soit. Mais qui ? Quoi ? Quelle est donc cette cause dont parle George Smoot, qui aurait travaillé « depuis l’extérieur » pour faire exister notre Univers ? Et laissé une empreinte ? Il y a plus d’un siècle, le physicien allemand Max Planck, légendaire fondateur de la science de l’infiniment petit, a pris le risque de déclarer : « Toute la matière trouve son origine et existe seulement en vertu d’une force. Nous devons supposer derrière cette force l’existence d’un esprit conscient et intelligent16. » Et peut-être même, comme l’écrit Stephen Hawking trois quarts de siècle plus tard, la présence, avant le Big Bang, d’un « être responsable des lois de la physique17 ».

Plus de doute : nous vivons une époque révolutionnaire. Les grandes questions n’ont pas changé. Mais les « grandes réponses », irrésistiblement, se transforment. En particulier émerge depuis peu une science nouvelle : la science de l’information. Que commence-t-elle à nous dire ? Que le monde de l’énergie et de la matière repose sur un autre monde, invisible mais déterminant : celui de l’information. Un peu comme le monde du vivant obéit à cette information qu’est le code génétique. C’est bien ce que désigne Smoot lorsqu’il lance à propos de l’Univers : « Son évolution est inscrite dans ses débuts, une sorte d’ADN cosmique si l’on veut18. » Or, notre recherche de ce qui a pu se produire avant le Big Bang va nous conduire vers une idée très proche : un peu comme le code génétique, il pourrait exister, selon nous, une sorte de « code cosmique » qui règle, encadre, ajuste l’apparition physique de l’Univers et son évolution. Dans ce cadre nouveau, ce que Planck appelle « l’esprit » bénéficie d’un éclairage surprenant grâce auquel on commence à percevoir le rôle possible joué par l’information dès l’instant zéro, avant même la naissance physique de notre Univers.

Mais nous commençons à peine à entrevoir ces ressources si nouvelles que nous offre la science. Ces grandes questions évoquées plus haut commencent aujourd’hui à s’ouvrir sur une étonnante « métaphysique expérimentale », rendue possible par ces consciencieux astronomes de métal qui, depuis les gouffres de l’espace, sondent le passé lointain jusqu’à l’origine.

A présent, en route ! Notre voyage promet d’être passionnant et commence dès les premières années du siècle dernier.

1- Jean Guitton, Igor et Grichka Bogdanov, Dieu et la science, Grasset, 1991.

2- In Science, 15 août 1997, p. 890.

3- E-mail de John Mather aux auteurs le 3 mars 2010.

4- Courrier de George Smoot aux auteurs le 14 mars 2010.

5- In http://www.wcg.org/lit/booklets/science/debate1a.htm

6- E-mail de George Smoot aux auteurs le 14 mars 2010.

7- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

8- Stephen Hawking, A Brief History of Time, Bantam Books, 1988, Flammarion, 1989.

9- Entretien avec Stuart Gannes, Fortune, 13 octobre 1986.

10- Propos recueillis par E. Salaman, « A Talk With Einstein », The Listener 54 (1955).

11- Stephen Hawking, op. cit.

12- Freeman Dyson, Infinite in All Directions, Harper & Row, New York, 1988.

13- In Fred Heeren, http://www.wcg.org/lit/booklets/science/debate1a.htm

14- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

15- Ibid.

16- In http://www.brainyquote.com/quotes/authors/m/max_ planck.html

17- In American Scientist, vol 73.

18- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

2

L’Univers éternel

Quelle est donc pour vous la question la plus fondamentale, la plus profonde que vous vous soyez jamais posée ? A coup sûr, pour reprendre le mot de Max Planck, il s’agit de la plus grande énigme policière de tous les temps : Comment l’Univers a-t-il commencé ?

Aussi incroyable que cela puisse paraître, au début des années 1920, non seulement il n’existait aucune réponse mais, plus surprenant encore, personne n’imaginait même poser une telle question. Ni dans les cercles savants ni dans la rue, on n’avait la moindre idée de ce qui aurait pu ressembler à un commencement pour notre Univers. Et on ne cherchait pas à en savoir plus. Un exemple ? Un beau jour de janvier 1920, alors qu’un groupe d’académiciens était reçu au palais de l’Elysée par le président Raymond Poincaré (cousin du grand mathématicien Henri Poincaré), il glissa dans un sourire complice à l’un des astronomes qui lui offrait son dernier ouvrage : « Pourquoi donc vous essouffler à mesurer l’Univers ? Tout le monde sait qu’il est infini ! »

A vrai dire, presque tous ces savants à col cassé pensaient alors que l’Univers était immobile et éternel. Mieux encore : il y a cent ans – à peine plus qu’une vie d’homme –, ces savants astronomes étaient encore persuadés que notre galaxie, la Voie lactée, était la seule chose existant dans l’Univers. Personne ne pouvait alors imaginer qu’il y avait d’autres galaxies – d’autres voies lactées –, bien plus loin que ces nébuleuses que l’on apercevait la nuit au fond des télescopes. En somme, la Terre était au centre de l’Univers. Un Univers bien fixe, bien stable, qui n’avait ni commencement ni fin.

*

Mais était-ce vraiment certain ? Parfois, quelques érudits (presque toujours des mathématiciens) risquaient des hypothèses audacieuses, comme l’astronome allemand, Heinrich Olbers. Une nuit de 1823, en se promenant sous les étoiles, il relève un paradoxe troublant : si l’Univers est éternel et infini, alors comment se fait-il que la nuit, le ciel soit noir entre les astres ? S’il existait une infinité d’étoiles dans un ciel sans commencement, celui-ci devrait briller d’un éclat éblouissant ! Curieusement, la première réponse sera proposée un quart de siècle plus tard par un auteur de récits fantastiques et autres contes de l’étrange, l’énigmatique Edgar Allan Poe. Pour lui (comme pour l’astronome Arago quelques années plus tard), si le ciel nocturne est noir, c’est parce que l’Univers a un âge fini. Qu’il a connu un commencement, loin dans le passé. C’est ce qu’il écrit en toutes lettres dans Eureka, un surprenant poème en prose qu’il tient pour l’œuvre de sa vie : « La loi, que nous nommons habituellement Gravitation, existe en raison de ce que la matière a été à son origine irradiée atomiquement, dans une sphère limitée d’espace, d’une particule propre, unique, individuelle et absolue1. »

La vision est fulgurante : c’est celle du Big Bang. Mais elle s’éteint aussitôt. Et personne, ou presque, n’accorde la moindre importance à ce que racontent Poe, Olbers et Arago. De simples divagations. Pourtant, une nouvelle étape est franchie sept ans plus tard. Cette fois, celui qui entre en scène est un esprit redoutable : Bernhard Riemann. Il impose le respect. Pour beaucoup, il est le plus grand mathématicien du XIXe siècle, et l’un des plus grands tout court. En 1854, à tout juste vingt-huit ans, il présente à l’université de Göttingen, à voix basse et mesurée, une conférence fracassante qui, sur le coup, laisse les savants présents dans la salle bouche bée. Aucun d’eux n’a compris un seul mot de ce que le mathématicien a dit. Pourtant, avec le recul, on y voit émerger, pour la première fois, une vision moderne de notre Univers. Avec à la clef des idées qui donnent le vertige. L’une d’elles est que l’Univers, s’il est muni d’une courbure constante et positive, peut être représenté par une sphère à trois dimensions. Une « hypersphère », comme le dit Riemann. Nous sommes ici à l’origine lointaine – mais certaine – de l’Univers sphérique d’Einstein, à la fois fini et illimité. Nous reviendrons bien sûr plus loin sur cette idée prophétique, qui débouche sur d’insondables richesses.

La seconde idée de Riemann, plus fugace mais d’une saisissante force, se résume à quelques mots, prononcés par lui en dehors de la conférence : le rayon de cette sphère est fixe. Mais, ajoute-t-il à l’adresse de l’un de ses interlocuteurs, on peut admettre qu’il varie avec le temps sans remettre en cause le moins du monde le modèle de la sphère !

C’est la toute première fois, dans la nuit du XIXe siècle, que va apparaître l’idée d’une possible expansion de notre Univers.

*

Mais l’hallucinante vision passe comme une étoile qui file en pleine nuit avant de disparaître. Elle est née bien trop tôt pour avoir le moindre retentissement. Et pourtant ! A nouveau, l’histoire a bien failli basculer en 1912. Cette année-là, à l’observatoire Lowell en Arizona, un astronome américain, Vesto Slipher (qui ne s’éteint qu’en 1969, à presque cent ans), achève une étude de trois ans à la demande du fondateur et directeur de l’observatoire, sir Percival Lowell, célèbre dans le monde entier pour ses fracassantes « observations » (photos à l’appui) de canaux sur Mars. Heureusement peu intéressé par les fameux canaux, Slipher découvre – un peu par hasard – qu’une douzaine de nébuleuses s’éloignaient de la Terre à des vitesses vertigineuses, de l’ordre de un million et demi de kilomètres à l’heure. L’affaire est extravagante. Pourrait-il se tromper quelque part ? Toujours est-il qu’en 1914, après avoir beaucoup hésité, il se décide finalement à présenter son étrange trouvaille à ses collègues de la Société Américaine d’Astronomie. Les sourcils froncés, ces derniers sont terriblement sceptiques. Une fois l’exposé terminé, un silence embarrassé retombe sur l’auditoire. Puis quelques applaudissements clairsemés s’envolent çà et là dans la pièce. C’est tout. Pas un des astronomes n’a saisi la formidable portée de la découverte de Slipher. Personne, sauf un jeune homme, à la forte carrure, isolé au fond de l’amphithéâtre. Profitant du brouhaha, il rassemble à la hâte ses papiers et, sans attendre son reste, quitte la salle. « Qui est-ce ? » demande distraitement le secrétaire général de la société savante. « Un étudiant, répond le préposé aux inscriptions. Un certain Edwin Hubble ! Pressé comme il est de partir, je pense qu’il n’ira pas bien loin ! » Aucun des astronomes présents ce jour-là ne se doute alors qu’ils viennent de vivre un moment historique : la toute première observation de l’expansion de l’Univers ! Mais là encore, comme pour le cosmos sphérique de Riemann, la chose arrive trop tôt. Et la voilà bientôt rangée parmi les innombrables « curiosités » qui jonchent les laboratoires du monde entier. Il y a bien une dernière alerte en 1917, lorsque l’astronome Hollandais Willem de Sitter risque timidement l’idée que, au vu des équations, rien n’interdit, après tout, que l’Univers soit en expansion. Mais sans prendre de gants, Einstein lui écrit : « Cette circonstance d’une expansion m’irrite ! » Et pour faire bonne mesure, il ajoute dans une deuxième lettre : « Admettre de telles possibilités semble insensé ! »

Finalement, lorsqu’au début des années 1920, on se risque à demander si l’idée d’un Univers changeant de rayon a des chances d’être vraie, les astronomes haussent mollement les épaules : quelqu’un a-t-il vu un jour varier la distance entre les nébuleuses ? Et ce n’est pas Albert Einstein (aux yeux de tous le plus grand homme de science de l’époque) qui va les contredire, bien au contraire.

Voilà qu’en décembre 1922, il obtient la récompense suprême, le prix Nobel de physique au titre de l’année 1921 (malheureusement en voyage, il ne pourra pas assister à la cérémonie du 10 décembre au soir). Désormais, chacune de ses paroles compte double. Or, le père de la relativité en est fermement convaincu, l’Univers est totalement fixe ! Pourquoi cette certitude inébranlable ? Remontons en 1917. Cette année-là, le grand savant s’était posé une question très inhabituelle : quelle est la forme de l’Univers ? A quoi ressemble-t-il ? Après un an de calculs acharnés et des centaines d’équations, la réponse était tombée : « Si la matière est distribuée uniformément, alors l’Univers est nécessairement sphérique2. » Or pour Einstein, les calculs sont formels : il est impensable que le rayon de cette sphère se mette à grandir (ou à rapetisser). C’est pourquoi l’Univers ne bouge pas, existe depuis toujours et pour l’éternité. Et Einstein ne tient à aucun prix à voir surgir du fond de ses calculs, avec cette idée farfelue de commencement, quelque chose qui pourrait plus ou moins ressembler au « visage de Dieu ».

*

Pourtant, isolés au fin fond de quelques laboratoires, une poignée d’astronomes se risquent tout de même à penser le contraire (sans jamais oser le dire tout haut). Après tout, pourquoi l’Univers ne pourrait-il pas être comme tout ce qu’on observe dans la nature ? Les fleurs, les animaux et même les étoiles ont bien un début et une fin. Alors pourquoi pas le cosmos lui-même ?

A la tête de ces dissidents anonymes de la première heure, il y a un jeune mathématicien et météorologue russe. Soulevé par le torrent révolutionnaire de 1905, un bandeau rouge sur le front, cet étudiant surdoué faisait le coup de feu sur les barricades contre les forces impériales. Mais heureusement, quinze ans plus tard, la baïonnette a été remplacée par le stylo à plume. Notre homme s’apprête à lancer une autre révolution, sans doute l’une des plus importantes dans l’histoire de la pensée depuis Copernic : celle qui, à grands coups de calculs, va mettre fin à l’éternité de l’Univers.

1- Edgar Poe, Eureka, Editions Tristram, 2007.

2- Albert Einstein, La Théorie de la relativité restreinte et générale, Dunod, 2000.

3

La fin de l’éternité

Tout commence au fin fond de la Russie des Tsars, à Saint-Pétersbourg. C’est le début du XXe siècle et celui qui, un jour, va bouleverser de fond en comble notre vision du monde – et notre idée de la création – s’appelle Alexander Friedmann.

Curieusement, il ne semble exister en tout et pour tout qu’une seule photo de lui, reproduite aujourd’hui dans le monde entier à l’identique. Une bizarrerie qui ajoute encore à la légende du personnage. Son père est danseur de ballet et sa mère pianiste. A l’école, cet enfant rêveur, que tout destinait à la vie d’artiste, a toutefois révélé très tôt un don sans pareil pour les calculs, résolvant en quelques minutes (et le plus souvent debout au tableau) les problèmes les plus compliqués. Alors qu’il est encore un tout jeune homme, hormis le latin et le grec, il jongle déjà couramment avec l’allemand, l’anglais et le français (ce qui lui permet de dévorer dans le texte tous les articles qui passent à sa portée). On raconte qu’après avoir reçu la médaille d’or du collège, il a gentiment remercié le directeur avec ces mots venus d’on ne sait où : « Dieu apprend aux enfants. »

D’ordinaire timide et effacé, il se transforme soudain et ne recule devant rien ni personne dès qu’il est question de mathématiques. A dix-sept ans à peine, avec un de ses camarades de classe, il soumet au grand mathématicien Hilbert – qui pourtant, depuis son bastion de Heidelberg, fait trembler le monde entier – un article portant sur les « nombres de Bernoulli », sujet obscur et compliqué. Chose incroyable, qui laisse ses professeurs sans voix : l’article est accepté par Hilbert, et publié en 1906 dans les Annales de mathématiques, un journal réputé imprenable ! L’entrée à l’Université d’Etat de Saint-Pétersbourg en août 1906 est pour lui une simple formalité et, dès 1907, le voilà dans le séminaire du célèbre physicien allemand Paul Ehrenfest. Qui est-ce ? Comme le dira Einstein (son confident à partir de 1911), c’est l’un des plus brillants pédagogues que la physique ait jamais connu. Il faut dire que son maître n’est pas n’importe qui. C’est même l’une des plus grandes figures dans l’histoire de la physique : Ludwig Boltzmann. En 1884, ce Viennois (né un jour de mardi gras) réalise un tour de force en formalisant l’étonnante « loi du corps noir ». Etrangement, quatre-vingts ans plus tard, Wilson et Penzias retrouveront cette loi dans l’écho du Big Bang. C’est encore lui qui a découvert ce que Einstein appelait « la plus importante équation de la science », en fait une véritable clef qui, vous le verrez plus loin, contient l’un des secrets les plus brûlants de notre Univers. Tout cela, Ehrenfest l’a appris de Boltzmann et voilà qu’à son tour, il le retransmet à Friedmann. Après les cours, on a tous les soirs des discussions à n’en plus finir – parfois orageuses – sur cette science merveilleuse que Boltzmann a construite, la « mécanique statistique ». On parle aussi d’une théorie toute jeune mais qui déjà commence à faire du bruit : la relativité restreinte. Et peu à peu, sans qu’il le sache, tout cela va permettre à Friedmann d’être le premier à entrevoir, quinze ans plus tard, le feu du Big Bang au cœur des ténèbres.

*

Nous voici à présent en 1922. A l’abri derrière sa barbe taillée de près et ses lunettes cerclées, le camarade Friedmann est devenu malgré lui un fonctionnaire zélé du régime soviétique, courant du matin au soir entre l’université de Petrograd, l’Institut Aéronautique, l’Académie navale et l’Observatoire de Géophysique. Partout il donne des cours, anime des séminaires ou poursuit des recherches sur le terrain. Ses étudiants ? Il les trouve tous « meilleurs que du temps des Tsars ». En particulier l’un d’entre eux, un jeune blond à lunettes, très turbulent, toujours à l’affût d’une plaisanterie grinçante sous sa tignasse. Mais après les cours, il venait faire le siège de Friedmann pour lui poser mille questions. Il s’appelle George Gamow. Il ne s’en doute pas, mais tout comme son mentor, il va lui aussi devenir l’un des héros de la grande épopée du Big Bang. L’un des personnages hauts en couleur que nous retrouverons plus tard dans ce livre.

Pour l’heure, Friedmann passe ses rares moments de répit à lire des articles venant de l’étranger. Il se remet lentement des années de guerre qu’il a passées sur le front russe, à bord d’un avion en tant qu’expert en bombardements.

*

Or pour lui, cette année 1922 n’est pas comme les autres. D’abord, c’est le moment où il publie son mémoire de maîtrise (neuf ans après la soutenance). Comme toujours, un événement inoubliable. Mais il y a autre chose. Il vient de découvrir une théorie nouvelle, encore inconnue en Russie. Bourrée de calculs et d’idées plus déconcertantes les unes que les autres, sa lecture le tient en haleine du matin au soir. L’auteur ? Un physicien allemand, dont il se rappelle vaguement le nom, évoqué par Ehrenfest quinze ans plus tôt à l’université : Albert Einstein. Chaque jour, il avance avec un zèle inépuisable dans un dédale de formules étranges, totalement incompréhensibles pour ses collègues de bureau qui se risquent parfois à jeter un coup d’œil par-dessus son épaule. Peu à peu, il commence à savourer la fantastique puissance de cette construction physique – la relativité générale – qui englobe tout l’Univers.

Pourtant, depuis quelque temps, un détail le tracasse. Quelque chose ne va pas dans la solution qu’Einstein a donnée de ses propres équations. Car ce dernier y a ajouté artificiellement, à la main, un terme supplémentaire auquel il a donné un nom insolite : la« constante cosmologique ». Et dès le premier coup d’œil sérieux, Friedmann est saisi d’effroi. Car ce terme en apparence inoffensif a des conséquences incalculables : il force l’Univers – du moins sa représentation – à rester immobile. Figé pour l’éternité. Or, comme il va bientôt le répéter chaque jour avec un rire pincé, c’est aussi impossible que de faire tenir un crayon en équilibre sur sa pointe ! De plus en plus ébranlé, le mathématicien russe découvre que l’Univers d’Einstein n’est autre qu’une sphère à trois dimensions dont le rayon est à tout jamais bloqué par cette désolante constante cosmologique.

Décidément, tout ça ne plaît pas à Friedmann. Il va donc s’atteler à une rude tâche : tirer une solution exacte des fascinantes équations de la relativité. Les calculs sont horriblement compliqués, mais à force de nuits blanches, de discussions enflammées avec Youri Krutkov (le confident de toujours), il finit par trouver quelque chose. Des conclusions franchement ahurissantes, qu’il rassemble d’abord dans un article (publié en juin 1922 dans Zeitschrift für Physik, la revue la plus lue à l’époque) puis dans son unique ouvrage, L’Univers comme Espace et Temps, publié en 1923. Un beau titre, qui en dit long sur la formidable vision de son auteur. Littéralement médusés, ses rares lecteurs de l’époque y découvrent, entre autres, cet énoncé qui frise la provocation : l’Univers a connu un commencement, des milliards d’années dans le passé. Pire encore : à cet instant originel, il était contracté « en un point (de volume nul) puis, à partir de ce point, il avait augmenté de rayon1 ».

*

Un point de volume nul à l’origine du cosmos ! Un vulgaire point sans épaisseur, sans dimension. La chose paraît grotesque. Complètement folle. Comment imaginer que des milliards d’années en arrière, une « explosion » à partir de rien puisse être à la source de tout ? Comment croire un seul instant que l’Univers, avec ses milliards d’étoiles et de constellations, ait pu commencer dans un point ? C’en est trop ! Le cheveu en bataille, Einstein s’empresse de chiffonner (et même, selon des témoins de la scène, de piétiner à grands coups de talon) l’article pourtant prophétique que le jeune savant russe avait eu la mauvaise idée de publier (qui plus est dans « sa » revue) ! Mais il n’en reste pas là. Toujours très remonté, il envoie à la rédaction de Zeitschrift für Physik une courte note (jugée très acerbe par Vladimir Fock, un autre élève de Friedmann) dans laquelle il signale : « Les résultats concernant l’Univers non-stationnaire contenus dans le travail de Friedmann m’apparaissent très suspects. En réalité, il s’avère que la solution proposée ne satisfait pas les équations du champ. »

Pour Friedmann, le coup est terrible. Il lui écrit à plusieurs reprises, lui fait passer des messages, le prie de le rencontrer, en vain. Le jeune savant russe ne le sait pas encore, mais jamais il ne se trouvera face à face avec cet homme qu’il admire plus que tout au monde. Tout semble perdu. Ce n’est qu’un an plus tard, en mai 1923, qu’une lueur d’espoir apparaît. Car le physicien Youri Krutkov, l’ami devenu émissaire de Friedmann, se débrouille pour rencontrer Einstein à Leiden, où ils vont assister ensemble à l’émouvant discours d’adieu du légendaire physicien Hendrik Lorentz (deuxième prix Nobel de l’histoire, en 1902, et père de la fameuse « métrique de Lorentz » à la base de l’espace-temps). Peu après la cérémonie, voilà qu’ils se retrouvent au domicile du physicien Paul Ehrenfest (qui, on s’en souvient, avait été avant 1910 l’un des professeurs préférés de Friedmann à Saint-Pétersbourg). Après des heures de discussions acharnées, avec l’aide de l’influent Ehrenfest, Einstein finit par céder et reconnaît le bien-fondé des « curieuses » conclusions de son contradicteur. Le 18 mai, Krutkov, débordant de joie, écrit à sa sœur : « J’ai terrassé Einstein dans la dispute avec Friedmann. L’honneur de Saint-Pétersbourg est sauf 2 ! »

Mais quand bien même ! Les calculs du savant russe ont beau conduire logiquement à un Univers en expansion, dans son for intérieur, le père de la relativité reste encore persuadé que tout cela n’est qu’un tas d’élucubrations sans le moindre sens physique.

Pourtant, Friedmann avait bel et bien élaboré une nouvelle vision de l’Univers, riche d’une révolution comparable à celle de Copernic. Il disparaît le 16 septembre 1925, à trente-sept ans à peine, brutalement arraché aux siens (en particulier à un fils qu’il ne connaîtra jamais) par une mauvaise fièvre. En effet, peu de temps avant, par un beau jour d’été, il s’était envolé pour une ascension très dangereuse en ballon stratosphérique, sans oxygène, sans protection, montant à plus de 7 400 mètres d’altitude. Un record. Mais l’air glacé à - 50 siffle dans ses poumons et le tue un peu plus à chaque bouffée. Il ne s’en remettra pas.

Le flambeau allait passer à une nouvelle génération.

1- In A. Friedmann et G. Lemaître, Essais de cosmologie, traduction de J.P. Luminet et A. Grib, Le Seuil, 1997.

2- Cité par Alan Guth in Albert Einstein and the Friedmann Equations, openpdf.com/ebook/alan-guth-pdf.html

4

L’atome primitif

Nous voici en 1927. Cinq ans ont passé depuis le spectaculaire affrontement entre Einstein et Friedmann. C’est à présent au tour d’un jeune chanoine belge, l’abbé Lemaître, d’entrer en scène. Lui aussi a eu du mal à se remettre des horreurs de la grande guerre, où son courage lui a valu d’être décoré de la croix de guerre avec palmes. La paix de l’âme, il la trouve dans la religion où il s’engage. Et celle de l’esprit dans les hautes mathématiques.

En 1920, il entame à l’université de Louvain une ambitieuse thèse de doctorat sur la fonction zêta de Riemann. Une clef pour percer l’un des nombreux mystères des nombres premiers. Mais le sujet est atrocement compliqué. Placé en 1900 sur la liste des fameux « problèmes de Hilbert », on le retrouve encore aujourd’hui sur celle des « problèmes du Millénaire » de la Fondation Clay en mathématiques. Faut-il alors s’en étonner ? Malgré des efforts acharnés, Lemaître n’arrive à rien. Ses calculs l’obsèdent, l’empêchent de manger (et parfois même de prier) mais en vain : la solution lui échappe. La mort dans l’âme, il renonce et choisit un nouveau sujet : L’Approximation des fonctions de plusieurs variables réelles. A lui seul, le titre (bien loin des sermons) en dit long sur le goût du futur chanoine pour le calcul algébrique. Et cette fois c’est le succès : le voilà en 1920 docteur de l’université de Louvain. Le deuxième pas est franchi en 1923 avec son ordination : à partir de cette date, entré dans la Fraternité sacerdotale des amis de Jésus, il ne quittera plus sa soutane.

*

Nous arrivons donc à la fameuse année 1927. Après être passé par la mythique université de Cambridge (dans le laboratoire de Physique du Soleil où il travaille avec Eddington, célèbre dans le monde entier pour avoir « prouvé » par l’observation la relativité d’Einstein), le jeune abbé s’embarque pour le MIT1 en Amérique où il s’est mis en tête de passer une deuxième thèse de doctorat, cette fois en physique. C’est chose faite en 1926. Le sujet ? le calcul du champ gravitationnel d’une sphère fluide de densité homogène. On est déjà tout près de son fameux modèle d’Univers sphérique en expansion. Mais il manque encore certaines pièces. Où les trouver ? Dans ce splendide édifice intellectuel dont tout le monde parle et qui fascine le jeune abbé : la relativité générale.

*

Moins porté vers les mathématiques abstraites que son génial devancier Friedmann, mais plus intuitif quant aux aspects physiques, le savant en soutane se lance alors à corps perdu dans les calculs. Bientôt, des centaines de feuilles couvertes de symboles illisibles s’entassent dans son bureau. Et finalement, un beau matin, il parvient à extraire la solution tant espérée. Aussitôt, il la publie dans les Annales de la Société scientifique de Bruxelles. Il n’a jamais lu une seule ligne de ce qu’a écrit Friedmann cinq ans plus tôt, pourtant, il parvient aux mêmes conclusions que lui : l’Univers n’est pas – ne peut pas – être fixe. Chaque fois qu’il en a l’occasion, il prend à part l’évêque de Louvain, un prélat au sourire flottant, partagé entre incrédulité et émerveillement, et lui confie à voix basse : « Le cosmos est soumis à une formidable expansion qui le propulse vers l’infini. »

Mais il lui reste encore une chose à faire, une chose difficile : convaincre Einstein. L’occasion rêvée ? Le fameux Congrès Solvay, un sommet mondial qui, depuis 1911, réunit tous les trois ans à Bruxelles la fine fleur de la physique. Cette année 1927, pour la cinquième conférence consacrée, à l’initiative de Niels Bohr, à la théorie quantique, plus de la moitié des participants ont été ou seront lauréats du prix Nobel. Et bien sûr Einstein sera de la partie. Lemaître s’arrange donc pour se faufiler dans la prestigieuse assemblée et finit par rencontrer Einstein. Mais hélas, d’ordinaire affable et souriant, celui-ci a sa mine des mauvais jours. Très agacé par les explications du jeune prêtre, il finit par le couper d’une voix sèche : « Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable ! »

Tout comme Friedmann par le passé, Lemaître est comme assommé. Pourquoi abominable ? La réponse n’est pas difficile à imaginer : après l’agaçant Friedmann, voilà qu’à son tour un autre mathématicien (prêtre par-dessus le marché) soutient cette idée – décidément très dérangeante – que l’Univers n’est pas éternel. Or, Einstein le sait mieux que personne : si la théorie défendue par Lemaître est correcte, alors l’Univers doit avoir un commencement, loin dans le passé. Et dans ce cas, ce n’est pas seulement la matière qui jaillit du néant, mais l’espace et le temps eux-mêmes ! De quoi faire frémir Einstein. Mais heureusement, jusqu’alors aucune observation n’a jamais montré que le cosmos n’est pas fixe. Les idées folles de Friedmann et Lemaître sont donc à ranger parmi les curiosités mathématiques sans rapport avec la réalité.

Mais plus pour longtemps.

Très loin de là, en Amérique, un astronome fouille le ciel sans répit. Nuit après nuit. Et il va finir par faire une découverte fracassante, à laquelle il a du mal à croire lui-même. Pourtant, pas d’erreur possible : ce qu’il observe existe bel et bien et va brutalement faire voler en éclats toutes les anciennes croyances. Et, pour la première fois, faire déboucher l’humanité sur le plus grand mystère de l’Univers.

1- MIT : Massachusetts Institute of Technology.

5

Le plus grand mystère de l’Univers

Nous sommes en janvier 1929 dans la chaîne de montagnes de San Gabriel, en Californie. Il fait très froid à cette altitude, presque autant que quarante ans plus tôt, durant le terrible hiver de 1889. Depuis quelques jours, le poêle au fond du petit bureau s’essouffle à lutter contre une tempête qui fait rage derrière les fenêtres. Mais tout cela n’empêche pas un grand gaillard assis dans un fauteuil en bois de noircir son carnet pendant des heures chaque jour.

Deux ans ont passé depuis l’entrevue orageuse entre Einstein et Lemaître. Chacun campe sur ses positions. Entre-temps, l’Amérique puis derrière elle le reste du monde ont lentement sombré dans la plus terrible crise de l’Histoire. Mais tout cela ne trouble nullement l’astronome américain Edwin Hubble. Perché depuis des années dans son observatoire du mont Wilson, à plus de 1 700 mètres d’altitude, il n’a qu’une seule chose en tête : s’assurer que ce qu’il observe depuis quelque temps au fond du ciel est bel et bien vrai. Et terminer l’article qu’il se prépare à publier dans les comptes rendus de l’Académie des sciences.

*

Avant les années 1910, ce jeune homme sportif et élégant n’avait encore qu’une idée très floue de ce qu’il allait faire de sa vie. L’astronomie ? Il n’en a pratiquement jamais entendu parler. Ou de très loin, à travers des romans d’anticipation, comme ceux de Jules Verne ou de Henry Rider Haggard. Pour l’instant, il partage ses heures creuses entre la boxe, qu’il aime bien, le saut en hauteur (dont il pulvérise le record dans l’Etat de l’Illinois) et le basket-ball, dont il ne raterait pour rien au monde les matchs disputés avec ses copains de l’université de Chicago. Puis – premier signe de ses qualités intellectuelles – il gagne une bourse pour Oxford, la prestigieuse université qui fait rêver tous les jeunes Américains de la haute société. Va-t-il y étudier l’astronomie ? Non. Comme il se doit (notamment par rapport à son père), ce sera le droit. Puis l’espagnol. Trois ans plus tard, il retourne en Amérique avec sa maîtrise en poche. Il en ramène aussi des manières un peu hautaines et une façon très british de s’habiller qui ont souvent mis ses collègues américains au comble de l’agacement. Mais pour l’heure, le voilà installé comme avocat à Louisville, au fond du Kentucky. Il aurait pu y couler une existence morne et paisible (ce qui aurait bien sûr bouleversé de fond en comble l’histoire de l’astronomie et, dans le sillage, la vôtre). Mais entre les dossiers entassés en pile sur ses étagères et des clients jamais satisfaits au bord de la crise de nerfs, il ne lui faut pas longtemps pour réaliser qu’il n’est pas fait pour être conseiller juridique. « Je n’en peux plus ! » confie-t-il à l’un de ses anciens camarades d’université. Il faut dire que, depuis quelque temps, il s’est pris de passion pour le ciel nocturne, qu’il s’est mis à observer avec de simples jumelles. Pour comprendre ce qu’il voit, il commence alors à lire tous les traités d’astronomie qui lui tombent sous la main. Et bientôt, c’est la révélation : il sera astronome ou rien ! Quatre ans plus tard, il monte sur la plus haute marche du podium et devient docteur en astronomie de l’université de Chicago.

A partir de là, tout s’accélère.

*

Au début des années 1920, il débarque en Californie et grimpe sans même reprendre son souffle jusqu’au fabuleux observatoire du mont Wilson. C’est là que, dès le premier jour, il rencontre un personnage hors du commun, qui tout au long des décennies va lui apporter une aide inestimable. De qui s’agit-il ? D’un certain Milton Humason. Un drôle de phénomène celui-là ! Il a abandonné l’école à quatorze ans. Souvent, au début du XXe siècle, il allait faire un tour là-haut, au mont Wilson, à dos de mulet. Au moment de la reconstruction de l’observatoire, le voilà donc engagé comme muletier et garçon à tout faire. Pendant des années, il s’échine à transporter des poutres et d’énormes blocs de pierre, épuisant des forces que, le soir venu, il n’arrive plus à trouver au fond de ses reins. Heureusement en 1917, fini les transports à dos de mulet : il est nommé concierge et gardien de l’observatoire. Pour autant, il ne rechigne pas à la tâche et le plus souvent, les astronomes le retrouvent au ras du sol, appliqué avec la plus grande énergie, comme si sa vie en dépendait, à frotter et astiquer le plancher. Mais un jour, lui vient une idée. Pourquoi ne deviendrait-il pas veilleur de nuit de l’observatoire ? Contre toute attente, le directeur accepte. A partir de là, tout va basculer pour lui. Car de veilleur de nuit, voilà qu’il est bientôt nommé assistant nocturne des astronomes ! Désormais, c’est lui qui prépare les plaques photographiques, met au point les instruments et surtout, responsabilité suprême, qui règle l’immense lunette du télescope, à l’époque le plus grand du monde avec ses deux mètres cinquante-quatre d’ouverture. Pour lui, le moment où la grande coupole s’ouvre est unique au monde. Presque un instant religieux. Chaque jour, il attend la nuit avec impatience et s’y prépare minutieusement. A présent, les charges et les mulets sont bien loin, presque irréels. Dès qu’il a un moment de libre, il se précipite à la bibliothèque pour y dévorer tous les ouvrages d’astronomie qui lui tombent sous la main. Peu à peu, jour après jour, il apprend, s’informe, approfondit ses connaissances. A tel point que ceux qui l’ont rencontré autrefois ont maintenant le plus grand mal à le reconnaître. La plupart du temps, l’ancien muletier en sait beaucoup plus qu’eux !

Toujours de bonne humeur, toujours prêt à rendre service, mais en même temps redoutablement habile et précis (c’était un opérateur hors pair), il devient bientôt le compagnon de travail incontournable de tout l’observatoire. Et en 1919, c’est l’incroyable consécration : au terme d’une cérémonie solennelle dont seule l’Amérique a le secret, le directeur de l’observatoire George Ellery Hale nomme Milton Lasell Humason astronome titulaire à l’observatoire du mont Wilson, le plus grand du monde. A cet instant qui pour lui dure une éternité, tous les astronomes autour de lui sont figés d’admiration. Car c’est du jamais vu. Le simple muletier, sans études et bien sûr sans le moindre doctorat, est devenu astronome. Cela ne s’est plus jamais reproduit. La connaissance prend parfois des chemins bien étranges mais jamais au hasard : elle choisit ceux par qui elle aura le plus de chances de passer. Qu’aurait fait Hubble sans lui ? Difficile à dire. En tout cas, Humason va jouer un rôle capital dans la découverte du Big Bang.

*

Lorsqu’il arrive au mont Wilson, Edwin Hubble se met très vite au travail, avec l’aide attentive de Humason. Et dès 1924, à l’âge de trente-trois ans à peine, il fait une première découverte révolutionnaire. Jusqu’alors, l’idée qu’on se faisait de l’Univers était des plus simples, pour ne pas dire naïve. L’Univers ? Il se réduisait à la Voie lactée, voilà tout ! Il ne pouvait exister en tout et pour tout qu’une seule galaxie – la nôtre – et rien d’autre. Or, coup de tonnerre : les observations de Hubble et Humason montrent, sans contestation possible, que l’Univers n’est pas fait d’une seule galaxie mais de millions (peut-être même de milliards) d’autres. Lorsque la découverte est officiellement annoncée, au matin du 1er janvier 1925 (comme en signe de bons vœux), le monde entier est abasourdi. Le cosmos est donc plus grand, bien plus immense que tout ce que l’on croyait jusqu’alors.

Mais en cette année 1929, Hubble tient quelque chose d’encore plus bouleversant. Car il n’a rien oublié, pas une seule miette, de ce qui s’est passé quinze ans plus tôt avec Slipher à la Société Américaine d’Astronomie. Bien souvent, l’image de ces nébuleuses filant en trombe dans la nuit cosmique était passée et repassée dans sa tête. Et puis, un an plus tôt, il avait rencontré Willem de Sitter durant un congrès en Hollande. Et il avait été très ébranlé par son modèle d’Univers en mouvement. Le moment était donc venu de faire la lumière sur cette histoire d’expansion.

Grâce à son fabuleux télescope géant, nuit après nuit, lui et Humason se mettent à accumuler les observations. Les clichés. Les calculs. Hubble s’occupe de mesurer les distances tandis que Humason s’éreinte à déceler le mouvement des nébuleuses. Et finalement harassés, les yeux rougis par le manque de sommeil, ils finissent par mettre à jour le phénomène. Quelque chose d’incroyable, auquel personne ne s’attendait. Mais les extraordinaires images spectrales sont sans appel : loin d’être fixes comme on le pensait, les galaxies se déplacent les unes par rapport aux autres à des vitesses vertigineuses. Qu’est-ce que cela peut bien vouloir dire ? Quelque chose d’inouï, que les physiciens comprennent vite : ce ne sont pas les galaxies mais l’Univers lui-même, l’Univers tout entier qui est en fuite ! En expansion ! Et d’un seul coup, tout bascule. La toute nouvelle loi de Hubble et Humason apporte la preuve tant attendue que, contrairement à ce que l’on croyait observer jusque-là, l’Univers n’est pas fixe. Qu’il ne l’a jamais été et ne le sera jamais. Qu’à chaque instant, il se dilate, s’étire vers l’infini.

*

Pour la première fois, une observation venait donc confirmer l’idée que l’Univers avait peut-être eu un commencement. Et que Friedmann avait eu raison. Il n’en fallait pas davantage pour que Lemaître chasse de sa tête le souvenir de sa mauvaise rencontre avec Einstein. Désormais, ses idées se déploient avec hardiesse, et, en 1931, de nombreux lecteurs en Europe comme en Amérique les découvrent d’abord dans la prestigieuse revue Nature puis dans son livre Hypothèse de l’atome primitif : « L’évolution du monde peut être comparée à un feu d’artifice qui vient de se terminer. Quelques mèches rouges, cendres et fumées. Debout sur une escarbille mieux refroidie, nous voyons s’éteindre doucement les soleils et cherchons à reconstituer l’éclat disparu de la formation des mondes1. »

Qu’en pense Einstein ? L’incroyable découverte de Hubble le plonge dans une grande perplexité. Mais au fond, il est encore si peu convaincu que, pendant deux ans, il continue d’enseigner à Berlin son modèle d’Univers statique. Jusqu’à ce qu’il décide d’en avoir le cœur net. En 1931, il accepte l’invitation de Hubble et va lui rendre visite au mont Wilson, dans cet observatoire devenu du jour au lendemain célèbre dans le monde entier. Et sur place, tous les astronomes – Hubble et Humason en tête – le confirment : l’Univers est bel et bien en train de grandir à chaque seconde !

C’est le coup de grâce. Il ne reste plus qu’à donner raison à Friedmann : « Friedmann fut le premier à débuter dans cette voie », concède Einstein avec un début d’admiration qui ne cessera de croître au fil des années. Quant au travail de Lemaître, « c’est l’explication de la création la plus belle et la plus satisfaisante que j’aie jamais vue ! ». A partir de là, difficile de retirer le doigt de l’engrenage. Et d’échapper à l’inévitable conclusion : l’espace, le temps et la matière auraient bel et bien connu en même temps un commencement ! Sans le vouloir, voilà qu’Einstein emboîte donc le pas de l’un des pères de l’Eglise chrétienne, le vénérable saint Augustin. Né dans la basse Antiquité, en 354, ce penseur devenu évêque d’Hippone vers la fin du IVe siècle a eu l’extraordinaire intuition d’écrire un jour, au tout début de la longue nuit du Moyen Age : « L’Univers n’est pas né dans le temps mais avec le temps. » Exactement ce que dira Einstein 1500 ans plus tard. D’où cette idée encore fermement ancrée que, s’il existe une ère avant la création de l’espace, du temps et de la matière – une ère avant le Big Bang –, celle-ci ne relève plus de la science mais plutôt de la quête métaphysique (voire mystique).

*

C’est ici que nous rencontrons un nouveau héros de cette passionnante aventure du Big Bang. Il s’agit – et ce n’est pas un hasard – de cet élève de Friedmann, ce Russe enthousiaste, parfois même moqueur, dont nous vous avons déjà parlé : George Gamow. Très influencé par son illustre mentor, il a été le premier à parler ouvertement à qui voulait l’entendre (ses collègues aussi bien que sa concierge) non seulement du Big Bang, mais aussi de ce qu’il y avait avant. En 1944, dans son petit livre La Création de l’Univers, il propose justement d’appeler cette ère mystérieuse « l’ère de saint Augustin » : « On ne peut rien dire de l’ère prématérielle de l’Univers, cette ère que, d’une manière appropriée, on peut appeler l’ère de saint Augustin. » Une bonne façon de montrer que ce qui a pu se passer avant le début est un mystère total, qui n’appartient qu’à Dieu. Et en attendant, il publie en 1948 deux articles qui feront date et en supervise un troisième (signé par deux de ses élèves, Ralph Alpher et Robert Herman). Que peut-on y lire ? Pour la première fois, que l’explosion initiale qui a probablement donné naissance à l’Univers a forcément laissé des traces. Un rayonnement à très basse température (quelques degrés au-dessus du zéro absolu) qui, comme une sorte d’écho de la phase brûlante des débuts, doit baigner tout l’Univers.

Sans qu’ils s’en rendent vraiment compte sur le moment, Gamow, Alpher et Herman viennent donc d’apporter la pièce décisive qui manquait au tableau : le rayonnement fossile. Pourtant, Gamow le pressent, c’est là, au cœur de la toute première lumière de l’Univers, que se cache le secret ultime. Celui de la Création.

1- Edwin Hubble, Hypothèse de l’atome primitif, éditions Culture et civilisation, Bruxelles, 1972.

6

Et la lumière fut

L’homme s’approcha du bureau derrière lequel quelqu’un était déjà assis. Il toussota pour attirer son attention.

— Heu… Puis-je m’asseoir ?

L’autre fit un geste vague sans relever la tête des papiers sur lesquels il était en train de griffonner d’une écriture compliquée.

— Alors Ralph, fit-il d’une voix aimable, où en es-tu ?

Ralph rajusta ses lunettes et s’assit tout en déplaçant sa chaise sur la droite, pour éviter le rayon de soleil qui coulait de la fenêtre. Puis il attendit que l’autre lève les yeux vers lui pour répondre :

— J’ai terminé la nouvelle version de l’article. Je pense avoir montré de façon convaincante qu’il sera possible de détecter ce rayonnement datant de la préhistoire de l’Univers.

Un silence. Derrière son bureau, l’homme rangea deux ou trois enveloppes avant de lancer d’une voix où glissait comme un sourire :

— Et les calculs ? Tu sais bien qu’aujourd’hui, ils sont partout. On ne peut même plus prendre un taxi sans calculer le coût de la course !

Ralph se tassa sur son siège, vaguement mal à l’aise. C’était justement de ces calculs dont il ne voulait pas discuter. Son ancien patron de thèse l’avait toujours impressionné par la justesse de ses idées. Mais il savait très bien par ailleurs que le physicien russe s’était également inspiré, sans la moindre gêne, de ses calculs sur le début de l’Univers : en tant que directeur de thèse, George Gamow avait eu tout loisir d’en repérer les meilleures équations, de les peaufiner, puis de les inclure dans un contexte jusqu’à les rendre publiables. Ralph hésita encore avant de répondre :

— Heu… je crois avoir trouvé des arguments sérieux.

L’autre fit glisser sa large main sur le bureau.

— Des arguments ? Ce que je veux, ce sont de belles équations. Sans elles, ton papier ne vaut rien ! Tu aimes la soupe au potiron ?

Ralph savait que son patron de thèse aimait passer du coq à l’âne, glisser d’un sujet à un autre, surprendre ses interlocuteurs.

— … Moi, je ne peux l’avaler qu’avec des croûtons de pain. Si ton papier ne contient pas d’équations, c’est un peu comme une soupe au potiron sans croûtons !

Ralph sortit son mouchoir, fit semblant de se moucher, et regarda vers la fenêtre.

— Ce n’est pas si simple, répondit-il. Et tu le sais bien. Depuis quinze jours, avec Herman, on y travaille sans relâche.

Gamow haussa les épaules. Il se leva et s’assit sur le bord de son bureau.

— Allez, ne fais pas la mauvaise tête ! Si tu me donnes ton papier avant samedi, on ira fêter ça au Little Vienna. Ça va ?

Ralph ne répondit rien. L’idée du Little Vienna, un bar dont il aimait par-dessus tout l’ambiance presque familiale, lui plaisait. Autour d’un bon whisky glacé, on finissait toujours par tomber d’accord. Mais à cet instant, il ne voulait pas avouer qu’il redoutait que son ancien patron lui « emprunte » à nouveau, sans le citer, ses meilleurs pas de calculs. Lentement, il se leva sans faire de bruit. Au moment où il allait sortir, Gamow lança avec un sourire incertain :

— Ne le prends pas mal mais… je risque fort de publier mon papier avant le tien. Je ne peux pas attendre plus longtemps.

Ralph eut un mouvement de recul. Il inclina légèrement la tête, hésita un instant, puis referma la porte derrière lui.

*

Cette scène se passe au mois de juin 1948. Elle réunit deux physiciens dont les noms ont été associés à la publication, le 1er avril 1948, d’un des articles les plus célèbres en cosmologie : l’article « Alpha, Bêta, Gamma1 », nommé ainsi parce que les noms des trois auteurs, Alpher, Bethe et Gamow ressemblaient au trois lettres de l’alphabet grec. En réalité, Ralph Alpher était, peut-être, l’auteur le plus important de cet article. Nombre des idées originales concernant le phénomène de la nucléosynthèse primordiale – c’est-à-dire la création de certains noyaux atomiques durant une phase ultra-chaude de l’Univers – se retrouveraient plus tard dans sa thèse dirigée par Gamow.

Les deux hommes se connaissaient depuis le début des années 40 et avaient travaillé sur ce problème pendant des années. En fait, le grand mérite de Gamow (et non des moindres) était d’avoir eu le premier l’idée extraordinaire que la matière que nous connaissons avait été fabriquée à un moment où le cosmos était immensément chaud. Tout était parti de son idée que le scénario proposé par l’abbé Lemaître – selon lequel l’atome primitif s’était fragmenté en des morceaux de plus en plus petits – « ne tenait pas debout », comme il le répétait souvent dans un rire strident. Pour lui, c’était tout le contraire. L’hypothèse était grandiose. Mais comment la consolider ? Il fallait plonger dans les dédales de la physique nucléaire. Pas vraiment facile. Car dans ces années de guerre, presque tous les physiciens de valeur avaient été secrètement recrutés pour le projet Manhattan à Los Alamos, sous la main de fer de Robert Oppenheimer. Et si Gamow lui-même n’avait pas été réquisitionné, c’était en raison de son passé d’officier dans l’Armée rouge. Une injustice. Les haut gradés de l’armée américaine savaient-ils que « l’officier Gamow » avait pourtant tout tenté afin de fuir l’Union soviétique ? Les services secrets américains n’avaient consigné nulle part que le savant avait risqué sa vie à bord d’un minuscule kayak : accompagné de sa femme avec seulement quelques sandwichs, il avait tenté de traverser la mer Noire pour atteindre la Turquie. Une tempête faillit les engloutir avant de rejeter le frêle esquif sur les rives soviétiques. Quelques mois plus tard, à peine découragés, Gamow et sa femme tenteront à nouveau de « passer à l’ouest » à bord de leur kayak en franchissant cette fois l’océan glacial pour atteindre la Norvège. Nouvelle tentative encore plus folle. Nouvel échec. Il lui faudra attendre 1933 avant d’obtenir l’autorisation d’assister, avec son épouse également physicienne, au célèbre Congrès Solvay, à Bruxelles. Les Gamow ne retourneront jamais en Russie.

Définitivement installé en Amérique à partir de 1934, le savant russe s’était donc jeté à corps perdu dans la physique de l’Univers primordial. Peu sûr de lui en mathématiques, il avait beau se lancer dans d’interminables calculs, il piétinait. Jusqu’au jour où, en 1945, il rencontre un jeune chercheur du nom de Ralph Alpher. Un talent plus que prometteur. Dès 1937, à peine âgé de seize ans, le jeune prodige avait décroché une bourse pour le MIT, jusqu’à ce que celle-ci soit prestement annulée après qu’il ait lâché, en passant, être le fils d’un immigré juif. Pour Alpher, ce fut le choc. Les portes du MIT s’étant brutalement fermées, il dut se rabattre sur les cours du soir à l’université George Washington. Une demi-impasse. Mais c’est là que Gamow le rencontre. Et qu’il remarque presque tout de suite ses incomparables dons en mathématiques. Il décide aussitôt de le prendre en thèse pour le mettre sans plus tarder au travail sur la question épineuse de la nucléosynthèse primordiale. Pour faire bonne mesure, il lui livre en vrac tout ce qu’il a déjà trouvé. Et pendant trois ans, les deux hommes vont se livrer à des calculs acharnés, souvent jusqu’à l’aube. Pour rompre la monotonie du laboratoire, ils se retrouvent de temps en temps au Little Vienna, ce petit bar situé sur Pennsylvania Avenue. Là, après deux ou trois verres (Alpher était à moitié russe), on s’échauffe et les langues se délient : « Je suis sûr que cette fichue fournaise du début a laissé une trace ! » tonne parfois Gamow aux habitués à moitié endormis sur le bar.

Chemin faisant, les progrès d’Alpher sont foudroyants. Et en cette année 1948, il tient enfin son modèle : l’hydrogène et l’hélium n’ont pu être formés que durant les cinq premières minutes qui ont suivi le Big Bang ! Et plus jamais après. Gamow est fasciné. A ce moment-là, a-t-il aperçu quelque chose comme le visage de Dieu dans les profondeurs tourbillonnaires du tout premier nuage d’hydrogène ? Toujours est-il qu’il trace avec minutie les grandes courbes de la formation des éléments légers aux premiers instants de l’Univers. Et en invitant ses collègues à les découvrir, il leur annonce à voix grave, comme pour fixer à jamais la solennité de l’événement : « Faites silence ! Voici les courbes divines de la création. » Frappante, l’expression est restée.

*

Lorsqu’au printemps 1948, Alpher soutient sa thèse, à la grande joie de Gamow, la salle d’examen est comble. Plus de trois cents personnes, du jamais vu. Des dizaines de journalistes se bousculent, prennent des photos, griffonnent à la hâte des notes sur leurs calepins. Et le 14 avril 1948, on peut lire en couverture du Washington Post ce titre qui fait sensation dans toute l’Amérique : « L’Univers est né en cinq minutes » ! Bientôt, la nouvelle se répand dans le monde entier. Pendant quelques semaines, Alpher est la coqueluche des journaux et des stations de radio. Puis, peu à peu, la fièvre retombe, les projecteurs s’éteignent et Alpher disparaît lentement dans l’ombre envahissante de Gamow et de Bethe.

Evidemment, ce n’était pas un hasard si George Gamow s’intéressait, lui aussi, à cette question de l’origine de l’Univers. On s’en souvient, son directeur de thèse à Saint-Pétersbourg n’était autre que le génial Alexander Friedmann, le père incontesté de la théorie du Big Bang. En réalité, Gamow s’était inspiré aussi bien de son patron que de son élève : presque tout le monde s’accorde aujourd’hui à reconnaître que ses travaux doivent autant à ceux de Friedman qu’à ceux d’Alpher. Et en ce printemps 1948, comprenant tout le parti qu’il pourrait tirer des idées – et surtout des dons mathématiques – d’Alpher, il lui avait semblé « amusant » de rajouter à leur article le nom de Bethe – futur prix Nobel et célèbre dans toute l’Amérique pour son rôle décisif dans le projet Manhattan. Selon Gamow, la chose était trop tentante : créer la fameuse suite Alpha-Bêta-Gamma de l’alphabet grec ! Au grand étonnement du physicien russe, Alpher vécut assez mal cette « plaisanterie » : tout le crédit de cet article allait en effet se porter sur les deux scientifiques dont la réputation était déjà considérable, et on ne tarderait pas à oublier le rôle capital qu’il avait joué dans cette publication qui décrivait, pour la première fois dans le détail, les mécanismes de la formation des éléments lors la phase chaude de l’histoire de l’Univers.

Mais il y avait encore autre chose. Parallèlement à cette découverte de la nucléosynthèse primordiale, Ralph Alpher a été l’un des premiers, avec Peebles, à avoir eu l’intuition du rayonnement fossile : selon lui, si l’Univers avait connu, au moment de sa création, une phase très dense et très chaude, alors ce début d’une violence indescriptible avait bien dû laisser une trace quelque part. Avec son camarade Robert Herman (comme lui fils d’immigrés juifs), il va même jusqu’à calculer que cette première lumière avait dû s’arracher à la matière lorsque la température n’était plus que de 3 000 degrés, environ 300 000 ans après le Big Bang ! La prédiction est stupéfiante. Elle sera publiée le 13 novembre 1948 dans la revue Nature sous le titre « Evolution de l’Univers ». Symbole ironique des rapports quelque peu conflictuels qu’il entretenait avec son ancien patron de thèse : quinze jours plus tôt, le 30 octobre 1948, George Gamow publiera en catimini dans la même revue Nature un article dont le titre (« L’Evolution de l’Univers ») et le contenu étaient, à peu de choses près, identiques à celui d’Alpher.

Toujours est-il qu’en trois articles, l’approche moderne du Big Bang est formulée pour la première fois : l’Univers avait dû connaître une époque très chaude à ses débuts, période associée à un « rayonnement primordial » dont la température avait fortement diminué et qu’un jour, sans doute, on pourrait mettre en évidence. Grâce aux idées de Gamow et au travail acharné d’Alpher, peu à peu, les choses allaient se mettre en place.

1- Ralph Asher Alpher, Hans Bethe and George Gamow (1948), « The Origin of Chemical Elements ».

7

Vers le Big Bang

En cette année 1948, l’idée d’un Big Bang commence donc à faire de plus en plus solidement son chemin. C’est d’ailleurs l’année suivante, le 28 mars 1949, qu’apparaît le mot lui-même, durant une émission de radio sur les ondes de la BBC. Ce jour-là, l’invité principal n’est autre qu’un certain Fred Hoyle, l’un des astronomes les plus célèbres d’Angleterre. C’est lui qui, en se moquant ouvertement des « idées saugrenues » de Gamow, lâche dans le feu de la discussion une trouvaille qui fait mouche : « Big Bang ». En quelques heures à peine, le mot frappe toute l’Angleterre et, de proche en proche, gagne rapidement le monde entier.

A partir de là, comment ne pas avoir la tentation de scruter le ciel nocturne pour deviner, dans le sillage des galaxies, le visage de Dieu ? C’est ce pas que franchit avec allégresse, trois ans plus tard, le pape Pie XII en ouverture d’une conférence réunissant en 1951 prélats et cardinaux à l’Académie pontificale du Vatican : « Il semble en vérité que la science d’aujourd’hui, remontant d’un trait des millions de siècles, ait réussi à se faire le témoin de ce Fiat lux initial, de cet instant où surgit du néant avec la matière un océan de lumière et de radiations, tandis que les particules des éléments chimiques se séparaient et s’assemblaient en millions de galaxies… Ainsi, la création a eu lieu dans le temps : donc il y a un Créateur, donc Dieu existe ! »

En tout cas, c’est bien là, au cœur de cet « océan de lumière », que le chef de l’Eglise chrétienne croit deviner – il est le premier à le dire tout haut – le visage de Dieu.

*

Mais les choses ne sont pas aussi simples. Signe avant-coureur du feu qui couve, les articles pionniers de Gamow et ses élèves (contrairement à ce qu’on pourrait croire) n’ont pratiquement aucun retentissement. En ce début des années 50, les trois « agitateurs » (comme on les appelle sur les campus) ont beau multiplier les séminaires et les communications en tous genres, rien à faire : l’idée de la création « à chaud » – dans un Big Bang – de l’hydrogène et de l’hélium ne passe pas. Il faut dire que le tempérament farceur de Gamow ne joue pas en sa faveur. Ne vient-il pas de déclarer urbi et orbi que Dieu habite à 9 années-lumière de la Terre ? Résultat, ses collègues (bien plus académiques que lui) ont du mal à le prendre au sérieux. Ce qui, bien sûr, retombe sur Alpher.

Mais ce n’est pas tout : les preuves du Big Bang manquent à l’appel. Alpher et Herman changent alors de tactique. Une preuve ? Elle existait là-haut, dans le ciel ! Il suffisait d’aller la chercher. Car selon nos deux astronomes, le cosmos était rempli d’une faible lueur dans toutes les directions. En somme, le souvenir très atténué d’une explosion titanesque qui avait dû se produire des milliards d’années plus tôt. Pourquoi ne pas au moins essayer de détecter cette lueur ? « Pour celui qui la trouvera, c’est la gloire assurée », se plaît à répéter Herman. Hélas, personne ne bouge. Pas la moindre expérience ne sera lancée pour vérifier les affirmations des deux infortunés élèves de Gamow. Or en face, de plus en plus nombreux sont les adversaires qui fourbissent leurs armes. Et plus que jamais, ils sont décidés à en finir avec cette « sinistre farce » qu’est la création de l’Univers. Dans les écoles et les cercles soviétiques (mais aussi partout où s’est imposé l’enseignement communiste), on apprend que la matière est le fondement de la réalité, qu’elle est infinie et, bien sûr, éternelle. Un exemple ? Poussant le rejet du commencement jusqu’à la caricature, pour le physicien marxiste David Bohm, les partisans du Big Bang sont « des traîtres à la science qui rejettent la vérité scientifique pour parvenir à des conclusions en accord avec l’Eglise catholique ». Tout aussi virulent, sir Arthur Eddington lui-même (l’un des plus grands astronomes de la première moitié du XXe siècle) sortait littéralement de ses gonds lorsqu’il entendait le mot Big Bang : « La notion d’un commencement me semble répugnante… Je ne crois tout simplement pas que l’ordre actuel des choses ait pu naître d’un Big Bang. L’univers en expansion est absurde, incroyable. »

*

Marquons ici une dernière pause : si les avis sur l’origine de l’Univers sont à ce point tranchés, c’est avant tout parce qu’il est très difficile (même lorsque l’on est scientifique) d’admettre que le cosmos tout entier avec tout ce qu’il peut contenir – la Terre, votre maison, les rues et les immeubles du voisinage, la campagne alentour puis plus loin, le Soleil, Mars, Jupiter et plus loin encore les étoiles et les galaxies par milliards – était tassé, compressé et finalement réduit à un point. Un simple point perdu dans le néant. Comment concevoir une chose pareille ? Certains s’y refusent tout net.

On l’a vu, le plus farouche de ces résistants est l’astronome anglais sir Fred Hoyle. Depuis son puissant bastion de Cambridge, citant à qui veut l’entendre le philosophe Aristote (pour qui la matière est éternelle), il martèle que l’Univers est infini et éternel. Qu’il n’a jamais eu de commencement et ne sera donc jamais détruit. Selon cette approche, les galaxies sont bien en fuite, mais en réalité, il y a continuellement création de matière. Et au final, le cosmos est donc stationnaire (Hoyle était très fier de ce mot, sa trouvaille). En 1953, la bataille semble perdue : la mort dans l’âme, les trois pionniers abandonnent leurs recherches sur le Big Bang. Gamow se détourne peu à peu de la physique. Alpher ? Déçu, il quitte l’université. Jamais il n’oubliera les moqueries vaguement méprisantes de ses collègues. Quant à Herman, lui aussi tourne la page et finit par entrer dans l’industrie automobile. Tous les trois ont aujourd’hui disparu. Mais l’un des héros de notre histoire se souvient d’eux : Robert Wilson. Comment ne pas être remué par le salut qu’il leur adresse dans la postface de notre livre : « Je crois que certains de nos collègues auraient dû partager le prix avec nous. En particulier Gamow, Alpher et Herman qui, vers la fin des années 40, avaient prédit le rayonnement de fond issu d’un Big Bang. »

Mais nous ne sommes encore qu’au début des années 60. Une fois de plus, l’Univers semble retomber sur lui-même. A nouveau fixe, comme un moteur à ressort qui aurait épuisé ses tours. L’expansion ? Presque plus personne n’y croit. Le Big Bang ? Une hypothèse abracadabrante, sans la moindre preuve. Certes, les galaxies se déplacent dans l’espace. Mais le cosmos lui-même ? Allons donc ! Quant aux idées de Gamow et Alpher, elles refroidissent doucement dans la cendre des théories désertées.

Et pourtant… Une fois de plus, un immense coup de tonnerre va avoir lieu, là où personne ne l’attendait. Et tout va voler en éclats. L’événement s’est produit sur une colline perdue quelque part en Amérique. Préparez-vous à y vivre la plus folle de toutes les aventures.

8

A la découverte
 de la première lumière

Tout a commencé par un beau jour de printemps 1964 à Holmdale, dans le New Jersey. Pour les uns, une petite ville charmante, avec sa grand-place joliment fleurie, pour d’autres un trou de province à jamais perdu. Depuis quelques mois, deux jeunes ingénieurs américains se retrouvent tous les matins à Crawford Hill, un terrain vague hérissé d’arbres poussiéreux. Ils sont loin de tout. Et surtout loin de se douter (ni eux, ni personne) que c’est là, au fond de nulle part, qu’ils vont faire ce que beaucoup considèrent comme la découverte la plus importante de tous les temps. Une découverte qui va changer à tout jamais notre vision du monde. Comment l’Univers tout entier, avec son origine, pourrait-il s’échouer au fond de cette prairie du New Jersey ?

Après avoir soigneusement étalé leurs outils sur une bâche, ils se mettent au travail, comme tous les jours. Sur le coin de la toile, un transistor crachote en boucle des vieilles chansons de Hank Williams. Les notes tranquilles, portées par le grincement du violon de saloon, se perdent dans l’air bleu. Ils travaillent vite. Il ne veulent surtout pas être en retard à la soirée que les deux plus jolies filles du coin ont organisée pour eux. Mais pour le moment, ce qui occupe nos deux jeunes gens est un engin pour le moins bizarre, sorte de corne géante prolongée par une cabane en bois, qui les surplombe d’une petite dizaine de mètres. La « chose » est faite d’une masse métallique que les deux ingénieurs, en s’arc-boutant à deux, peuvent faire pivoter à l’aide d’une énorme roue. Malgré les rasades d’huile englouties chaque semaine, les rouages restent raides et s’obstinent à grincer. Et ce matin plus que jamais, la machine – en fait, une antenne géante construite en 1959 – leur réserve une mauvaise surprise.

*

Les deux jeunes gens s’étaient rencontrés par hasard trois ans plus tôt à Crawford Hill, dans l’un des laboratoires de la célèbre compagnie de téléphone Bell. Le plus jeune des deux a vingt-sept ans et s’appelle Robert Wilson. Il descend d’une famille de fermiers texans, du côté de Dallas. Ses camarades de jeunesse se souviennent qu’il prenait plaisir à massacrer leurs oreilles à l’aide d’un colossal trombone à coulisse. Ses vacances d’été ? Il les passe dans la ferme de son oncle, au fond du Texas. Appuyé sur un tronc d’arbre, il reste parfois toute la nuit à compter les étoiles. Son père est ingénieur chimiste dans une compagnie pétrolière à Houston et souvent il l’accompagne le samedi matin, déambulant parmi les machines et tout un tas d’appareils plus ou moins bizarres qui le fascinent. Il y prend goût et devient très vite un as du bricolage électronique. Les voisins ne tardent pas à l’apprendre et après le collège, il passe le plus clair de son temps à réparer les vieux postes de radio ou de télévision qui s’entassent dans sa chambre. De quoi arrondir ses fins de mois.

Admis, comme il le précise, « de justesse » à la prestigieuse université Rice (toujours à Houston) ses dons pour l’électronique de pointe ne cessent de se confirmer. Le voilà bientôt détenteur de plusieurs brevets pour les étonnants dispositifs qu’il a mis au point. Mais les choses sérieuses ne font que commencer. Avec un petit pincement au cœur, Bob se résigne à quitter Houston et entre au fameux Caltech, près de Los Angeles. Un lieu mythique, déjà riche à l’époque d’une dizaine de prix Nobel. Il finit par y décrocher en 1962 un doctorat de physique, avec pour spécialité la radio-astronomie, domaine encore balbutiant à l’époque. Et dès l’année suivante, le voilà engagé par les Laboratoires Bell, dans le département de recherche radio. Sa destination ? Holmdale. Une bourgade perdue dans le New Jersey. C’est là qu’il rencontre le seul autre radio-astronome du coin : il s’appelle Arno Penzias.

*

D’une famille juive, celui-ci est né au mauvais moment (le 26 avril 1933, le jour même où a été fondée la Gestapo) et au mauvais endroit (à Munich, en Bavière). Et un soir de 1938, c’est le drame : à coups de bottes cirées et de crosses, aboyant dans la maison jusqu’alors si calme, les nazis casqués, sanglés de cuir noir, arrêtent brutalement les Penzias. Le petit Arno, du bas de ses cinq ans, a le souffle coupé. Avec de longues files d’autres juifs, les voilà jetés dans une cellule puis entassés dans un train. Quelques heures plus tard, le sifflet mêlé de vapeur et de suie de la locomotive donne le signal de la déportation vers la Pologne. Mais incroyablement, par un de ces coups du sort inespéré qui ne survient qu’une fois dans une vie, l’accès à la frontière se referme soudain devant les chiens et les barbelés, juste avant leur arrivée dans ce train lugubre qui devait les conduire à la mort. Noyé dans la vapeur et la fumée, le convoi de fer s’ébranle à nouveau en grinçant et repart lentement vers l’Allemagne, par un soir sinistre qu’Arno n’oubliera jamais : « Bien des années plus tard, j’ai appris que les gens qui étaient arrivés “à temps” avaient été parqués dans une cour à ciel ouvert et que la moitié d’entre eux étaient morts de froid1. »

Mais vient un deuxième miracle. En 1939, parvenant à se glisser entre les mailles d’une bureaucratie aussi aveugle que barbare, les Penzias et leurs enfants quittent séparément l’Allemagne. Au prix d’une longue série de coups de chance et d’astuces, ils parviennent enfin à gagner sans plus d’encombres Londres puis New York.

La liberté sous le ciel !

Le petit Arno lève souvent son nez vers lui, depuis les rues du Bronx où la famille s’est installée. Il apprend l’anglais à toute vitesse, devient élève au City College de New York puis étudiant à Columbia, toujours avec une longueur d’avance. Une fois son doctorat en poche, le voilà lui aussi engagé en 1961 par la compagnie de téléphone Bell. Un job temporaire. « L’avantage ? Vous pouvez partir du jour au lendemain ! » lui avait lancé en riant le directeur du laboratoire. Bientôt, il partage un minuscule bureau et son poste de radio-astronome avec Robert Wilson. Mais finalement, ils s’y sentent bien. Certes ils sont loin de tout, mais à tout prendre, ils préfèrent ça aux couloirs académiques et trop bien cirés de l’université. Et la recherche ? Dans la compagnie Bell, impliquée jusqu’au cou dans le lancement des premiers satellites de communication, ce n’est pas vraiment la priorité.

*

Au départ, le but des deux post-doc est donc tout ce qu’il y a de plus modeste : remettre en état une antenne de liaison satellite désaffectée. Et la faire marcher sans trop de parasites, voilà tout. Ni l’un ni l’autre ne portent le moindre intérêt pour la cosmologie et ils n’ont jamais entendu parler de l’obscure théorie de « l’atome primitif » proposée, vingt-sept ans plus tôt, par l’abbé Lemaître. Ils ne connaissent pas davantage les idées du mathématicien russe Alexander Friedmann sur l’expansion cosmique, ou celles de son élève George Gamow sur une ère brûlante qui aurait marqué les débuts de notre espace-temps. On l’a déjà vu, dans les années 1960, il ne vient plus à personne l’idée farfelue que l’Univers ait pu avoir un commencement. Ou pire encore, qu’il ait pu naître d’une sorte d’explosion gigantesque. D’ailleurs, comme il le rappelle dans sa postface, l’un de nos deux compères, Robert Wilson, a été l’élève du bouillant Fred Hoyle. Ce dernier a beau avoir inventé le mot « Big Bang » en 1949, il n’en reste pas moins son adversaire le plus féroce. Pour lui, l’Univers est éternel, n’a ni commencement ni fin ! Et en bon élève, Wilson pense plus ou moins la même chose.

Pragmatiques, les deux jeunes chercheurs se contentent donc de faire le nécessaire pour que leur antenne puisse relayer des signaux vers les satellites sous contrat avec Bell. Malgré tout, ils vont un peu plus loin : pourquoi ne pas bricoler l’antenne et l’utiliser comme radio-télescope ? Au prix de quelques astuces, la transformation est réussie. Bientôt, à leurs heures perdues (après avoir demandé l’autorisation à la Compagnie Bell), Penzias et Wilson exploitent l’extraordinaire sensibilité du détecteur pour mesurer le halo d’émissions de notre galaxie. Wilson en profite pour tester ses idées, exposées dans sa thèse de doctorat. Quant à Penzias, lui, il s’escrime à dépister la présence d’hydrogène dans les nébuleuses proches.

*

Par ce beau matin de mai 1964, on décide donc une fois de plus de pointer l’antenne vers le ciel, en direction de la Voie lactée. De même que pour écouter une station à la radio il faut se caler sur une fréquence, Penzias et Wilson ont choisi d’écouter la Voie lactée sur la longueur d’onde de 7,5 centimètres. Comme la veille, leur mission, c’est de localiser les parasites qui brouillent obstinément les émissions du satellite ECHO… pour enfin s’en débarrasser ! Mais une nouvelle fois, les deux ingénieurs écrasent un juron de mauvaise humeur. Rien à faire. Ce satané bruit est toujours là ! Comme tous les jours depuis des semaines, leur appareil ramasse ce parasite très bizarre, toujours le même, dans toutes les régions de la voûte. Et ce qu’ils entendent est cent fois plus puissant que tout ce à quoi ils pouvaient s’attendre ! Ils ont eu beau répéter l’expérience jour et nuit, en modifiant mille fois l’orientation de l’antenne, impossible de nettoyer ce bruit de fond qui traîne ! Un peu comme ce souffle électrique qui envahit votre radio lorsqu’elle est mal réglée. Ce qui étonne Penzias et Wilson, c’est que ce signal ne ressemble à rien de connu. D’une régularité déconcertante, cet étrange « écho cosmique » a toutes les caractéristiques d’une « température » d’environ 3 degrés au-dessus du zéro absolu.

D’où vient-il ?

Ils vont passer près d’un an à chercher la réponse. Nettoyer l’antenne, la débarrasser d’un nid de pigeons logé à l’intérieur, remplacer les rivets défectueux et les recouvrir d’une feuille d’aluminium. Refaire tous les calculs. En vain !

*

Un soir d’avril 1965, en voyage à Boston pour un congrès d’astronomie et toujours aussi perplexe face à ce bruit omniprésent, Penzias en parle machinalement à l’un de ses collègues, Bernie Burke, radio-astronome comme lui. Ce dernier se souvient alors qu’à l’université voisine de Princeton (à peine à une cinquantaine de kilomètres de Crawford Hill) deux astrophysiciens, Robert Dicke et James Peebles (qui se fait le plus souvent appeler Jim), auraient fabriqué un appareil ultrasensible aux micro-ondes (un radiomètre, disent-ils) qu’ils s’apprêteraient à mettre en service d’un jour à l’autre. Pour quoi faire ? Pour capter une radiation bizarre, dont ils parlent à mots couverts. Elle aurait quelques degrés de température et serait une sorte de fossile d’une lointaine époque enfouie dans le passé. Car d’après ce qu’on raconte, Dicke et ses collègues étaient persuadés qu’il y a des milliards d’années, l’Univers était brûlant, comme un bloc de métal chauffé à blanc. Pour eux, une telle fournaise a forcément laissé des traces !

Penzias hausse les épaules. Il n’imagine pas un seul instant que l’Univers ait pu, dans un passé lointain, être bien plus chaud que le soleil. Mais malgré tout, il veut en avoir le cœur net. Il entre donc en contact avec Dicke par téléphone. Et très vite, on se met d’accord. Princeton n’est qu’à une heure de voiture de Crawford Hill. Dès le lendemain, Dicke, Wilkinson et Roll se retrouvent donc à Holmdale, au pied de l’immense antenne de métal. La réponse tombe en moins d’une heure. Un véritable coup de tonnerre. Le soir même, de retour à Princeton, Dicke lâche laconiquement à Jim Peebles et quelques autres qui travaillaient sur le radiomètre : « Les gars, on s’est fait coiffer sur le fil ! » Lors de nos discussions, Jim Peebles est revenu sur ce moment capital, qu’il raconte dans sa postface : « Je n’étais pas présent le jour où notre équipe de Princeton, dirigée par Dicke, s’est rendue aux laboratoires Bell. Mais je me souviens de leur rapport : “Ces gars-là ont des mesures solides !”. »

A Princeton, tous ont compris en un clin d’œil : les deux chercheurs de la compagnie Bell viennent, par le plus grand des hasards, de confirmer l’existence, prédite par Alpher et Gamow en 1948, du « rayonnement fossile ». Leur antenne a détecté une lumière venant de la création de l’Univers ! Une sorte de souffle thermique absolument uniforme, écho lointain de la phénoménale « explosion » qui, il y a plus de treize milliards d’années, a donné naissance à notre espace-temps. Cette immense tempête de photons, d’une puissance inimaginable, s’est levée 380 000 ans après le Big Bang. A cette époque inconcevable, l’Univers était quarante mille fois plus jeune qu’aujour-d’hui. Mille fois plus petit. Et un milliard de fois plus dense. Aujourd’hui, nous ressentons encore le souffle de cette tempête qui s’est levée au fond de l’Univers, à l’aube des temps.

En 1978, Penzias et Wilson obtiennent le prix Nobel pour leur incroyable découverte. De toute façon, Nobel ou pas, celle-ci a changé le monde du jour au lendemain. Mais également Penzias et Wilson eux-mêmes. Car presque trente ans avant Smoot et Mather, eux aussi ont vu « quelque chose » dans la radiation venue du fond des temps. Comme un reflet du feu éblouissant de la Création.

1- Note biographique http://www.bell-labs.com/user/feature/archives/penzias/

9

Le feu de la Création

En cette année 1965, pour les deux découvreurs du rayonnement fossile, le choc est immense. Tout comme pour George Smoot, la contemplation de la première lumière de l’Univers va les changer à tout jamais. Et transformer irrésistiblement leur façon de voir le monde. Dans les deux cas, ce qui a fait basculer nos deux chercheurs vers ce que Smoot appelle le Visage de Dieu, c’est l’idée (inévitable dans la théorie du Big Bang) de « création à partir de rien ».

Pourtant, on part de loin. Avant de débarquer dans le New Jersey et d’y passer d’innombrables nuits blanches au pied de son antenne, Robert Wilson haussait les épaules lorsqu’on lui parlait de création de l’Univers. On s’en souvient, étudiant à Caltech, il suivait les cours de Fred Hoyle. Celui-ci exerçait une véritable fascination sur ses élèves. Inventif et toujours à l’affût d’un bon mot, il n’avait pas son pareil pour trouver la meilleure image, celle qui fait comprendre d’un seul coup plusieurs choses à la fois. Un exemple ? Cette façon bien à lui qu’il avait de décrire la distance qui nous sépare de l’espace interstellaire : « L’espace n’est pas loin du tout ! A peine à une heure d’ici, à condition que votre voiture avance à la verticale… » Plus sérieusement, au moment où le jeune Wilson avait décidé d’assister aux cours de Hoyle, celui-ci était devenu une véritable vedette dans le monde. Lorsqu’il assénait que l’Univers n’avait jamais connu de commencement, ni dans une explosion ni autrement, de plus en plus de gens étaient prêts à le suivre. Et Wilson en faisait partie. Pourtant c’est ce même Wilson qui, sans qu’il le sache, va tout faire voler en éclats.

*

21 mai 1965. Ce jour-là, des millions d’Américains médusés peuvent lire en gros titres à la une du New York Times : « Des signaux confirment que l’Univers est né d’un Big Bang ». C’était la toute première preuve, décisive, que l’Univers n’était pas éternel. La nouvelle est ahurissante et elle se répand comme une traînée de poudre dans le monde entier. Cette fois c’est sûr et certain : le cosmos gonfle, grandit à chaque instant. Le chiffre est d’ailleurs phénoménal : toutes les cinq secondes, notre Univers s’accroît d’un volume égal à celui de notre galaxie ! A partir de là, tout va basculer pour Wilson. Après avoir déclaré à plusieurs reprises qu’il était difficile de nier l’évidence, le radio-astronome va s’empresser d’abandonner le modèle d’Univers éternel. Désormais, il est devenu un porte-parole convaincu de ce que Penzias appelle une « création ». Avec une référence marquée à l’idée d’un plan conçu par une force extérieure : « Il y a certainement eu quelque chose qui a réglé le tout. A coup sûr, si vous êtes religieux, je ne vois pas de meilleure théorie de l’origine cosmique susceptible de correspondre à la Genèse1. »

Et Penzias ? Jusqu’en 1965, il était plutôt indécis. Mais devant la déflagration engendrée par sa propre découverte, comment ne pas admettre que l’Univers a bien eu un commencement ? A son tour, tout comme Wilson et plus tard Smoot, il finit par voir au cœur du rayonnement fossile « quelque chose » : « L’astronomie nous conduit vers un événement unique, un univers créé à partir de rien, avec juste le délicat équilibre nécessaire à l’apparition de la vie, un univers qui obéit à un plan sous-jacent (on pourrait presque dire, un plan “surnaturel”)2. » Face à ses collègues figés de stupeur et nombre d’étudiants réunis un jour à l’université de l’Illinois, il a même enfoncé le clou, n’hésitant pas à affirmer que le Big Bang correspond – comme dans la Genèse – à la création de tout à partir de rien : « Pour être cohérents avec nos observations, nous devons comprendre que non seulement il y a création de la matière, mais aussi création de l’espace et du temps. Les meilleures données dont nous disposons sont exactement ce que j’aurais pu prédire si je n’avais rien lu d’autre que les cinq livres de Moïse, les Psaumes et la Bible. Le Big Bang a été un instant de brusque création à partir de rien3. »

*

Un instant de création à partir de rien ! C’en est trop. En entendant Penzias et Wilson parler comme si de rien n’était de la Bible et de Moïse, plusieurs des scientifiques présents dans l’amphi de l’université de l’Illinois se lèvent et quittent la salle. D’autres écrivent des lettres de protestations. A quoi Penzias rétorque énergiquement : « La création de l’Univers repose sur toutes les observations produites par l’astronomie jusqu’ici. Par conséquent, les gens qui rejettent ces observations peuvent raisonnablement être décrits comme ayant une croyance “religieuse4”. » Mais la bataille prend un tour encore plus aigu avec cette idée saugrenue de « Singularité Initiale », ce prétendu point à l’origine de l’Univers ! Pour beaucoup – à la fin des années 1960 ils sont encore nombreux –, tout cela ne tient pas debout. L’astronome américain Allan Sandage, l’un des plus influents de la deuxième moitié du XXe siècle, est un exemple typique de cette difficulté à penser les débuts de l’Univers sous la forme d’un point. D’origine juive, il se convertit au christianisme à l’âge de soixante ans. Et lorsqu’on lui demande si on peut être à la fois scientifique et chrétien, il n’hésite pas à répondre haut et fort : « Oui ! Comme je l’ai déjà dit, le monde est trop complexe dans toutes ses composantes et ses interconnexions pour être uniquement le fruit du hasard5. » Pourtant, face à la Singularité Initiale, il recule : « C’est tellement étrange… Cela ne peut pas être vrai6 ! » lance-t-il. En écho, Philip Morrison, du MIT, se révolte : « Il m’est difficile d’accepter la théorie du Big Bang. J’aimerais pouvoir la rejeter7 ! »

Où en sommes-nous aujourd’hui ? Etrangement, les résistances restent encore fortes. « Expliquer cette Singularité Initiale – où et quand tout a commencé – reste aujourd’hui le plus intraitable problème de la cosmologie moderne » peste le physicien russe Andreï Linde, de l’université Stanford. Mais à quoi bon s’obstiner ? « Il n’y a jamais eu de Singularité Initiale ! » tranche sèchement Lee Smolin, du Perimeter Institute au Canada, l’un des physiciens les plus en vue du moment. Mais parfois, on n’en reste pas là et certaines réactions frisent la démesure : « Un monstre tapi quelque part dans le ciel ! » grince l’astrophysicien américain Joseph Silk, ancien de Berkeley et aujourd’hui à Oxford. « Répugnant ! » gronde en écho Derek Raine, astronome à l’université de Leicester.

Pourtant, la Singularité Initiale résulte d’une démonstration mathématique des plus sérieuses, effectuée cinq ans après la découverte du rayonnement fossile. Les auteurs de ce qui allait devenir les fameux « théorèmes de Singularité » sont deux jeunes théoriciens anglais, encore pratiquement inconnus, Stephen Hawking de Cambridge et Roger Penrose d’Oxford. Leur démonstration est sans faille : il existe une Singularité – un point mathématique – à l’origine de notre Univers ! Mais alors, si la Singularité à l’origine de l’Univers est à présent bien établie scientifiquement, pourquoi suscite-t-elle autant de passions – pour ne pas dire de rejets ? Sans doute parce qu’elle nous contraint à un choix impossible : entre un Univers sans cause d’un côté et, à l’autre extrémité, ce vers quoi Smoot a attiré l’attention de la communauté scientifique : le visage de Dieu.

Mais voyons maintenant de plus près la face cachée de ce fameux rayonnement fossile. Et en quoi il va nous mener jusqu’au plus grand secret de tout l’Univers.

1- Evidence for Christianity (1997) in http://www.evidenceforchristianity.org

2- Arno Penzias, Cosmos, Bios and Theos Open Court, 1992.

3- Conférence à l’université de l’Illinois. Cité par Chuck Colson dans Break Point Big Bang Versus Atheists (28 septembre 2006).

4- Cité par J. Bergman in Arno Penzias, Astrophysicist, Nobel Laureate. Voir American Scientific Affiliation Astronomy/Cosmology in http://www.asa3.org/ASA/PSCF/1994/ PSCF9-94/Bergman.html

5- Allan Sandage http://www.leaderu.com/truth/1truth15.html

6- Cité par Robert Jastrow in The Week In Review Evidence for Biblical View 17/07/1978.

7- Ibid.

10

Le fantôme du Big Bang

Qu’avaient donc vu Penzias et Wilson en ce bel été 1964 ? Pourquoi leur découverte s’est-elle retrouvée, du jour au lendemain, à la une du New York Times ? puis dans le monde entier ? Comme des milliers d’autres, Steven Weinberg, prix Nobel de physique en 1979, en est fermement convaincu : « La découverte du rayonnement fossile en 1965 fut l’une des plus importantes découvertes scientifiques du XXe siècle1. » Emporté par son enthousiasme, Edward Mills Purcell, physicien à Harvard, lance même : « Cela pourrait juste être la chose la plus importante que l’on ait jamais vue ! »

Peut-être. Mais pour quelle raison ?

Reprenons le fil des événements. Les deux employés de Bell ont débusqué ce qu’on appelle le rayonnement fossile, ou encore le fond diffus cosmologique. Il s’agit d’une onde froide. Et même très froide : à peine 2 degrés 7 au-dessus du zéro absolu. Dans cette glaciation inimaginable, les molécules et les atomes eux-mêmes sont presque immobiles parce que gelés. Pourtant, il y a bien longtemps, cette lumière originelle, éclairée par les feux du Big Bang, était chaude et même brûlante : plus de 3 000 degrés ! Mais une fois lancé en trombe dans le vide, dilué par l’expansion irrésistible de l’Univers, ce mystérieux rayonnement s’est refroidi au fil des milliards d’années.

D’où vient-il ? Du fin fond de l’espace. De la frontière ultime de l’Univers visible. Ce qui veut donc dire que cette lueur fossile (qui se rue vers nous dans le vide et franchit la distance effarante de 300 000 km à chaque seconde) nous parvient d’un passé très lointain. D’un âge révolu, où l’Univers était encore dans sa première enfance, il y a plus de treize milliards d’années.

Il est presque émouvant de penser que, comme nous tous, l’Univers visible a eu, lui aussi, une enfance. Et qu’il a grandi. Comment ne pas être ébloui par ces chiffres rappelés sur le site de la NASA ? Quand l’Univers avait la moitié de sa taille actuelle, la densité de matière était huit fois plus élevée et il était deux fois plus chaud. Plus loin dans le passé, lorsque l’Univers visible était cent fois plus petit qu’aujourd’hui, le rayonnement fossile était cent fois plus chaud. Il faisait donc environ 2 degrés Celsius au-dessus de zéro : un temps de neige d’un bout à l’autre du cosmos ! Bien plus tôt encore, il y a eu une époque où le cosmos entier jusqu’à l’horizon était cent millions de fois plus petit que de nos jours. Sa température était alors de 273 millions de degrés et la matière, de la même densité que l’air, n’était encore qu’un gaz tourbillonnant en flocons dans l’espace.

Bien sûr, tout ceci frôle déjà l’irréel. Mais il y a plus encore. Car cette première lumière, qui a jailli dans les ténèbres et éclairé l’Univers tout juste 380 000 ans après le Big Bang, cette lumière primordiale garde le souvenir de chacune de ces étapes gravée dans ses profondeurs. Dans chacun de ses photons, dans les nuées de particules élémentaires, il y a un fabuleux secret. Quelque chose de brûlant, dont Penzias et Wilson ont eu l’intuition. De quoi peut-il donc bien s’agir ? Avant d’aller chercher la réponse, il nous faut en savoir un peu plus sur cette lumière unique. La plus ancienne de tout l’Univers.

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De quoi est faite la lumière ? Pour prendre une image simple, de minuscules billes qui ne pèsent rien, sur lesquels le temps ne passe pas, et qu’on appelle des « photons ». Le mot lui-même a été inventé en 1926, non par un physicien mais par un chimiste, Gilbert Lewis. Sa théorie – du reste assez insolite – a été balayée par l’Histoire. Son nom oublié. Mais le mot « photon » (qui veut dire lumière en grec) a tout de suite été adopté par les physiciens.

Les photons sont dix milliards de fois plus nombreux que les particules de matière. Pour les découvrir, partons en promenade sous le ciel nocturne. C’est l’été. La nuit est partout. Vous vous promenez sur un petit chemin de campagne et levez régulièrement les yeux vers le ciel pour contempler le magnifique spectacle tendu, d’un horizon à l’autre, par la nuit et les étoiles. Or cette lumière sombre qui « tombe du ciel » se décompose en infimes « grains lumineux » : nos fameux photons. Grâce à eux, il vous est possible de vous repérer sur le petit sentier bordé d’ombres et d’herbes sauvages. Certes, la grande ville dont vous apercevez le halo faiblement lumineux derrière la colline guide vos pas, mais la plupart des photons qui éclairent votre promenade et que vous voyez à l’œil nu proviennent du cœur des étoiles qui brillent là-haut, très loin dans le ciel. Il s’agit des photons créés dans les profondeurs de ces milliers d’astres par la fusion nucléaire : ils voyagent d’abord pendant des milliers d’années vers la surface de ces étoiles, avant de la quitter pour toujours et de traverser les immenses espaces glacés pour parvenir jusqu’à vous. Or ces « photons d’étoiles » ne représentent qu’une très petite fraction du nombre total de photons qui voyagent dans l’Univers : à peine 4 % ! D’où viennent les autres ? De bien plus loin que les étoiles et les galaxies : véritables « témoins de la Création », ils sont issus du fond de rayonnement cosmologique et ont voyagé pendant plus de 13 milliards d’années avant d’atteindre ce petit chemin de terre. Seulement voilà : vous aurez beau chercher, vous ne pourrez jamais apercevoir le moindre « photon cosmologique » survivant de la Création et du début des temps : comme épuisés par leur voyage inimaginable, ils sont désormais devenus totalement invisibles.

Pour bien comprendre pourquoi le rayonnement fossile est aujourd’hui invisible à l’œil nu, il faut se souvenir que depuis son apparition, il y a un peu plus de 13 milliards d’années, l’Univers est en expansion : le rayonnement primordial s’est donc peu à peu refroidi. Dans un passé très lointain – bien avant l’an 380 000 –, cet étrange magma qui n’avait pas du tout le visage de l’Univers tel qu’il nous apparaît de nos jours, était dominé par la lumière. Un océan de lumière écrasant. Mais aussi tellement brûlant que toute cette lumière était, en quelque sorte, « engluée » dans la matière primordiale. Les photons étaient déjà là, mais ils étaient prisonniers des particules de la matière naissance. A chaque fois que l’un d’eux s’échappait, il était presque immédiatement rattrapé par la matière. Les fugues de ces photons primordiaux se comptaient par milliards mais elles ne duraient que quelques fractions de seconde. A cette époque démentielle, la lumière prisonnière était brûlante : des milliards de degrés. Puis les choses se sont calmées. Vers l’an 380 000, la température est tombée à 3 000 degrés. La lumière quitte alors la matière pour toujours. Bien plus tard, la lueur primordiale est devenue tiède, tout juste 25 degrés, la chaleur qu’il fait sur une plage par un bel après-midi d’été. Plus tard encore, il s’est mis à geler dans l’Univers, 0 degré. Puis c’est l’inexorable chute au-dessous de 0, -10, -20, -100, -200 degrés. Jusqu’à atteindre plus de 270 degrés au-dessous de 0. Ou encore les fameux 2,7 degrés Kelvin que l’on observe de nos jours.

Au cours de cette très longue histoire, la fréquence du rayonnement primordial a progressivement diminué tandis que sa longueur d’onde devient de plus en plus grande : apparu (juste après le Big Bang) à très hautes énergies et associé aux longueurs d’onde très courtes des émissions gamma, ce rayonnement primordial a progressivement perdu son énergie pour traverser le domaine du rayonnement X, celui du rayonnement ultraviolet et, enfin, celui de la lumière visible. Mais comme son énergie continuait de diminuer, cette radiation de l’aube des temps est ensuite tombée dans l’infrarouge, avant d’atteindre le domaine des micro-ondes. Résultat : le rayonnement fossile n’est pas plus visible que les rayons qui réchauffent votre potage dans un four à micro-ondes. Et pourtant, en ce moment même, ces photons primordiaux pleuvent sur vous en une brume fine et incessante…

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Voici une chose un peu étrange : le rayonnement fossile ne se trouve donc pas « loin dans le cosmos », inaccessible. Bien au contraire, la première lumière de l’Univers est partout. Dans votre jardin et à l’intérieur de votre voiture. Dans la pièce où vous vous trouvez en ce moment même. Et alors que vous lisez ces lignes, à chaque instant sans le savoir, vous êtes frôlé par le fantôme de la première lumière. Des milliards de photons invisibles, qui ont traversé tout l’Univers et qui, comme un souffle de vent, passent sur vos mains, votre visage, vos cheveux. Dans chaque centimètre cube d’espace, on trouve environ quatre cents photons de la première lumière. Cela veut dire qu’en ce moment même, à portée de vos mains, il y a autour de vous environ un milliard de photons cosmologiques qui zigzaguent dans tous les sens ! Si vous deviez les compter un par un, il vous faudrait plus de quatre-vingts ans. La première lumière éclipse sans mal la lumière des étoiles ou celle des galaxies. Difficile à croire ? Pas tellement, si c’est Penzias lui-même qui vous l’assure : « Si vous sortez ce soir et retirez votre chapeau, vous recueillerez un peu de chaleur du Big Bang sur votre cuir chevelu. Et si vous avez un très bon récepteur FM, en vous promenant entre les stations, vous entendrez ce son2. »

Le son d’une lumière qui s’est allumée il y a treize milliards sept cent millions d’années !

Mais n’y a-t-il vraiment aucun espoir d’apercevoir ces fabuleux flocons de la première lumière ? En réalité, il suffit d’allumer votre téléviseur à un moment où il n’y a pas d’émission. L’écran sera donc noir et piqué d’innombrables points qui scintillent et font des zigzags frénétiques. Vous le savez, il s’agit de ce qu’on appelle la « neige » sur l’écran de votre téléviseur. Mais voici de quoi vous surprendre : environ un de ces flocons de lumière sur cent provient du rayonnement fossile. Autrement dit, c’est par milliards qu’à chaque seconde, vous pouvez « voir » les étincelles de la première lumière briller sur votre écran. Un peu comme si votre téléviseur était une sorte de machine à filmer le passé, capable de vous faire voir une scène qui s’est produite il y a plus de treize milliards d’années.

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Est-ce tout ? Pas encore. Car la première lumière de l’Univers nous réserve une nouvelle surprise. En effet, comme toutes les lumières qui vous entourent (celle qui jaillit des phares de votre voiture ou de votre lampe de poche), la lumière fossile est la chose la plus rapide de tout l’Univers : 300 000 km à chaque seconde. Or ce record de vitesse débouche sur quelque chose de très surprenant, qu’Einstein a été le premier à découvrir et qui a donné le vertige à ses contemporains de la Belle Epoque : pour la lumière, le temps n’existe pas. Ou plus exactement, dans le vide il ne passe pas ! C’est l’une des premières conséquences de la fameuse théorie d’Einstein. Si celle-ci porte le nom de « relativité », c’est justement pour nous rappeler que le temps varie avec la vitesse : plus un objet va vite, moins le temps s’écoule pour lui. Et pour ces flocons de lumière que sont les photons, le temps ne s’écoule plus du tout. Qu’est-ce que ça veut dire ? Simplement que pour les photons que vous voyez sur votre téléviseur, il ne s’est écoulé aucun temps – pas une minute, pas même une seule seconde – depuis qu’ils ont quitté le nuage de particules primitives qui composaient l’Univers, 380 000 ans après le Big Bang. Et même avant. Autrement dit, alors que pour nous, treize milliards sept cent millions d’années ont passé depuis que le cosmos s’est allumé, nos photons voyageurs, eux, n’ont pas vieilli d’une seule seconde ! Tout cela est déjà très inattendu. Mais le comble est sans doute (toujours en raison de la fameuse relativité) que l’espace lui-même, avec ses distances à franchir, ne signifie rien pour le photon. Absolument rien. Pour lui, l’étendue n’existe pas. La durée, non plus. Et ceci veut donc dire qu’au moment où il quitte le fond diffus (pourtant à l’autre bout de l’Univers), de son point de vue, le photon est déjà arrivé sur Terre, dans votre salon. Car pour lui, il n’existe aucune distance – même pas un millimètre – entre le fond de l’Univers et votre salon ! De même, entre l’an 380 000 – moment où la lumière se met en route pour chez vous, il y a treize milliards sept cent millions d’années – et aujourd’hui, il ne s’est même pas écoulé une seconde. En un certain sens, grâce à la première lumière, il est donc possible d’observer le Big Bang « en direct », un peu comme si on y était !

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Décidément, cette première lumière est riche de merveilles. Mais ici surgit une nouvelle question, que tous les spécialistes de l’Univers se sont posée un jour ou l’autre. Pourquoi cette mystérieuse lueur s’est-elle soudain allumée ? Pourquoi cette énergie titanesque, inconcevable, s’est-elle mise à déferler dans le néant ? Qui donc, selon la belle parole de Stephen Hawking, a mis « le feu aux équations » ?

Pour répondre, il va nous falloir descendre dans le feu intime de cette lumière des premiers temps. Qu’allons-nous y trouver ? En 1964, comme il nous l’a confié au cours de nos discussions, ce qui a frappé Wilson (et après lui tous les astronomes qui ont observé le rayonnement fossile), c’est son extraordinaire uniformité, à la limite du surnaturel. Quelle que soit la région observée, la température semble partout la même. Exactement la même. On a beau mesurer la fameuse radiation à un dix millième, un vingt millième de degrés près, rien à faire : pas la moindre variation de température d’un point à un autre. Un peu comme si on avait étendu une immense nappe sur des milliards de kilomètres pour un pique-nique sans faire le plus infime faux pli !

Mais est-ce bien vrai ? N’y aurait-il pas, malgré tout, à des fractions de température bien plus petites encore, d’infimes différences – quelques fractions de fractions de degrés – d’une région à une autre de la première lumière ? Si on arrivait à observer ces minuscules écarts dans le détail, alors il serait possible de lire les premiers instants de l’Univers. Dès lors, si ces traces tellement anciennes ne sont pas effacées, si elles existent vraiment, comment les déceler ? Par quel miracle ?

1- Steven Weinberg, Les Trois premières minutes de l’Univers, Le Seuil, 1988.

2- Cité in Simon Singh, Le Roman du Big Bang, Jean-Claude Lattès, 2004.

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Les astronomes de métal

Nous avons tous la chance de vivre une époque éblouissante, sans équivalent dans l’histoire du savoir. Car pour la première fois, il devient possible d’apporter des débuts de réponses (reposant sur de véritables preuves) face à des interrogations jusqu’ici insolubles : quelle est la forme de l’Univers ? a-t-il une limite ? comment a-t-il commencé ? aura-t-il une fin ? y avait-il « quelque chose » avant le Big Bang ?

Chacune de ces questions donne le vertige. Mais où donc trouver les réponses ? Pas du côté de la philosophie. Ni même des anciennes sciences de l’Univers. En réalité, il faut nous tourner vers autre chose. Vers une discipline toute nouvelle, entourée d’un parfum de mystère : la « cosmologie observationnelle ». Faire de la cosmologie, c’est étudier l’Univers dans l’espace et dans le temps, depuis son origine jusqu’à sa fin éventuelle. Mais voici la magnifique nouvelle : depuis la fin du XXe siècle, la cosmologie est entrée dans une ère expérimentale. Pour la première fois, il devient possible de vérifier la validité des idées touchant à la structure ou au destin ultime de notre Univers. Comment a-t-on pu franchir une telle étape ? En se dotant depuis peu – quelques années à peine – de satellites observateurs, des astronomes de métal prodigieusement précis et puissants. Aujourd’hui, les télescopes tels que celui utilisé dans les années 30 par Hubble et Humason ne suffisent plus. Depuis notre monde, noyé dans un brouillard perpétuel de poussières et d’ondes en tous genres, il n’est pas possible de vraiment déceler les infimes détails indispensables à de nouvelles découvertes. Pour entrer dans les profondeurs de la première lumière, il va falloir observer de plus loin. Depuis l’espace. Mais avec quoi ? Quels fabuleux engins, aussi compliqués dans leur fonctionnement que mystérieux dans leurs buts, vont donc nous prêter main-forte ? Quelles sont ces prodigieuses « machines métaphysiques » que l’on va mettre en service pour dissiper le mystère qui rôde autour de l’origine ?

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Depuis 1989, ils sont trois. Trois fantastiques engins célestes qui, au fil des années, fouillent méthodiquement les ténèbres cosmiques, pouce par pouce. Avec la même mission : photographier le fond le plus lointain de l’Univers. Au moment où vous lisez ces lignes, deux d’entre eux effectuent à chaque instant d’innombrables prises de vue, sous tous les angles possibles. Tels des photographes d’une infinie patience, ils prennent de très longs temps de pause, pour capter (presque un par un) les précieux photons qui viennent du fond de l’Univers. De la première lumière. Grâce à eux existe aujourd’hui une carte incroyablement précise – la toute première – de ce qu’était l’Univers dans son enfance, au moment où il s’est éclairé. Et toujours grâce à eux, il devient enfin possible d’observer des phénomènes qui, par des voies indirectes, nous permettent – toujours pour la première fois – de toucher au miracle : remonter jusqu’au Big Bang lui-même.

Nous avons eu la chance d’avoir des discussions et des échanges avec les chefs de file de ces trois satellites, ceux qui les ont initiés et réalisés jour après jour, pendant des années : George Smoot et John Mather pour COBE (1989), Charles L. Bennett pour WMAP (2001) et enfin Jean-Loup Puget et Jean-Michel Lamarre pour PLANCK (2009).

Impossible de ne pas être saisi d’une indicible émotion face à ce tout premier rayon de lumière déchirant les ténèbres, inondant brusquement la nuit cosmique. Et le miracle, c’est qu’il vous est aujourd’hui possible de contempler chez vous, dans votre salon, l’image de cette lueur disparue depuis des milliards d’années, cette lumière de l’enfance. Bourrés d’incroyables trésors techniques, ces trois explorateurs de l’infini vont donc vous indiquer où trouver, peut-être, ce fameux visage de Dieu dont parle George Smoot.

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Photographier « le visage de Dieu »

Le premier de nos trois héros de métal s’appelle donc COBE (ce qui veut dire « explorateur du fond cosmologique »). Vous le savez, c’est lui qui a rapporté le prix Nobel à son « père » George Smoot (et à son collègue John Mather) en 2006. Et qui, du même coup, est le vrai responsable de la fameuse expression « le visage de Dieu ».

L’aventure a commencé dans les années 1970. Il aura fallu dix longues années pour construire et mettre au point, après mille tâtonnements et retours en arrière, l’unique exemplaire de cet appareil devenu aujourd’hui mythique. Finalement, le 18 novembre 1989, arrive le jour du lancement. Smoot a raconté son inquiétude lorsqu’il a découvert le lanceur Delta qui, après la dramatique explosion de la navette Challenger en 1986, avait pour mission de placer le précieux satellite en orbite : « J’avais vu la fusée de près lors d’un voyage précédent et j’avais été consterné en voyant à quel point elle semblait décrépite : taches de rouille, réparations par-ci par-là, petites soudures au Glyptal. Le travail de toute notre vie professionnelle était au sommet de cette chose1. »

Puis le compte à rebours. Et la mise à feu. Soudain envahi par les flammes, le pas de tir s’illumine et dans un silence irréel, les tonnes de métal s’arrachent lentement à la Terre. Trois secondes plus tard, d’un seul coup, le rugissement chimique, catapulté par l’onde de choc, déchire l’air et gronde dans les poitrines. Tandis que le monstre d’acier s’élève lourdement, on déverse des millions de litres d’eau sous les buses vomissant les flammes, pour atténuer la puissance des ondes sonores.

Trente secondes après la mise à feu : la fusée dépasse maintenant le mur du son et grimpe de plus en plus vite. Deux minutes après le lancement : elle est déjà à 40 kilomètres d’altitude et vole presque à 2 000 mètres par seconde. 240 secondes : le deuxième étage s’allume tandis que le culot de l’engin, tout à coup largué, entame lentement sa longue chute vers le sol. Cinq secondes plus tard, à 112 kilomètres de haut : les lourds carénages sont éjectés à leur tour et COBE se rue maintenant dans le vide à plus de 5 000 mètres par seconde. Dix minutes après le lancement : le flux maintenant inaudible des moteurs du deuxième étage s’interrompt, immédiatement relayé par l’allumage du dernier étage. C’est lui qui, à plus de dix kilomètres par seconde, va grimper jusqu’à 900 kilomètres d’altitude. Encore une poignée de minutes et COBE atteint enfin son orbite de croisière. A présent, il flotte seul dans l’immensité glacée, à 900 000 mètres de la Terre.

Bientôt l’astronome de métal entame sa valse lente, un peu moins d’un tour sur lui-même par minute. Très vite, le premier détecteur, un spectromètre à infrarouge appelé FIRAS, est mis en service et livre avec une étonnante rapidité son verdict. Et quelques semaines plus tard, la première nouvelle se répand comme une traînée de poudre : le rayonnement fossile possède ce qu’on appelle un « spectre de corps noir » presque parfait, selon le communiqué de la NASA sur son site. Qu’est-ce que cela veut dire ? En premier, que le fond primordial se réduit à une seule chose en tout et pour tout : sa température. Vraiment très basse, celle-ci est exactement de 2,725 degrés au-dessus du zéro absolu. Presque toute l’énergie de l’Univers naissant a donc été libérée dans la première année qui a suivi le Big Bang.

Mais il y a plus. « Corps noir » veut également dire que l’Univers (un peu à la manière d’un four isolé) se comporte comme un système clos et que la première lumière est, par définition, dans un état d’équilibre thermique presque parfait. Tout réside ici dans le « presque ». Car le véritable équilibre ne peut être atteint que beaucoup plus tôt, juste au moment du Big Bang, comme le prédit le modèle standard. Or cet équilibre primordial qui n’a duré qu’un seul instant (le temps de Planck) recèle, selon nous, un secret très étonnant : comme nous le suggérons dans nos travaux, l’équilibre thermique du début des temps nous permet de comprendre ce qui a pu se passer avant le Big Bang. Nous reviendrons bien sûr en détail sur ce point vraiment essentiel.

Lorsqu’en 1990, John Mather a fait l’annonce de ces premiers résultats dans une salle pleine à craquer, un long silence est d’abord tombé. Puis l’assistance s’est levée en bloc et a applaudi à tout rompre durant de longues minutes.

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Voyons à présent la deuxième grande découverte de COBE, dévoilée à une assistance soulevée d’émotion le 23 avril 1992. Les stupéfiantes photos de la toute première lumière de l’Univers ont fait la une du New York Times et de plusieurs centaines de journaux à travers le monde. Partout elles ont déclenché des réactions passionnées. Des passions qui, dans la salle de presse, chauffent soudain à blanc lorsque Smoot lance : « Si l’on est religieux, c’est comme voir le visage de Dieu ! »

Une fois de plus, pour mieux comprendre pourquoi celui qui, quatorze ans plus tard, allait devenir prix Nobel de physique a dit cela, reportons-nous un instant à la fameuse photo que vous avez sûrement vue, au moins une fois. De quoi s’agit-il ? De la toute première série de mesures jamais effectuées sur l’Univers enfant. « L’appareil photo » s’appelle DMR : trois radiomètres à micro-ondes, destinés à capter les infimes différences de température du fond cosmologique. Et la réussite est totale ! Que voit-on sur cette image si étrange, cette sorte de sphère aplatie aux pôles ? D’abord, un bain de couleur bleu sombre, comme un océan profond qui couvre tout le globe, de l’hémisphère Nord à l’hémisphère Sud. Puis, distribuées çà et là, des taches. Elles s’étirent comme des continents et des îles de différentes couleurs allant du bleu ciel au rouge en passant par le violet. Et immédiatement nous voici précipités au cœur du mystère : de quoi s’agit-il ? En fait, de minuscules différences de température au sein de la première lumière. Et tout, absolument tout de cette fascinante révolution est là : l’exploit de Smoot et de son équipe, c’est d’avoir montré, pour la première fois depuis 1965, que le fond diffus n’est pas partout exactement de la même température. Grâce au détecteur d’une précision presque irréelle conçu par Smoot, COBE peut mesurer des écarts dont la petitesse est à couper le souffle : à peine 10 millionièmes de degré. Dix parts sur un million ! Un exploit sidérant, qui revient à repérer instantanément la seule personne dépassant un mètre quatre-vingt-dix parmi les 100 000 habitants d’une ville ! Au fil des mois s’est donc imposée la fantastique découverte : il existe d’infimes écarts, de toutes petites différences de température au sein du rayonnement cosmologique : certaines régions (en rouge) sont légèrement plus chaudes, d’autres (en bleu) un peu plus froides. Et les astronomes l’affirment : c’est là que se cache le secret de l’origine ! Dans ces taches de couleur dont certaines, légèrement plus « chaudes », sont peut-être les lointains ancêtres de nos galaxies !

Mais il y a plus. Déjà, nombreux sont les cosmologistes qui avouent leur perplexité, voire leur embarras : les fameuses rides ne sont détectables qu’à partir d’écarts tellement petits qu’ils en paraissent insignifiants : un cent millième de degré ! Et pourtant, les simulations ne trompent pas les experts : si cet écart avait été légèrement plus grand, notre Univers se serait transformé en un gigantesque champ de trous noirs. Si au contraire il avait été un peu plus réduit, à la place de la Terre, des planètes et des étoiles n’existerait qu’un morne nuage de gaz !

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Tout cela, Smoot le sait. Fasciné par ces stries et ces taches, ces différences de couleurs, il y voit le Graal de la physique. Il en est certain : chacune de ces traces contient un fragment du mystère originel. Déchiffrer ces vestiges gravés dans la lumière, c’est découvrir une partie du fabuleux secret : « Des traces de la formation des structures actuelles devraient apparaître dans les plus anciens restes de la fureur de la création. » Et à partir de là tout s’éclaire : c’est bien dans le rayonnement cosmologique qu’il faut chercher ces traces. Et ceci nous simplifie la tâche. Rappelez-vous : deux ans avant la présentation publique de Smoot, son collègue John Mather (qui partage avec lui le prix Nobel) a montré que le rayonnement cosmologique se comporte comme un corps noir presque parfait. Et la boucle est bouclée : ces différences de température mesurées par COBE, ce sont justement les stries, les plis que l’on cherche dans la lumière du début. Dans les régions bleues, plus froides, la matière naissante est moins dense ; au contraire, dans les régions rouges, la concentration est plus élevée. C’est là, dans ces régions de plus forte densité, que bien plus tard se formeront les premières galaxies et amas de galaxies.

Ici se pose une nouvelle question, celle risquée par Smoot à la fin de son livre à propos des fameuses rides : D’où viennent-elles ? Pourquoi et comment sont-elles apparues dans le rayonnement primordial ? A l’heure actuelle, le mystère est encore total. Toutefois, dans la suite de ce petit livre, nous proposerons une réponse possible, dont le bien-fondé pourrait être renforcé par les observations et mesures qui, en ce moment même, sont effectuées par le satellite PLANCK. Nous y reviendrons donc.

En attendant, plusieurs autres questions (qui vous passionnent certainement) restent encore sans réponse. En particulier, quelle est la forme de l’Univers ? A-t-il oui ou non une limite ? Qu’est-ce donc que cette chose étrange dans l’Univers qu’on appelle l’énergie sombre ? Curieusement, de la réponse à ces « grandes questions », dépend la solution de la plus grande énigme à laquelle nous sommes confrontés aujourd’hui : D’où vient le Big Bang ?

Comme nous allons le voir, pour avancer vers ce mystère, le flambeau va devoir passer à une nouvelle génération. Un satellite beaucoup plus puissant et bien plus fin que COBE. Et c’est là que le célèbre WMAP va entrer en scène, par un beau jour de l’été 2001…

1- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

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Voir le bébé Univers

WMAP : vous avez tous entendu ou vu ce nom au moins une fois, à la radio ou dans les journaux. C’est le deuxième astronome mécanique de l’Histoire, celui qui a succédé à COBE. Jusqu’en 2002, il s’appelait seulement MAP (comme « carte »). Et le W ? C’est l’initiale de David Todd Wilkinson, rajoutée pour saluer sa mémoire. En effet, trente ans plus tôt, il a prédit avec Robert Dicke, Jim Peebles et Peter Roll (la fameuse « dream team » de l’université de Princeton) l’existence du mystérieux rayonnement fossile, tout juste quelques mois avant sa découverte par Penzias et Wilson. Si vous allez visiter le site de la NASA, vous pourrez y lire ceci : « WMAP est l’instrument qui, finalement, a permis aux hommes de science d’entendre la musique céleste1 ». Ce qui, après tout, peut être interprété comme une autre manière de « voir le visage de Dieu ».

A quoi ressemble l’engin spatial ? Deux disques servant d’antennes, un grand bouclier pour se protéger du Soleil, le tout sur quelques mètres d’un bout à l’autre pour un poids d’environ 800 kg. Il a été lancé le 30 juin 2001. Mais contrairement à son célèbre prédécesseur, il s’est immédiatement engagé dans une colossale traversée : mille cinq cents fois plus loin que COBE. Une distance à couvrir pour élaborer une nouvelle carte du fond de l’Univers, plus riche et plus précise que la précédente. Et même franchir en arrière le « mur de la première lumière » (en l’an 389 000) pour remonter (en suivant des voies indirectes) encore bien plus tôt. Jusqu’à une infime fraction de seconde après l’explosion originelle : un milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde après le Big Bang !

Afin de mettre toutes les chances de son côté, la NASA n’a pas lésiné sur les moyens : la sensibilité des capteurs de WMAP est environ 30 fois plus grande que pour COBE. Résultat : les clichés du « bébé Univers », largement publiés à partir de 2003, sont tout simplement éblouissants et enthousiasment le monde entier (vous y compris, sans doute). Aujourd’hui, plus de huit ans après son lancement, WMAP est encore au travail. Le 26 janvier 2010 a été publié le résultat de sept ans d’observations. Et comme pour les années précédentes, les articles publiés par l’équipe de WMAP restent aujourd’hui – et de loin – les articles scientifiques les plus lus et cités de toutes les publications scientifiques depuis que la science existe !

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Début février 2010, juste après la publication du résultat des sept années d’observation, nous avons eu un assez long entretien téléphonique avec Charles Bennett, le chef du projet. « Si vous devez retenir cinq grandes choses apportées par WMAP, les voici ! » nous a-t-il annoncé d’une voix calme. De quoi s’agit-il ?

D’abord de la carte du rayonnement fossile. C’est la plus fine, la plus détaillée existant au monde aujourd’hui. Là où COBE ne voyait que des taches plus ou moins grossières (et le plus souvent très floues), WMAP, lui, a perçu et photographié des détails d’une magnifique précision. La conséquence de cette prouesse, c’est que notre robot-astronome est capable de déceler les plus infimes variations de température : les taches jaune et rouge sont un cent millième de degré plus chaudes, les taches vert et bleu deux cents millièmes de degré plus froides. Tel est l’écart inconcevablement faible que WMAP parvient à déceler : un cent millième de degré ! A cela s’ajoute une résolution des images bien meilleure, si bien que chaque détail apparaît nettement là où, avec COBE, les contours étaient encore flous.

Ensuite, il y a l’âge de l’Univers. Le chiffre est désormais calculé avec une exactitude encore plus grande que ce qu’on connaissait jusqu’ici : ce n’est plus 13 milliards 700 millions d’années mais 13 milliards 750 millions d’années (à 120 millions d’années près). Ce chiffre figure d’ailleurs maintenant dans le Livre des Records au titre du record de longévité !

Troisième grand résultat de WMAP : notre espace (l’espace à trois dimensions dans lequel nous vivons) est, à première approximation, plat. A 1 % près, ajoute toutefois le compte rendu de la NASA. Or, tout est là, dans ce fameux 1 %. Car cet écart insignifiant veut dire que les données fournies sont également compatibles avec un espace très légèrement courbé positivement (ce qui signifie, dans le cas le plus simple, qu’il devrait avoir la forme d’une sphère). Nous reviendrons plus loin sur cette question passionnante pour laquelle nous proposons une réponse qui, pensons-nous, exploite au mieux les dernières mesures fournies par WMAP.

Mais à présent, place au quatrième fruit des observations de WMAP. Ce fruit, c’est l’énergie noire. Un mot plutôt insolite, qui peut faire frémir. De quoi s’agit-il ? D’une énergie à ce jour totalement inconnue. Elle aurait cependant un effet spectaculaire : elle pourrait accélérer l’expansion de l’Univers. A chaque seconde, comme on l’a déjà observé, le cosmos se précipiterait de plus en plus vite vers l’infini. Or, le verdict de WMAP est tombé : le contenu de l’Univers serait fait de seulement 4 % de la bonne vieille matière de tous les jours, faite à partir d’atomes. Et le reste ? Un peu moins du quart serait composé de ce qu’on appelle la matière noire (une matière dont Einstein et Willem de Sitter avaient supposé l’existence dans les années 1930 et qui ne serait pas faite d’atomes) tandis que près des trois quarts restants seraient tout simplement de l’énergie noire. Peut-être bien. Le gros problème, c’est que personne ne sait vraiment ce qu’est l’énergie noire. D’où vient-elle ? Le mystère reste total.

Or, sur ce point, nous risquons à notre tour une explication. Nous pensons en effet que l’origine de la célèbre énergie noire n’existe pas ici, dans notre Univers, mais ailleurs. En réalité non pas après mais bien avant le Big Bang. Nous reviendrons bien sûr en détail sur ce phénomène. En attendant, le seul fait qu’il soit observé expérimentalement est déjà en soi fantastique.

Enfin, dernière conquête : selon le site officiel de la NASA, le fameux satellite astronomique commence à extraire ce qui a pu se passer un milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde après le Big Bang. En fait, autour de cette fameuse époque appelée « inflation », au cours de laquelle l’Univers s’est brutalement dilaté, au moins 10 puissance 50 fois en une fraction de seconde. On peut même lire sur le site de la NASA : « WMAP a détecté une signature majeure de l’inflation. » Nous voici donc tout près de ce qu’on pourrait appeler la création. Une nouvelle fois, notre point de vue est que certains phénomènes observés après le Big Bang ne peuvent être correctement compris que si leur source est située avant le Big Bang. Nous y revenons donc plus loin.

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En attendant, WMAP nous a permis de faire un pas de géant. Avec dans la foulée, encore tout un tas de choses plus intrigantes les unes que les autres. Par exemple, ce très mystérieux « courant noir » repéré depuis quelques mois par une équipe d’astronomes américains du Godard Space Flight Center. Selon les observations réalisées avec le concours de WMAP, un (ou plusieurs) amas de galaxies, situé à près de trois milliards d’années-lumière de chez nous, semble se ruer à environ trois millions de kilomètres à l’heure, vers une région lointaine de l’Univers. Pourquoi ? On se risque à penser qu’il pourrait s’agir d’une source gravitationnelle invisible, peut-être située au-delà de notre horizon. Ou peut-être de tout autre chose. Et que dire du dernier compte rendu de la NASA sur son site ? « Les fluctuations du rayonnement fossile mesurées par WMAP semblent aléatoires. Toutefois, il existe plusieurs signes de possibles déviations par rapport au simple hasard qui sont en cours d’évaluation. Des écarts significatifs seraient une signature très importante d’une nouvelle physique dans l’univers naissant. »

Mais une foule de questions plus immédiates continuent de se dresser sur notre chemin. En particulier, d’où viennent ces fameuses « rides du temps » dont nous vous parlons de long en large ? qu’est-ce qui peut expliquer ces infimes différences de température que l’on observe dans les profondeurs de la première lumière ? qu’est-ce que la mystérieuse énergie noire ? d’où vient le Big Bang ?

Sans faire d’annonces fracassantes, nous proposons dans la suite de ce petit livre d’apporter – le plus modestement possible – des débuts de réponse à ces questions (qui, dans notre approche, sont d’ailleurs reliées les unes aux autres). Toutefois, ces directions à suivre – ces fragiles hypothèses – n’ont de valeur que si elles sont confirmées par ce que l’on peut observer. C’est pourquoi encore aujourd’hui, nous attendons beaucoup de WMAP (en particulier des conclusions de ces sept ans d’observation et du tout dernier rapport avant l’arrêt de programme, prévu pour l’année prochaine). Et pour finir une bonne nouvelle : plusieurs des zones d’ombres évoquées plus haut sur lesquelles butent les experts pourraient bien être spectaculairement éclairées dans les mois à venir par le satellite PLANCK. C’est le troisième astronome mécanique du fond diffus de l’Univers. Une machine éblouissante, avec laquelle nous allons faire connaissance dans le chapitre qui suit.

1- In http://map.gsfc.nasa.gov/

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« Voir » le Mur de Planck

En ce moment même, alors que vous venez de tourner la page de ce livre, se déroule la plus fantastique expérience cosmologique de toute l’Histoire. Une expérience qui va encore bien plus loin que COBE et WMAP. L’enjeu ? Il suffit de se reporter au site de l’ESA1 ainsi qu’au site conjoint ouvert par la NASA, le Jet Propulsion Laboratory et Caltech pour en saisir la fantastique portée : « La mission, qui est dirigée par l’Agence spatiale européenne avec une participation importante de la NASA, nous aidera à répondre à la plus fondamentale de toutes les questions : comment l’espace a-t-il tout à coup commencé à exister et s’est-il étendu pour devenir l’Univers dans lequel nous vivons aujourd’hui2 ? » Nous sommes tous en attente de la réponse. Préparez-vous : celle-ci pourrait changer de fond en comble, dès les prochains mois, votre vision du monde.

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Imaginez…

A un million et demi de kilomètres de chez vous, commence un « paysage » effroyablement autre. Il y fait noir. Et froid. Moins de 3 degrés au-dessus du froid ultime, qu’on appelle le zéro absolu. Ou encore, plus de 270 degrés au-dessous de 0. Dans toutes les directions, c’est le vide, sans autres limites que le soleil et, bien plus loin, les étoiles, ces soleils étrangers qui brillent en silence, par milliards. Or au cœur de cet abîme solitaire et glacé, il y a quelque chose. Une masse de métal cylindrique d’environ deux tonnes, mesurant un peu plus de quatre mètres de diamètre. En somme, la taille et le poids de votre voiture ! L’engin file en silence dans les ténèbres à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres à l’heure. Et il fait en gros un tour sur lui-même à chaque minute.

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Ce minuscule îlot de civilisation perdu dans l’immensité qui fait rage autour de lui n’est autre que le célèbre satellite astronomique dont nous vous avons déjà parlé : PLANCK. Il a été lancé tout récemment, le 14 mai 2009. A la différence de ses deux prédécesseurs, PLANCK est européen. Pourquoi ce nom de PLANCK ? Sans doute pour deux raisons : la première est que, du moins indirectement, ce fantastique satellite cosmologique nous permettra de nous rapprocher de la frontière ultime de la réalité, là où tout commence avec le Big Bang : le Mur de Planck. Pour la première fois, le défi – immense – consiste à « voir » le Mur de Planck. Une utopie ? Non. Un défi. La deuxième raison, c’est que le rayonnement fossile possède, on l’a vu, un spectre de corps noir. Or, ce spectre obéit à une fonction qu’on appelle la « fonction de Planck ».

L’idée lointaine est apparue il y a environ dix-sept ans en France, au sein d’une grande institution de recherche : l’Institut d’Astrophysique Spatiale. A cette époque, un petit groupe d’hommes travaille sur un satellite qui, en ce moment même, glisse (lui aussi) dans la solitude glacée de l’espace, à un million et demi de kilomètres de chez nous. Son nom ? HERSCHEL. Son objectif ? Mieux comprendre comment les galaxies se sont formées, tout au début de l’Univers. Et comment, à leur tour, les étoiles naissent au sein des galaxies. Or, en cette année 1993, l’un des scientifiques du « groupe Herschel » a eu une idée : pourquoi ne pas utiliser certaines des techniques mises au point pour HERSCHEL sur un autre satellite ? Un satellite « cosmologique » qui, comme COBE, aurait pour mission de sonder la première lumière, mais avec une sensibilité mille fois plus grande.

Mille fois plus grande !

La proposition fait mouche et à l’Institut d’Astrophysique Spatiale, tout le monde est enthousiasmé. L’homme qui a eu cette formidable idée est un astrophysicien de l’Institut, Jean-Michel Lamarre. Très vite, un petit groupe se forme autour du fantastique défi avec à leur tête Jean-Loup Puget, de l’Académie des sciences. Et bientôt commence la prodigieuse aventure. Le responsable scientifique du projet sera Jean-Loup Puget. Quant à Jean-Michel Lamarre, il devient responsable scientifique de l’instrument. Ainsi s’est formé avec quelques autres, il y a longtemps déjà, le tout petit groupe des « Planckiens » (c’est le surnom qu’ils se sont donné). Aujourd’hui, ils sont plus de trois cents derrière le prodigieux astronome de métal.

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Et dès le premier jour, tous le savent : pour faire mieux que WMAP, pour remonter encore plus loin vers l’origine, la route sera longue et difficile. Pour réussir, il faudra un détecteur d’une sensibilité à peine imaginable, bien plus grande que tout ce qui existe jusque-là. Où le trouver ? Pragmatique et toujours en avance d’une réponse, Jean-Michel Lamarre propose alors sa solution : adapter au futur satellite cosmologique le détecteur ultrafroid de HERSCHEL (qu’il connaît sur le bout du doigt). Avec, à l’arrière, un système de refroidissement encore jamais réalisé. Ainsi est né le fameux HFI (instrument à haute fréquence). C’est lui le cœur de PLANCK, un détecteur qui, pour marcher, devra atteindre la température la plus basse de tout l’Univers : un dixième de degré au-dessus du zéro absolu ! Jean-Michel Lamarre a soigneusement conservé le carnet sur lequel, voici dix-sept ans, il a griffonné les tout premiers croquis de PLANCK et de son prodigieux détecteur à haute fréquence, son étonnant refroidisseur à dilution. Des images venues de loin qui, par un détour étonnant, illustrent aujourd’hui le trois cent quarante-huitième anniversaire de la Royal Society of London et les dernières pages de ce livre !

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PLANCK s’est donc envolé avec son cousin HERSCHEL à bord de la puissante ARIANE 5. On a réussi sur lui la sidérante manipulation évoquée plus haut : abaisser au-delà de l’imaginable la température de ses détecteurs. A tel point qu’à présent, PLANCK est bel et bien devenu l’objet le plus froid de tout l’Univers. Bien plus froid (presque 2,7 degrés de moins) que le vide spatial lui-même, là où pourtant la température frôle le zéro absolu ! Résultat : PLANCK est aujourd’hui le « thermomètre » le plus performant qui puisse exister. Ses capteurs (qu’on appelle, souvenez-vous du mot, des « bolomètres ») sont tellement sensibles qu’ils sont capables de mesurer des écarts de température causés par une « poignée » de photons et donc inimaginablement faibles : un million de fois plus petits que 1 degré ! En pratique, de deux à six millionièmes de degrés ! Ce chiffre donne le vertige. Si l’on prenait une immense plage au bord de la mer remplie d’un million de baigneurs, en un instant, PLANCK pourrait nous dire si un nouveau couple est arrivé sur la plage. Ou si au contraire, il en est reparti. Ou encore, si dans une prairie avec un million de brins d’herbe, il en manque deux ou trois. Si l’on revient maintenant aux températures, sa précision signifie que notre fameux satellite peut déceler depuis la Terre la chaleur d’un chat assis sur la lune ! Il est 30 fois plus sensible (et donc plus précis) que WMAP et encore 1 000 fois plus que COBE : pour prendre une photo vraiment nette du bébé Univers, il lui suffit d’un temps de pause d’un an contre 450 ans pour WMAP ! C’est donc PLANCK qui, désormais, détient les clefs ultimes. Celles qui vont nous permettre d’entrouvrir peut-être la porte la plus secrète de tout l’Univers.

Mais que pourrait-il y avoir au bout de cette porte ? Qu’est-ce qu’on attend de PLANCK ? Voici ce que nous a confié Jean-Michel Lamarre, le directeur scientifique de l’instrument le 18 mars 2010, au lendemain de la publication dans le monde des saisissantes images de la poussière froide prises par PLANCK : « PLANCK, avec son instrument hautes fréquences (HFI), constitue pour moi une avancée majeure en établissant des cartes du ciel nouvelles à tous points de vue et qui ouvrent deux domaines essentiels :

« Ces cartes permettent d’établir une image complète du fond diffus micro-ondes, c’est-à-dire une lumière émise juste après le Big Bang, quand l’univers n’avait que 0,003 % de son âge actuel. Mille fois plus sensible que COBE et 30 fois plus que WMAP, PLANCK produit des cartes avec une bien meilleure résolution angulaire (10 fois plus de pixels) et avec moins de bruit (pour une photo, on dirait moins de grain). Cela nous permettra de mettre à l’épreuve les théories multiples qui subsistent dans le domaine de la formation et de l’évolution de l’Univers. Nous avons pris un soin particulier pour éviter les effets parasites qui pourraient perturber l’interprétation des données.

« La première carte détaillée du ciel dans le domaine de longueurs d’onde comprises entre 0,3 mm et 3 mm nous donne accès à toute la matière froide de notre galaxie et des autres galaxies. La carte partielle qui vient d’être rendue publique met en évidence la structure des poussières froides du milieu interstellaire et des condensations où vont se former de nouvelles étoiles. Cette matière est à seulement une dizaine de degrés au-dessus du zéro absolu. Nous attendions cette mesure depuis trente-cinq ans ! Depuis les observations pionnières de Guy Serra (expérience AGLAE dans les années 1970).

« Mes attentes sont donc immenses dans ces deux domaines et je trouve ces premiers résultats enthousiasmants. »

En effet, déjà, les premiers fruits (attendus depuis près de quarante ans) arrivent. Depuis le 17 mars 2010, vous pouvez découvrir sur le site de l’ESA des images éblouissantes, dont la signification est à couper le souffle. Qu’est-ce qu’elles nous montrent ? De la poussière froide (de 10 à 20 degrés au-dessus du zéro absolu). C’est l’un des tout premiers secrets de la formation des étoiles que nous avons sous les yeux.

Mais PLANCK se prépare à nous en dire beaucoup plus3. A reprendre l’exploration là où WMAP s’est arrêté. Par quoi allons-nous commencer ? Par cette question presque naïve, pour laquelle, jusqu’ici, il n’y avait pas de réponse : pourquoi l’Univers est-il si bien réglé ?

1- In http://www.esa.int/SPECIALS/Planck/

2- In http://planck.caltech.edu/news20090813.html

3- Voir l’excellent site de PLANCK : http://public.planck.fr/

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Pourquoi l’Univers est-il
 si bien réglé ?

Un soir de juin 1990, à l’Académie française. Nous avions rejoint le philosophe Jean Guitton et André Lichnerowicz, l’un des grands physiciens mathématiciens du XXe siècle. Nos échanges portaient sur le livre que les deux académiciens venaient d’écrire ensemble sous le titre : Le Chaos et le Déterminisme1. Rêvant à ses lointains souvenirs d’enfance, Jean Guitton se préparait à approfondir l’une des nombreuses questions soulevées au passage de nos discussions sur Dieu et la science. D’une voix brève, un peu assoupie sous le chapeau en feutre qu’il portait dès qu’il sortait de chez lui, il parlait en passant presque sans bruit d’un mot à l’autre : « Par quelle étrange coïncidence la taille d’un homme est-elle égale au rayon de la Terre multiplié par celui d’un atome ? Pourquoi, de la même manière, la masse d’un être humain est-elle égale à la masse de la Terre multipliée par la masse d’un atome ? »

Avec ses mots bien à lui, dans un souci plus métaphorique que scientifique au sens strict, Jean Guitton venait de poser ce soir-là une question qui intriguait depuis longtemps déjà nombre de physiciens : celles de ces « violentes coïncidences » qui semblent exister entre certaines grandeurs jusqu’à donner un sens à l’Univers tout entier. Comment ne pas être troublé par ces grandeurs, ces coïncidences « miraculeuses » qui existent entre elles ? Toutes, sans exception, montrent que si les conditions initiales – au moment même du Big Bang – et, aujourd’hui, la valeur de ce qu’on appelle les « constantes fondamentales » avaient été un tant soit peu différentes, l’homme, la vie et l’Univers lui-même ne seraient jamais apparus.

Sans doute avez-vous déjà entendu parler de cet étrange constat. Or, il constitue une énorme surprise. A priori, ni la Terre ni l’homme ne sont au centre de l’immense Univers. Et pourtant : tout semble « ajusté » comme si le cosmos entier, de l’atome à l’étoile, avait exactement les propriétés requises pour que l’homme puisse y faire son apparition.

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Prenons par exemple ce qu’on appelle la « force nucléaire forte » : vous le savez, elle agit comme une sorte de « colle » à l’intérieur des atomes. Grâce à elle, les protons et les neutrons sont confinés au sein du noyau, ce qui fait qu’à notre échelle la matière « tient » solidement. Or comme l’observe Stephen Hawking, « si la force nucléaire forte était de 2 % plus élevée qu’elle ne l’est, la fusion de l’hydrogène deviendrait impossible. Ceci aurait évidemment des conséquences directes sur la physique des étoiles et ferait probablement obstacle à l’existence de vie similaire à celle qu’on observe sur Terre2 ».

Autre exemple troublant : si une seconde après le Big Bang, le taux d’expansion de l’Univers avait été plus lent ne serait-ce que de 1 sur un milliard, le cosmos naissant se serait effondré sur lui-même bien avant d’avoir atteint sa taille actuelle. A l’inverse, un Big Bang un tant soit peu plus « rapide » et les étoiles n’auraient jamais vu le jour.

Tout cela est bien sûr très troublant. Que se serait-il produit si une ou plusieurs des grandeurs sur lesquelles repose notre Univers avaient eu, dès le départ, des valeurs légèrement différentes ? Les architectes le savent bien : pour ne pas s’effondrer, leurs constructions doivent être rigoureuses, géométriques, exactes. Or tout se passe, justement, comme si l’Univers tout entier était lui aussi soumis à une même contrainte d’exactitude : on imagine mal un cosmos indécis. On ne demandera jamais à une étoile d’interpréter à sa façon, confusément, poétiquement, la loi de la gravitation, mais de lui obéir à la lettre, de l’exécuter intégralement, sans laisser de « trou » dans l’application de cette loi. En levant les yeux vers le ciel, on sent bien, sans forcer le trait, que les étoiles n’inventent rien : il règne dans le cosmos comme une exactitude enragée. Au stade de géante rouge, l’étoile mourante aura beau paraître indécise quant à son destin (s’effondrera-t-elle en étoile à neutrons ou en trou noir ?), elle n’échappera pas au scénario stellaire très rigoureux que sa masse a prédit pour elle : en s’effondrant, elle exprimera, entre autres, la loi sans faille de la gravitation. Son histoire d’étoile n’est pas tout à fait la sienne : elle figure et inscrit dans sa matière stellaire quelque chose de plus : des lois physiques qui ne fabriquent pas seulement des étoiles, mais aussi des planètes, des nuages, des oiseaux, des chiens, des maisons, des fours à micro-ondes ou des téléphones portables. Au mois de mai 2000, pendant nos dernières années de thèse, le cosmologiste David Wilkinson, l’un des pères de WMAP, nous avait alors déclaré : « Je suis certain que notre sonde cosmologique confirmera bientôt que dans l’Univers rien n’a été laissé au hasard. » Il est vrai que quelques années plus tard à peine, WMAP confirmera de manière saisissante et avec une incroyable précision le scénario des toutes premières années de vie de l’Univers : un scénario qui établissait une fois pour toutes l’extraordinaire rigueur du réglage des conditions initiales.

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Des atomes jusqu’aux étoiles, l’Univers semble fantastiquement structuré, hiérarchisé, ordonné. Bien au-delà de ce que nous pouvons comprendre. Au siècle des Lumières, il suffisait au philosophe Kant de lever les yeux vers le ciel nocturne pour y voir « un cosmos ordonné par la seule vertu des lois de la nature3 ». Or cet « ordre » mystérieux qui fait que les choses sont ce qu’elles sont, repose sur un petit nombre de ces mystérieuses « constantes physiques » évoquées plus haut : la vitesse de la lumière, la constante de gravitation, le temps de Planck, la masse de l’électron, etc. Il s’agit de grandeurs arithmétiques – des nombres – dont les valeurs sont fixes et d’une précision extrême. D’où viennent-elles ? Ce qu’on sait, c’est que ces nombres existent « depuis toujours », c’est-à-dire depuis les tout premiers instants du Big Bang. Et qu’ils n’ont pas varié depuis l’aube des temps. Mais par quel miracle ont-ils tout juste la valeur qu’il faut pour que « tout marche » dans l’Univers ? Par quoi – par qui – ont-ils été calculés ?

Voyons tout cela de plus près. Chacune de ces constantes s’écrit avec un chiffre, une virgule et, parfois, trente ou quarante décimales calculées derrière la virgule. Ces cascades de chiffres si précis, si incroyablement ajustés les uns aux autres, ces grandes constantes sur lesquelles repose en un invraisemblable équilibre tout notre Univers ont déconcerté, tourmenté, fasciné jusqu’à l’obsession les plus brillants esprits, tels le grand physicien allemand (naturalisé plus tard américain) Hermann Weyl, le souvent sceptique Arthur Eddington ou encore Paul Dirac et Richard Feynman, tous deux prix Nobel. Et aujourd’hui comme hier, le mystère reste entier.

En effet, à y réfléchir un tant soit peu, notre situation est très insolite. Partout dans l’Univers mais aussi jusqu’à la moindre parcelle à l’intérieur de votre corps, rien, absolument rien, n’échappe à ces fameuses constantes universelles. Pour autant, nous ne savons pas – et peut-être ne saurons-nous jamais – d’où elles viennent. Et bien sûr, aucun moyen d’agir sur elles. Mais les faits sont là : ce sont les valeurs précises de ces grands nombres qui font qu’en ce moment même, le livre que vous avez entre les mains ne tombe pas en poussière élémentaire. Et ce sont elles qui ont permis à l’Univers d’évoluer jusqu’à engendrer une forme de vie capable de l’observer. Tout cela est tellement déconcertant, tellement incroyable que de nombreux philosophes et scientifiques pensent y déceler une sorte de « projet cosmologique ». Dès la fin des années 1950, des astrophysiciens aussi réputés que Robert Dicke, par exemple, avaient observé que dans les cas où un seul paramètre aurait été légèrement différent – un « 2 » à la place d’un « 3 », par exemple –, l’Univers tel que nous le connaissons (et a fortiori, la vie telle qu’elle se manifeste sur notre planète) ne serait jamais apparu. Depuis, l’expérience a été répétée maintes et maintes fois : en assignant des valeurs légèrement différentes à ces constantes et en calculant, grâce à de puissants ordinateurs, ce qui se serait alors produit à l’échelle du cosmos, on découvre que dans la totalité des cas possibles, les univers qui en auraient résulté seraient soit stériles, soit chaotiques, soit encore inorganisés et informes. Prenons par exemple la gravitation. Il s’agit d’une force à laquelle nous sommes tellement habitués, un phénomène tellement banal qu’on oublie que c’est elle qui crée les marées en bord de mer, elle qui rend nos sacs de course toujours trop lourds ou encore elle qui nous permet de jouer à la pétanque : cette force agit clairement sur notre monde mais elle existe aussi « en dehors » du monde. C’est d’ailleurs ce qui fait qu’on la retrouve sur la Lune, sur Mars, sur Pluton ou sur n’importe quelle planète hypothétique en orbite autour d’un soleil appartenant à l’une des plus lointaines galaxies. Pourquoi cette loi est-elle universelle ? Comme toutes les autres lois de la nature, elle semble bien avoir une existence abstraite, indépendante, non réductible aux systèmes sur lesquels elle agit, uniquement saisissable par ses effets et seulement descriptible par les mathématiques. L’ensemble de ces lois fondamentales est ordonné selon des paramètres qui nous demeurent largement mystérieux : Pourquoi la vitesse de la lumière est-elle de 299 792 458 m à la seconde ou pour quelle raison le premier terme de la constante de gravitation revêt-il la valeur de 6,67 ? Pourquoi ces valeurs-là et pas d’autres ?

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A présent, voici quelque chose d’encore plus déconcertant. Jusqu’ici, nous vous avons parlé de constantes de l’Univers, sans faire de distinctions particulières. Or, parmi toutes ces grandeurs, il en existe certaines qui sont tout à fait spéciales, encore plus étranges : on les appelle des constantes « sans dimension ». Pourquoi sans dimension ? Parce que leur valeur numérique est universelle, c’est-à-dire qu’elle reste la même selon tous les systèmes de mesure possibles. On a récemment découvert (en fait au début des années 2000) que le fameux « modèle standard de la physique » repose sur une vingtaine de ces constantes fondamentales, que l’on dit être « sans dimension ». L’un des exemples le plus frappant est la célèbre « constante de structure fine » (qui régit la force électromagnétique, l’une des plus banales dans notre quotidien).

Elle a été découverte en 1916 par l’incontournable physicien allemand Arnold Sommerfeld, proche d’Einstein et maître à penser (entre autres) des Nobel Wolfgang Pauli et Werner Heisenberg. La valeur de cette constante (précisée en 2006) est exactement 1 divisé par 137, 035999679…, ce qui nous donne 0,0072973525376… Mais pourquoi cette valeur et pas une autre ? Personne ne le sait. Toujours est-il que l’implacable réalité est là : si l’on prend un seul de ces chiffres, par exemple ici le dernier trouvé (qui est 6) et qu’on le remplace par un 7 (ou par un 5 ou par n’importe quel autre chiffre), tout se détraque. La force électromagnétique « tombe en panne » et l’Univers tout entier cesse d’exister ! Cette chose folle hantait littéralement le physicien allemand Max Born, l’une des gloires de la mécanique quantique, prix Nobel en 1954 : « Si la constante de structure fine avait une valeur légèrement plus élevée que celle qu’elle a, nous ne serions plus en mesure de distinguer la matière du néant, et notre tâche pour démêler les lois de la nature serait désespérément compliquée. La valeur de cette constante n’est certainement pas due au hasard mais découle d’une loi de la nature. Il est clair que l’explication de ce nombre devrait être le problème central de la philosophie naturelle4. » C’est aussi ce que pensait un autre grand nom de la physique, Richard Feynman.

Nous vous avons déjà parlé de ce savant américain hors du commun. Enfant surdoué, il dévorait tous les livres de science – surtout les plus compliqués – qu’il pouvait chaparder ici et là. Encore au collège, il avait remporté haut la main le championnat de mathématiques de l’université de New York. Puis ce fut l’entrée au MIT et un peu plus tard à Princeton, toujours au pas de charge. Durant les années de guerre, alors qu’il n’a pas encore passé sa thèse, le voilà enrôlé, avec les meilleurs, dans le projet Manhattan. Là, il côtoie chaque jour la fine fleur de la physique mondiale, Niels Bohr, Hans Bethe (le fameux « Bêta » de l’article d’Alpher et Gamow), Enrico Fermi, Robert Oppenheimer et tant d’autres. Détail révélateur et insolite : il est le seul parmi les scientifiques et les militaires à avoir assisté sans lunettes noires – juste derrière le pare-brise d’un camion – à la toute première explosion de la bombe atomique, « pour ne rien perdre », disait-il, des événements démentiels se succédant en chaîne dans la fournaise nucléaire. Puis c’est la consécration avec les cours magistraux au Caltech qui le rendent célèbre dans le monde entier et enfin le prix Nobel. Musicien (il jouait à ravir du bongo), l’un de ses passe-temps favoris était de forcer la combinaison secrète des coffres-forts, ou encore de déchiffrer d’invraisemblables manuscrits codés (comme les hiéroglyphes mayas). Mais son attention véritable, il la porte sur ces nombres étranges qui circulent dans les profondeurs de l’Univers. Et bien sûr, celui qui le fascine le plus est la constante de structure fine. Une nouvelle fois.

Dans ses cours – on venait des quatre coins de l’Amérique pour y assister –, il insistait toujours longuement sur cette étrange constante. Et un beau jour, tout comme Smoot, il ne peut s’empêcher de voir dans cette suite miraculeuse, totalement inexplicable, la main de Dieu : « C’est l’un des plus grands mystères de la physique : un nombre magique donné à l’homme sans qu’il y comprenne quoi que ce soit. On pourrait dire que “la main de Dieu” a tracé ce nombre et que l’on ignore ce qui a fait courir Sa plume. On connaît le rituel expérimental auquel il faut procéder pour le mesurer, mais on ne sait pas quel programme il faut mettre dans un ordinateur pour en faire sortir ce nombre5. »

Il faut dire que ce nombre très étrange nous réserve bien des surprises. En voici une des plus troublantes : si nous le divisons par la constante de couplage contrôlant la gravitation, nous obtenons une nouvelle constante sans dimension, d’une importance cruciale, qui s’écrit 10 puissance 36, c’est-à-dire 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Or, comme le remarque Feynman, si nous supprimons un ou deux zéros dans cette constante, l’expansion est freinée et l’Univers reste réduit à une taille miniature. Donc, impossible pour la vie de se développer. Au contraire, quelques zéros en plus et ni les étoiles ni les planètes ne peuvent se former. « De quoi s’arracher les cheveux ! » s’exclamait alors Feynman en levant les bras au ciel.

Aujourd’hui, l’astrophysicien anglais Martin Rees, Baron de Ludlow, Astronome royal, président de la Royal Society et directeur du très sélectif Trinity College à Cambridge, partage l’avis de Feynman. Est-ce un hasard ? Lui aussi s’est intéressé de très près au rayonnement fossile. Il a d’ailleurs obtenu en 2005 le prestigieux prix Crafoord qu’il a partagé avec James Peebles.

Pour le Baron de Ludlow, l’Univers repose sur six constantes sans dimension. Il leur a consacré d’innombrables articles, études et séminaires, plusieurs ouvrages, de saisissantes conférences, en bref, toute une vie. Un jour, il a même laissé bouche bée les pairs de la Chambre des lords lorsqu’il leur a calmement montré qu’il suffisait de toucher un seul chiffre sur l’une de ces six constantes pour provoquer inéluctablement la fin du Parlement britannique. Et celle de tout l’Univers.

*

Parmi ces grands nombres qui intriguent le Baron de Ludlow, il y en a un qui jalonne d’épisodes dramatiques, de retournements spectaculaires l’histoire de la physique, à laquelle elle apparaît autant liée qu’à celle de l’Univers : la fameuse « constante cosmologique ». Ce nouveau nombre mérite que nous nous y arrêtions quelques instants.

Vous le savez peut-être, la valeur de la constante cosmologique est l’un des paradoxes les plus troublants de la physique actuelle. Pourquoi ? Parce que tout se passe comme si la fameuse constante avait été calculée, « réglée » avec une précision inimaginable, qui tient du miracle. Un prodige que Smoot ne manque pas de relever dans son livre : « Le Big Bang, l’événement le plus cataclysmique que nous puissions imaginer, à y regarder de plus près, apparaît finement orchestré 6. »

Selon certains – philosophes mais aussi hommes de science –, c’est là, dans cette valeur fantastiquement déterminée (à la cent dix-neuvième décimale près), que l’on retrouve, une nouvelle fois, quelque chose comme le visage de Dieu. En effet, il existe des contributions positives d’une part et négatives d’autre part qui, ajoutées les unes aux autres, font que la constante cosmologique a la valeur qu’elle a. Et cette valeur est absolument extraordinaire : c’est ce qui permet à l’Univers d’atteindre la densité critique (incroyablement près de la valeur 1) grâce à laquelle il est pratiquement plat. Et voici encore un nouveau motif d’émerveillement face au « réglage » de l’Univers au moment de sa naissance. En effet, Gamow et Weinberg (l’infatigable explorateur des trois premières minutes) ont calculé qu’environ 200 secondes après le Big Bang, la densité moyenne était celle de l’eau (soit un gramme par centimètre cube). Ce qui signifie que le rapport entre la densité moyenne et la densité critique (appelé, vous le savez, Oméga) différait de 1 seulement d’une décimale après treize zéros derrière la virgule. Et au moment du Big Bang, au temps de Planck (10 puissance moins 43 seconde), Oméga était vertigineusement proche de 1 : il s’écrivait 1, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 ! La déviation par rapport à 1 n’apparaît qu’à la soixantième décimale. Passablement ébranlé, George Smoot n’a alors pas pu s’empêcher d’observer : « Une valeur si proche de 1 ne peut pas être le fait du hasard, et les gens raisonnables pensent que quelque chose oblige Oméga à être égal à 1 7. »

Ce « quelque chose » pourrait donc bien être la constante cosmologique. Sommes-nous au bout de nos surprises ? Non, car surgit aussitôt une nouvelle question : comment, par quel prodige, la constante elle-même arrive-t-elle au chiffre tellement précis qui est le sien et pas à un autre ? C’est là que les choses deviennent franchement renversantes. En effet, les contributions positives venant des quatre forces de l’Univers et les contributions négatives venant de la matière s’annulent jusqu’à la 120e décimale ! Ce qui veut dire qu’en unités de Planck, la constante s’écrit 0 puis la virgule puis 119 zéros derrière, jusqu’à ce que l’on trouve enfin un chiffre non nul au 120e rang8 ! Autre manière de voir ce prodigieux réglage : la constante en question a une chance sur un milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de milliard de tomber juste sur la « bonne valeur » (c’est-à-dire la sienne) par hasard ! Curieusement, ce très étrange paradoxe est en accord avec une prédiction faite par Steven Weinberg en 1987 : celui-ci a fait valoir que la constante cosmologique devait être nulle jusqu’à la 120e décimale. Un tant soit peu plus grande et l’Univers se serait dilaté trop vite pour que les étoiles et les galaxies aient le temps de se former. Au contraire, à peine plus petite et le cosmos se serait effondré sur lui-même depuis bien longtemps.

*

En réalité, cela faisait déjà longtemps que nombre de physiciens étaient intrigués par ces « étranges coïncidences » entre telles grandeurs numériques et tels phénomènes physiques. Dès la fin des années 1930, Paul Dirac lui-même avait été fortement troublé par ces curieuses correspondances : ne pouvait-on alors supposer que dans la longue histoire de l’Univers, rien n’avait été laissé « au hasard » ? L’écrivain Helve Kragh, qui a consacré en 1990 une passionnante biographie à Paul Dirac, raconte que ce dernier a été très impressionné par ce qui s’est produit lors d’une conférence qu’il donnait au Palais de la Découverte, à Paris, en décembre 1945. A sa grande surprise, lorsqu’il a pris place sur l’estrade de conférencier, il a découvert que l’amphithéâtre était littéralement bondé : plus de 2 000 personnes se pressaient sur les gradins, applaudissant à tout rompre, alors qu’il n’avait même pas pris la parole. A cet instant, Dirac eut le désagréable sentiment d’une méprise : cette foule si avide de l’écouter ne le prenait-elle pas pour quelqu’un d’autre ? Il se tourna alors vers l’un des organisateurs qui, très gêné, finit par lui avouer :

— Monsieur le Professeur, tout le monde croit dans cette salle que vous êtes l’un des pères de la bombe atomique. Ils sont tous venus pour ça !

A cet instant, glissant un regard circulaire sur la foule qui n’en finissait pas de l’applaudir, Dirac faillit tourner les talons et quitter la salle. Mais heureusement, le regard plein d’admiration de sa femme Margit (qui n’était autre que la sœur d’Eugène Wigner, prix Nobel de physique en 1963) allait le convaincre de délivrer malgré tout sa conférence. Au grand dam de l’assistance qui avait cessé de l’applaudir dès les premiers mots de son discours, Dirac ne fera pas la moindre allusion à la bombe. Au lieu de cela, il va s’obstiner à démontrer avec la plus grande minutie, pendant presque deux heures, que tous les grands nombres qui apparaissent dans les théories physiques expriment une relation entre le monde infiniment petit des particules élémentaires et celui, infiniment grand, de l’Univers. Totalement sourd aux questions sur la bombe, mais soucieux du moindre détail technique (et probablement pour se venger du fait que cette foule ait osé le prendre pour l’un des pères de la bombe atomique), il prit le plus grand soin à établir que le nombre de protons disséminés à l’intérieur du rayon de Hubble (c’est-à-dire la distance parcourue par la lumière depuis les débuts de l’Univers) était de 10 puissance 80 : un nombre environ égal à celui des protons et neutrons de l’Univers tout entier. Et toujours selon Dirac, ce n’était évidemment pas un hasard si ce nombre représentait le carré du fameux 10 puissance 40. Autant dire que ces subtilités passaient largement au-dessus de la tête de tous ceux qui, ce jour-là, étaient venus entendre un « grand savant » parler de la bombe et que personne ne comprit goutte au discours parfaitement opaque du conférencier.

On a raconté par la suite que Dirac a souvent repensé à cette méprise : que se serait-il passé s’il avait vraiment fait partie du projet Manhattan ? Certes, pendant les années de guerre, alors qu’il se trouvait à Oxford, il avait bel et bien travaillé sur certains problèmes liés à la bombe, mais de là à le considérer comme l’un des « pères » de cette arme, il y avait un gouffre. Etait-ce parce qu’il était profondément pacifiste ? Toujours est-il qu’il finit par conclure qu’un « réglage fin » avait fait basculer son destin et que plusieurs « heureuses coïncidences » qu’il croyait avoir repérées l’avaient éloigné des recherches auxquelles beaucoup de ses proches (comme Robert Oppenheimer, par exemple) avaient participé. C’est peut-être à cause de l’incident du Palais de la Découverte que Dirac avait fini par conclure que le destin d’une vie correspond à un ordre profond susceptible, à force d’en rechercher les causes, d’être analysé et expliqué. Et selon lui, pour l’Univers, c’était exactement la même chose.

*

Au fond, la seule question qui compte vraiment c’est celle-ci : l’Univers est-il apparu par hasard ou s’agit-il, comme aimait à en plaisanter l’astrophysicien Fred Hoyle, d’un « coup monté » ? L’aventure de la vie résulte, semble-t-il, d’une tendance naturelle de la matière à s’organiser spontanément en systèmes de plus en plus hétérogènes et de plus en plus complexes. Mais pour quelle raison profonde ? Y a-t-il une ou plusieurs « lois » encore inconnues qui, dans certaines conditions d’énergie, poussent la matière à s’organiser jusqu’à devenir « vivante » ? A juste titre, Ilya Prigogine, prix Nobel de chimie 1977, a consacré une grande partie de sa vie à montrer qu’il existe une sorte de trame continue unissant l’inerte, le pré-vivant et le vivant, la matière tendant, selon lui par construction, à s’autostructurer pour devenir matière vivante : c’est là tout le secret de ce qu’il appelle les « structures dissipatives ». En fait, toujours selon Prigogine, l’Univers n’est pas seulement un immense ensemble matériel d’étoiles et de planètes, c’est surtout une stupéfiante organisation hiérarchique qui conduit nécessairement les molécules inanimées vers la vie. En d’autres termes, la vie apparaît comme l’expression nécessaire d’un Univers dont le réglage sous-jacent implique que les molécules les plus simples s’organisent en systèmes plus complexes jusqu’à engendrer du vivant. Faisant un pas de plus vers l’intuition d’un ordre profond, le physicien américain (d’origine anglaise) Freeman Dyson, l’un des pères de la chromodynamique quantique, ira même jusqu’à écrire : « Plus j’analyse l’Univers et étudie les détails de son architecture, plus je rencontre de preuves selon lesquelles, dans un certain sens, l’Univers “savait” que nous allions apparaître. Il y a plusieurs exemples saisissants au sein des lois de la physique nucléaire d’accidents numériques qui semblent conspirer pour rendre l’Univers habitable9. »

De la même manière que Hawking, Freeman Dyson, également très perplexe, s’est lui aussi interrogé, lors d’une conférence à l’Université Interdisciplinaire de Paris, sur l’ordre mystérieux qui semble s’étendre sur le réel : « La puissance des forces d’attraction nucléaire est tout juste suffisante pour s’opposer à la répulsion électrique qui s’opère entre les charges positives des noyaux des atomes ordinaires comme les atomes de fer ou d’oxygène. Et il existe bien d’autres accidents fort chanceux en physique atomique. Sans ces accidents, l’eau n’existerait pas sous sa forme liquide, les chaînons d’atomes de carbone ne pourraient pas se combiner en molécules organiques complexes, et les atomes d’hydrogène ne pourraient pas servir de ponts entre les molécules. C’est donc grâce à tous ces accidents physiques et astronomiques que l’Univers est un lieu aussi hospitalier pour les créatures vivantes. Etant un scientifique éduqué dans le mode de pensée et le langage du XXe siècle et non du XVIIIe siècle, je ne prétends pas que l’architecture de l’Univers prouve l’existence de Dieu, je dis seulement que cette architecture est compatible avec l’hypothèse selon laquelle “l’esprit” joue un rôle essentiel dans le fonctionnement de l’Univers. Je pense que l’Univers tend vers la vie et la conscience et qu’il y a du sens parce que nous sommes là pour l’observer et appréhender sa beauté harmonique. Mais j’insiste sur le fait qu’il s’agit là d’un pari métaphysique et non d’un strict raisonnement scientifique10. »

*

Contrairement à ce qu’affirme le biologiste Jacques Monod, grand défenseur de l’idée de hasard universel, la vie ne semble pas explicable par une série d’accidents. Il y a aussi peu de chances, comme l’observe le théoricien de la complexité James Gardner11, que des systèmes complexes soient apparus par hasard dans l’Univers, qu’un Boeing 747 s’assemble spontanément au cœur de la ceinture des astéroïdes, à partir des matériaux environnants. Tout semble au contraire avoir été minutieusement préparé, organisé dans le grand Théâtre cosmique pour permettre l’apparition, sur la scène de l’Univers, d’une matière ordonnée, puis de la vie, et enfin de la conscience. Ce réglage d’une précision vertigineuse permet-il d’en déduire de facto une Intelligence organisatrice transcendant notre réalité ? C’est peut-être à cette intelligence-là qu’Einstein songeait en 1936, lorsqu’il a répondu (par lettre, quelques jours plus tard) à un enfant qui lui demandait s’il croyait en Dieu : « Tous ceux qui sont sérieusement impliqués dans la science finiront un jour par comprendre qu’un esprit se manifeste dans les lois de l’Univers, un esprit immensément supérieur à celui de l’homme. »

1- Alexandre Favre, Henri Guitton, Jean Guitton, André Lichnerowicz, Etienne Wolff, Chaos and Determinism, Johns Hopkins Press, 1995.

2- Stephen Hawking, op. cit.

3- Michel Puech, Kant et la Causalité – Etude sur la Formation du Système critique, Libraire Philosophique Vrin, 1990.

4- Max Born, My Life : Recollections of a Nobel Laureate, Taylor & Francis, Londres, 1978.

5- Richard P. Feynman, in QED : The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press, 1985.

6- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

7- Ibid.

8- Au passage, précisons que les unités de Planck représentent un système d’unités uniquement défini à l’aide de certaines constantes fondamentales. Curieusement, les physiciens leur donnent souvent le surnom d’« unités de Dieu ».

9- In Paul Davies, The 5th Miracle, Simon & Schuster, 1999.

10- In http://www.vip.edv/vip/spip.php?article628.

11- James Gardner, The Intelligent Universe : AI, ET, and the Emerging Mind of the Cosmos, New Page Books, 2007.

16

Quelle est la forme de l’Univers ?

24 février 2010, à Paris. Il est tard, plus de 2 heures du matin. Dans le noir indifférent, une balise d’alerte vient de s’allumer : un mail de George Smoot. La veille, nous lui avions demandé ceci : « A votre avis, quelle est la forme de l’espace à trois dimensions dans lequel nous vivons ? Est-ce que les observations les plus récentes favorisent un espace plat ou bien très légèrement courbé, comme une sphère à trois dimensions ? »

Sa réponse est des plus intéressantes : « La topologie la plus probable de l’espace à trois dimensions est “simplement connexe”, comme un cube géant ou une sphère complète (aucune section du volume ne manque) et il est extrêmement grand. Les observations de la première lumière montrent que la taille de l’Univers est très grande – au moins les deux tiers de l’horizon de Hubble et sans doute beaucoup plus grande encore1. »

Ce que Smoot appelle l’horizon de Hubble est simplement la limite de l’Univers observable, située à 13 milliards 750 millions d’années-lumière de chez nous. En kilomètres, cela fait – en gros – quelque chose comme 122 mille milliards de milliards de kilomètres.

Un an plus tôt, le 9 février 2009, nous avions déjà reçu une première lettre de George Smoot. Selon lui, la possibilité pour que notre espace ait une courbure positive – c’est le cas de la sphère – « est permise par les observations2 ». Mais, ajoute-t-il aussitôt, les données dont nous disposons « sont également compatibles avec un Univers plat ».

Alors ? Où en sommes-nous aujourd’hui ? Notre Univers est-il plat ou, au contraire, courbé ? Pour la première fois, nos moyens d’observation – en fait, pour l’essentiel, les satellites WMAP et PLANCK – nous permettent d’entrevoir une réponse. Et nous allons vous proposer la nôtre dans ce livre.

*

Quelle est la forme de notre Univers ? Si vous posez aujourd’hui la question à n’importe quel astrophysicien, il vous répondra – comme la plupart de ses collègues – que l’espace à trois dimensions, celui dans lequel nous vivons, est « plat ». Qu’est-ce que cela veut dire ? Que si, par exemple, vous partez en voiture droit devant vous, que vous dépassez le système solaire, puis les limites de la Voie lactée puis, encore plus loin, la région de l’amas local de galaxies, vous ne reviendrez jamais à votre point de départ. Jamais. Au contraire, vous avancerez encore et toujours, de plus en plus loin, sans jamais atteindre l’horizon ni rencontrer de limite. C’est cela, un espace plat !

L’idée que l’Univers est plat est aujourd’hui fermement ancrée chez les astrophysiciens. Elle repose sur les mesures (fournies essentiellement par le satellite WMAP) de la quantité de matière existant dans l’Univers. Et voici l’étonnant : ces mesures convergent toutes vers une densité dite « critique », dont la valeur est incroyablement proche de 1 et correspond donc à un espace plat ! Ce résultat est d’autant mieux admis qu’il s’insère dans l’une des principales prédictions de la célèbre théorie de l’inflation (selon laquelle, une fraction de seconde après le Big Bang, l’Univers s’est mis à enfler démesurément, jusqu’à ce qu’il devienne plat).

Soit.

Mais l’idée d’un espace plat est-elle pour autant fondée ? Nous ne le pensons pas. Ou plutôt, si nous acceptons l’idée que l’espace est bel et bien plat localement (c’est-à-dire dans des régions relativement petites), ce n’est sans doute pas le cas globalement, c’est-à-dire à l’échelle de l’Univers tout entier. Pourquoi ? La réponse est toute simple. Pour que l’espace soit plat partout jusqu’à l’infini, il faudrait que le paramètre critique dont nous avons parlé plus haut – que les scientifiques appellent Oméga – soit rigoureusement égal à 1. Non pas 1, 00… et quelque chose (c’est-à-dire une approximation autour de 1) mais exactement 1. Est-ce bien le cas ? En réalité, pas vraiment. Les meilleures mesures fournies en janvier 2010 par WMAP – les plus fines, résultant de sept années d’observation – donnent pour Oméga une valeur comprise entre 0,991 et 1,173. Il suffit de lire les chiffres pour réaliser que la valeur d’Oméga, engloutie dans les barres d’erreur, se rapproche bien sûr de 1 mais ne doit pas être interprétée comme nécessairement égale à 1.

A l’appui de ce constat, rendons-nous sur le site de la NASA. L’Univers y est bel et bien décrit comme presque plat : « Imaginez que vous viviez à la surface d’un ballon de football (dans un monde à 2 dimensions). Il serait pour vous évident que cette surface est courbée et que vous vivez dans un univers fermé. Cependant si ce ballon se dilatait à l’échelle de la Terre, il vous apparaîtrait plat, même s’il s’agit encore d’une sphère d’échelle plus grande. A présent, imaginez que vous agrandissiez votre ballon jusqu’aux échelles astronomiques. Pour vous, aussi loin que vous puissiez l’observer, il vous semblerait plat même s’il avait pu être très courbé à l’origine. L’inflation a étendu toute courbure initiale de l’Univers à 3 dimensions jusqu’à ce qu’elle devienne presque plate3. »

Presque plate : venant de la NASA, l’expression est réconfortante ! Car en l’état actuel des observations, l’espace à trois dimensions ne peut pas être considéré comme plat (sauf localement, sur des petites régions de l’Univers).

*

En revanche, comme le fait observer George Smoot (et il est loin d’être le seul), ces mesures sont compatibles avec une courbure légèrement positive (comme pour une sphère). Bien sûr, comme l’Univers est aujourd’hui immensément grand, cette courbure est fantastiquement faible, presque indécelable. Mais pour autant, nous sommes persuadés qu’elle existe ! Pour vous faire une idée sur ce point, reportez-vous simplement à l’un des tout derniers articles signés par les meilleurs experts de WMAP (Charles Bennett, David Spergel, Gary Hinshaw, Eiichiro Komatsu, Gregory Tucker, etc). L’article en question est référencé sur le site de la NASA. Que peut-on y découvrir en page 15 ? Cet étonnant résultat, obtenu en considérant que la courbure est un paramètre du modèle : « Tandis que ce résultat est compatible avec un Univers plat, le modèle préféré est légèrement courbé et fermé4. » C’est très exactement ce que nous pensons et avons soumis à la discussion depuis 1998 (sans avoir été vraiment suivis jusqu’ici). Nous l’avons écrit ailleurs : prétendre que l’Univers est plat nous semble aussi naïf que de croire que la Terre est plate. La comparaison vous paraît exagérée ? En tout cas, pas à George Smoot qui, dans son passionnant livre Les Rides du Temps5 a écrit : « L’idée d’un Univers courbé semble aussi étrange à beaucoup de personnes que l’idée d’une Terre ronde il y a plusieurs siècles. »

A ce stade, il nous faut tout de même faire un aveu : jusqu’ici, les mesures ne nous permettent pas encore de trancher avec certitude. Les dernières estimations de WMAP ont beau aller dans le sens d’une courbure légèrement positive, le flou qui entoure les mesures est encore trop grand pour qu’un consensus définitif puisse émerger. L’étape suivante ne sera franchie que par la nouvelle génération : le satellite PLANCK. Sur le site public consacré au désormais célèbre engin spatial, on trouve en tête des questions posées celle-ci, comme pour bien faire apparaître que le débat est loin d’être clos : « Quel est l’âge et la forme de l’Univers6 ? » Or nous en sommes absolument certains : les futures analyses du fond cosmologique par PLANCK confirmeront la tendance amorcée avec WMAP. Et feront pencher définitivement la balance du côté d’un Univers courbe et fermé.

*

Reste encore à découvrir quelle forme aura cet espace courbe à trois dimensions. Ici, nous n’avons que l’embarras du choix : l’espace peut ressembler à un colossal pneu de voiture à trois dimensions, ou à un beignet (toujours à trois dimensions, bien sûr). Toutefois, nous pensons que parmi toutes les formes possibles et imaginables, l’Univers est allé au plus simple. Et quelle est donc la forme la plus simple ? C’est la sphère ! Mais attention : notre espace n’a pas deux dimensions mais trois. Par conséquent, dans notre espace fini à trois dimensions, la forme la plus simple, c’est une sphère à trois dimensions (et non pas à deux, comme le ballon de foot). Vous vous en souvenez peut-être, la sphère à trois dimensions est la forme adoptée par Riemann pour son modèle et par Einstein pour le sien. Ce qui, évidemment, nous incite à penser que le choix de la sphère est « le bon ».

Mais est-ce vraiment certain ? En fait, oui. Ce résultat magnifique a déjà été formulé il y a plus d’un siècle, en 1904, par le grand mathématicien Henri Poincaré. Mais voici l’étonnant : il aura fallu plus de cent ans d’efforts, de tâtonnements, de travaux acharnés pour qu’enfin la célèbre conjecture (l’un des sept problèmes du millénaire, selon la Fondation Clay en Amérique) soit démontrée et devienne un théorème. Qui est l’auteur de cette prouesse ? Grisha Perelman, un mathématicien russe jusqu’alors inconnu du grand public. Il vit aujourd’hui avec sa mère à Saint-Pétersbourg (la ville de Friedmann) dans un modeste immeuble loin de tout. Il a l’habitude de rester sans manger ni dormir jusqu’à ce qu’il ait résolu le problème qui l’occupe. Et pour se détendre il joue délicatement du violon ou écrase ses adversaires au tennis de table (qu’il faut, précise-t-il, pratiquer « avec colère » si on veut gagner).

Ne faisant rien comme tout le monde, il a publié sa démonstration en trois brefs articles entre 2002 et 2003 directement sur le site internet de l’arXiv (et non dans une revue à comité de lecture). Lorsqu’on lui a décerné la médaille Fields (le prix Nobel pour un mathématicien, remis seulement tous les quatre ans), il a haussé les épaules et a refusé en bloc la médaille, l’argent et le voyage à Madrid qui lui étaient offerts. Et rien ne dit que le « prix du Millénaire » que vient de lui décerner le 18 mars 2010 la Fondation Clay ne subira pas le même sort. Allergique aux honneurs et au tapage médiatique, l’ombrageux lauréat ne semble nullement disposé à venir à Paris cet été pour chercher son prix. Et pas davantage à proposer une méthode qui permettrait à la Fondation de lui verser la somme d’un million de dollars qui, en principe, lui revient. Seule compte pour lui sa démonstration, longue et compliquée (même pour ses propres collègues). Des formules incompréhensibles. Des calculs bourrés de symboles indéchiffrables. Mais le résultat est là, clair comme un lever de soleil dans un ciel sans nuages : en trois dimensions, la sphère est l’objet le plus naturel de tout l’Univers. Aussi nous vous proposons d’adopter notre devise : tout comme la Terre est ronde, l’Univers, lui aussi, est rond.

*

Que signifie tout ceci ? Le fait que l’espace dans lequel vous êtes en train de lire ces lignes soit probablement rond a d’immenses conséquences. Car cette sphère contient un secret. Quelque chose qui va nous permettre de remonter avant le Big Bang, jusqu’à l’instant zéro. Par quel miracle ? C’est ce que nous allons découvrir dans le prochain chapitre en abordant une nouvelle question, des plus brûlantes, posée dès 1992 par George Smoot : D’où viennent les rides du temps ?

1- E-mail de George Smoot du 24 février 2010.

2- E-mail de George Smoot du 9 février 2009.

3- In http://209.85 129 132/search ? q=cache : Dmz4rjoJOf4J : map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html+wmap+fine+ tuning&cd=1&hl=fr&ct=clnk&gl=fr&client=safari

4- D. Larson et all., « Seven-year Wilkinson Microwave Anisotropy probe observations : Power Spectra and Wmap-Derived parameters », Astro-physical journal (supplement Series), arXiv : 1001.4635.

5- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

6- In http://public.planck.fr/

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D’où viennent les rides du temps ?

Si vous visitez un jour le site de la NASA consacré à WMAP, vous pourrez y lire ceci : « L’on observe que la température du rayonnement fossile varie très légèrement d’un point à l’autre du ciel. Mais qu’est-ce qui produit ces fluctuations et comment sont-elles reliées aux étoiles et aux galaxies ? »

C’est toute la question : D’où viennent ces différences de température que l’on observe depuis 1992 ?

Si vous allez d’un centre de recherche à l’autre et que vous faites le recensement des grands problèmes non résolus en cosmologie, vous verrez qu’en haut de la liste se trouve la question essentielle : D’où viennent les fluctuations du rayonnement fossile ?

Jusqu’à présent, il n’y a pas vraiment de réponse. Et lorsque, au hasard d’un article, se risque une explication, celle-ci reste toujours très vague. L’idée générale est que ce sont les fluctuations du vide initial, juste au moment du Big Bang, qui pourraient avoir engendré les fameuses « sautes » de température. Soit. Mais l’hypothèse nous semble devoir être précisée dans les détails, ne serait-ce que pour apercevoir les véritables mécanismes sur lesquels elle repose. C’est ce que nous proposons de faire dans la suite.

*

Venons-en une nouvelle fois à ce que l’on observe : la « carte » de la distribution de la matière en l’an 380 000. La première idée est que les différences de couleur d’une région à l’autre proviennent obligatoirement d’un état antérieur de l’Univers, avant que la lumière ne s’échappe de la matière. Mais ici surgit une première question : jusqu’où va-t-on devoir remonter pour trouver ce qui a pu causer ces fameuses fluctuations ? En fait très tôt, bien en dessous de la première seconde.

Pour en avoir le cœur net, nous avons posé la question aux deux principaux héros de la grande aventure de COBE : John Mather et George Smoot eux-mêmes. Voyons d’abord ce que nous dit Smoot sur le mode constructif qui est le sien : « Il est possible d’utiliser les observations du rayonnement fossile pour découvrir ce qui se passe très tôt dans l’histoire de l’Univers. A l’heure actuelle, on utilise deux méthodes. La première consiste à se servir des variations de température pour révéler des ondes sonores en provenance d’une époque extrêmement précoce dans l’histoire de l’Univers. Leurs caractéristiques nous renseignent alors sur ce qui s’est passé autour d’une minuscule fraction de seconde après le Big Bang. La seconde approche consiste à utiliser le motif de la polarisation linéaire pour chercher des traces d’ondes gravitationnelles produites en même temps que les perturbations de densité. C’est une tâche très difficile, qui sera peut-être accomplie par le satellite PLANCK. Ou pas.

Dans les scénarios les plus probables concernant la production d’ondes gravitationnelles et les perturbations de densité, on remonte plus tôt que le premier millième de milliardième de seconde après le début du Big Bang1. »

D’ailleurs dès 1993, dans son livre, Smoot précisait : « Notre résultat montrait que la gravitation pouvait effectivement avoir modelé l’Univers actuel à partir des fluctuations quantiques minuscules formées dans les premières fractions de seconde suivant le Big Bang2. »

Voilà déjà de quoi rassurer ceux qui pensent que rien de sérieux ne peut se faire en dessous des premières minutes après le Big Bang. Quant à John Mather, il va encore plus loin : « Les anisotropies, mesurées par le radiomètre à micro-ondes de COBE et aujourd’hui par beaucoup d’autres instruments, nous montrent l’Univers tel qu’il était à l’époque du découplage, environ 389 000 ans après le commencement. Mais bien sûr, les structures observées ont dû être imprimées beaucoup plus tôt, à travers des processus quantiques qui remontent jusqu’au temps de Planck, la toute première 10 puissance moins 43 seconde3. »

C’est le moment même du Big Bang. Mais Mather n’en reste pas là. Tout comme George Smoot, il poursuit en abordant ce qu’on appelle la « polarisation » du rayonnement fossile. En gros, on peut comprendre la polarisation d’un rayon lumineux comme lié à son orientation4. « La polarisation du rayonnement fossile, qui commence maintenant à être mesurée, est également imprimée sur ce rayonnement à l’époque du découplage. Mais il existe une partie de ce rayonnement, appelée mode B (parce que sa divergence est nulle) qui, pense-t-on, résulte des ondes gravitationnelles présentes, elles aussi, à 10 puissance moins 43 seconde, le tout premier instant5. »

*

Nous verrons plus loin ce que sont ces mystérieuses ondes gravitationnelles. En attendant, la première conclusion de ce qui précède, c’est que le rayonnement fossile se comporte un peu comme une feuille de papier sur laquelle seraient imprimées des informations. Or, ce qu’il nous faut comprendre ici, c’est que l’impression elle-même ne date pas de l’an 380 000 mais remonte bien plus tôt, en fait, comme nous l’a écrit John Mather, jusqu’à l’instant de Planck, au moment même où commence le Big Bang. C’est peut-être la principale raison pour laquelle George Smoot a pu s’exclamer qu’observer les stries du rayonnement cosmologique, c’est comme voir le visage de Dieu : ces stries trouvent leur source lointaine au moment même de la création matérielle de l’Univers. En disant cela, nous rejoignons aujourd’hui la majorité des scientifiques pour qui le rayonnement fossile est un miroir qui reflète la création de l’Univers. Cependant, ne peut-on pas aller plus loin ? Préciser – et même justifier – cette affirmation ?

Si vous posez la question à un expert du fond cosmologique (une autre façon de désigner le rayonnement fossile), il se contentera d’une réponse assez générale, consistant en gros à dire qu’au moment du Big Bang, lorsque l’Univers était bien plus petit que la plus infime des poussières, l’espace et le temps eux-mêmes n’étaient pas stables, un peu comme un océan qui se déchaîne lorsque le vent se lève. Ces fluctuations microscopiques auraient été imprimées dans l’espace-temps naissant puis fantastiquement dilatées par ce qu’on appelle l’inflation, vers 10 puissance moins 35 seconde après le Big Bang. C’est très exactement ce que nous dit John Mather : « L’empreinte est imprimée extrêmement tôt puis étirée plus tard par l’inflation. La manière dont je vois ça est que l’empreinte, déjà là avant, reste “gravée” tout au long de l’inflation6. »

Enfin, 380 000 ans plus tard, on retrouve ces empreintes sous forme de fluctuations de température de la première lumière. Ceci est donc le scénario généralement accepté par la plupart des astrophysiciens. Toutefois, dans la mesure où l’on en sait très peu sur les conditions qui régnaient au moment du Big Bang, l’explication quant à l’origine des étranges « rides du temps » ne va habituellement guère plus loin.

*

Pourtant, nous pensons qu’il est possible d’en savoir davantage. Le secret ? Selon nous, il faut le chercher du côté de l’extraordinaire équilibre qui dominait tout l’espace-temps à l’échelle de Planck. Un équilibre que l’on ne peut comparer à rien de ce qui existe aujourd’hui dans l’Univers. Mais dont on peut comprendre et décrire les extraordinaires propriétés. Il semble exister un lien, visible aujourd’hui, entre les étranges stries du rayonnement fossile et l’état unique dans lequel se trouvait l’Univers juste avant le Big Bang. Découvrir ce lien, c’est mieux comprendre l’Univers. Mais aussi, avec l’un des secrets de la création, trouver la place qui est la nôtre dans l’immensité de l’espace et du temps.

1- E-mail de George Smoot aux auteurs du 24 février 2010.

2- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

3- E-mail de John Mather aux auteurs du 25 février 2010.

4- En particulier l’orientation de son champ électrique.

5- E-mail de John Mather aux auteurs du 25 février 2010.

6- E-mail de John Mather aux auteurs le 9 mars 2010.

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Vers le grand équilibre originel

Nous vous proposons maintenant de suivre pas à pas le chemin vers le Big Bang. A la recherche de l’équilibre qui régnait à l’aube des temps. Comment le comprendre ? En gros comme un ordre très élevé, un ajustement fin entre les parties qui, très près de l’origine, composaient l’Univers.

Pour avancer, essayons de comprendre en quoi consiste un équilibre. Lorsque vous prenez votre bain et qu’il est trop chaud, vous faites couler de l’eau froide. Au début, elle est localisée près de la source. Puis, peu à peu, l’eau devient partout tiède, à peu de choses près. C’est un peu la même chose pour le « bain primordial » de l’Univers au moment du Big Bang. Or, il y a dans cet équilibre – cet ordre d’un genre très particulier – l’un des secrets qui pourrait bien nous permettre de répondre à la question toujours ouverte à ce jour : d’où viennent les stries, ces infimes irrégularités du fond diffus ? Ces fameuses rides du temps dont parle George Smoot ?

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Commençons par ce que l’on observe en l’an 380 000, époque où a été émis le rayonnement fossile. Qu’a donc découvert, pour la première fois, le satellite COBE ? Vous vous en souvenez : il lui a fallu très peu de temps (l’affaire de quelques heures) pour indiquer que le rayonnement fossile avait un spectre de corps noir ! Autrement dit, que la première lumière était de nature thermique et qu’en outre, elle était dans un état d’équilibre presque parfait. Que veut donc dire ce « presque » ? Que si nous voulons trouver un équilibre vraiment parfait dans l’Univers, il va falloir le chercher ailleurs. Ou plus exactement : plus tôt. Jusqu’où ? Tout au début de l’Univers, comme le suggère Peter Coles, l’un des astrophysiciens les plus écoutés aujourd’hui : « Cette radiation fossile trouve son origine à une époque de l’histoire thermique de l’Univers où l’équilibre thermique était réalisé1. »

Le tout est maintenant de préciser quand. C’est ce que nous allons faire en nous appuyant prudemment sur le modèle du Big Bang. Que nous dit ce modèle ? Que plus on remonte dans le passé, plus la densité et la température de l’Univers augmentent. Souvenez-vous : en l’an 380 000, lorsque l’Univers est mille fois plus petit qu’aujourd’hui, il fait déjà très chaud d’un bout à l’autre du cosmos : environ 3 000 degrés. Et plus on va revenir en arrière, plus cette température va augmenter. Mais il y a plus : avec la température, c’est l’équilibre global de l’Univers qui va croissant. Jusqu’où ? Jusqu’à l’équilibre parfait. Celui-ci existait dans l’Univers à l’aube des temps. A l’instant même où le Big Bang commençait à déverser dans le néant d’inconcevables torrents d’énergie venus de nulle part. Cet instant unique, inouï, c’est ce qu’on appelle le temps de Planck. L’horloge cosmique marquait 10 puissance moins 43 seconde. A quoi ressemblait alors l’Univers ? Dans quel étrange état se trouvait-il ? Pour le savoir, remontons à présent jusqu’à cette frontière ultime qu’est le temps de Planck : vous êtes loin d’être au bout de vos surprises. Pour nous en convaincre, suivons à présent ce chemin en arrière.

1- Peter Coles, The Routledge Critical Dictionary of the New Cosmology, Routledge Inc., New York, 1999.

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L’étrange moment du Big Bang

Le temps de Planck ! La plus petite fraction de temps que l’on puisse mesurer : 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1 seconde. Comme pour le satellite qui en ce moment même tourne dans le ciel, l’instant du Big Bang porte donc le nom de Planck. Ce grand savant allemand, prix Nobel en 1918, est le fondateur de ce qu’on appelle la mécanique quantique. La tragédie de sa vie est la perte de son fils en 1944, torturé à mort par les nazis. Mais dans les années 1920, les horreurs de la guerre sont encore loin. Proche d’Einstein, qui jouait souvent du violon pour se détendre, Planck aimait à s’installer au piano pour l’accompagner. Les deux savants restaient parfois à jouer pendant des heures, sans dire un mot. En 1929, ils reçoivent tous les deux la médaille Max Planck et plaisantent alors sur cette chose cocasse : à eux deux, ils traversent tout l’Univers, de l’infiniment petit à l’infiniment grand.

Justement, revenons à l’Univers au moment où l’infiniment grand est encore infiniment petit, au moment du Big Bang. Toute la réalité se trouve alors tassée, compressée, écrasée dans cette infime étincelle de réalité perdue dans le néant. Une poussière de 20 microgrammes, des milliards de milliards de fois plus petite que le noyau d’un atome. C’est la chose la plus insignifiante qui ait jamais pu exister. Il est d’ailleurs bien difficile d’admettre – certains s’y refusent encore – que c’est de là, de ce flocon de réalité à jamais invisible (même à l’aide des plus puissants microscopes) que vont naître nos maisons, nos villes, la terre avec ses mers et ses montagnes, et au-delà encore, les étoiles et les galaxies par centaines de milliards. Et c’est peut-être parce qu’elle contient une phénoménale quantité d’énergie que cette particule primordiale est inconcevablement chaude : 100 000 milliards de milliards de milliards de degrés ! Un chiffre qui dépasse l’imagination la plus folle. Mais c’est une limite : la température la plus élevée qui puisse exister dans notre Univers. Pour autant, avons-nous enfin atteint ce que nous cherchions ? Le stade de l’équilibre parfait ?

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Pour le savoir, tournons-nous une nouvelle fois vers les experts. A commencer par George Smoot. Pour lui, la question ne soulève aucun doute : il est pratiquement certain que juste avant le démarrage de l’expansion, l’Univers était en équilibre thermique. Et il n’hésite pas à nous l’écrire, le 24 février 2010 : « Il est très probable que l’Univers ait été en équilibre thermique à l’échelle de Planck, bien qu’il soit passé par de nombreuses transformations avant d’atteindre l’équilibre que nous observons au-jourd’hui. A partir du rayonnement fossile, il est possible de “voir” que l’Univers était en équilibre au moins une heure après le Big Bang. De plus, la nucléosynthèse liée au Big Bang fournit une preuve solide que cet équilibre existait plus tôt encore, dès la première seconde1. »

Appuyée sur sa longue expérience d’observateur de l’Univers primordial, la conclusion de Smoot nous a évidemment confortés dans nos propres intuitions. Mais il est loin d’être isolé. Déjà il y a trente ans, l’emblématique Stephen Hawking écrivait noir sur blanc : « L’Univers a nécessairement été en équilibre thermique à l’échelle de Planck2. »

Quelques années plus tard, en 1987, cet infatigable explorateur de l’Univers primordial qu’est Fang Lizhi, ancien vice-recteur de l’université des Sciences de Chine, aujourd’hui à l’université d’Arizona, écrit à son tour, en compagnie de Remo Ruffini3, président du Centre International d’Astrophysique Relativiste, professeur à l’université de Rome : « L’Univers a commencé approximativement en équilibre thermique à l’échelle de Planck4. »

A vrai dire, c’est ce que pensent aujourd’hui la plupart des astrophysiciens. C’est pourquoi nous vous proposons maintenant d’aller plus loin dans cette direction. Mais cette fois, nous allons préciser la nature des objets supposés être en équilibre au moment du Big Bang. Quelle est notre idée ? Que ces choses que l’on va trouver en abondance dans l’Univers primordial ne sont autres que des « gravitons » (un nom pittoresque, popularisé dans les années 1960 et qui, vous vous en doutez, vient de « gravité »). De quoi s’agit-il ? De particules hypothétiques, jamais observées, mais censées véhiculer la force gravitationnelle (celle qui fait que vous ne vous mettez pas à flotter au-dessus de votre fauteuil en lisant ces lignes). Certains physiciens appellent le graviton la « particule divine ». Pourquoi ? Parce que cette force était déjà là, unifiée aux trois autres forces de l’Univers, au moment du Big Bang (et, selon nous, même avant). A défaut d’observer un par un des gravitons (l’espoir est plutôt mince), les savants espèrent au moins pouvoir détecter ce qu’ils appellent les « ondes gravitationnelles », qui ne sont autres que des nuages de gravitons. C’est pourquoi, comme l’a rappelé John Mather, l’un des principaux objectifs du satellite PLANCK sera de débusquer ces fameuses ondes gravitationnelles, traces ultimes de ce qu’était (peut-être) l’Univers à l’échelle de Planck.

Autre intérêt (du moins pour nous) des gravitons : selon les experts, ils résultent, dans ce monde très instable qui existait avant le Big Bang, des perturbations que subit la « métrique » de l’Univers à cette échelle. Autrement dit, lorsque la métrique fluctue, elle engendre des ondes gravitationnelles. Un peu comme des vagues sur un lac : la métrique, c’est la surface lisse du lac et les ondes gravitationnelles, ce sont les vagues. Le mot « métrique » vous fait froncer les sourcils ? Pas d’affolement ! Pensez tout bonnement au mètre (la base du système métrique) qui vous permet de mesurer les murs de votre salon. Comme un étalon, cette fameuse métrique fixe les choses dans notre réalité de tous les jours (les distances, les angles, la courbure mais aussi les durées). Si, « chez nous », la métrique se mettait à fluctuer, le paysage autour de nous ne cesserait de se gondoler, les objets de se rapprocher ou de s’éloigner sans crier gare tandis que le temps deviendrait élastique : une seconde pourrait durer aussi longtemps qu’une année ou au contraire accélérer tandis que hier, aujourd’hui et demain finiraient par se mélanger.

Mais que deviennent ces métriques – ces gravitons – au moment du Big Bang ? Ecoutons ce que nous dit l’astrophysicien Peter Coles (déjà rencontré ici) : « Il est raisonnable de penser que durant la période où la température est de l’ordre de 10 puissance 19 GeV5, un équilibre thermique entre les composantes de l’Univers – en particulier les gravitons – est réalisé6. » Même conclusion pour le cosmologiste Maurizio Gasperini (un proche de Gabriele Veneziano, le célèbre pionnier de la théorie des cordes) : « Dans le modèle standard, un état fondamental constitué d’ondes gravitationnelles thermiques pourrait trouver son origine à l’échelle de Planck, lorsque la température est assez élevée pour maintenir les gravitons en équilibre thermique7. »

Que l’on parle de gravitons ou de métriques (ce qui, en gros, revient pour nous au même), seule compte ici la conclusion : l’Univers est bien en équilibre thermique à l’échelle de Planck.

*

Et à présent, voici le « miracle » : si l’Univers est à l’équilibre à l’échelle de Planck, alors il est nécessairement dans un état très spécial, tout à fait unique. De quoi s’agit-il ? De ce que les physiciens mathématiciens (jamais avares de trouvailles bizarres) appellent l’« état KMS ». Pour simplifier, disons que dans le monde de l’infiniment petit, lorsqu’un système est en équilibre thermique, il est de facto en état KMS. Donc, retenez bien ces trois lettres. Vous n’en aviez jamais entendu parler ? Rassurez-vous : vous n’êtes pas seuls. En fait, même parmi les physiciens, plutôt rares sont ceux qui connaissent cette magnifique théorie. Nous l’avons nous-mêmes découverte et approfondie durant nos années de recherche en thèse. Et c’est ce qui, progressivement, nous a permis de « voir » (plus que de découvrir) que l’Univers à l’échelle de Planck était bel et bien en état KMS. Un état unique qui, nous le pensons, a dominé l’univers juste avant le Big Bang et dont il subsiste encore, comme nous le suggérons plus loin, des traces observables aujourd’hui. Où donc ? C’est là que la situation devient franchement passionnante : au sein même du rayonnement fossile.

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Que veut dire KMS ? Ces trois lettres sont les initiales des trois auteurs (entre 1957 et 1959) de la mémorable théorie, les physiciens mathématiciens Kubo (un Japonais, lauréat du prix Boltzmann), Martin (un mathématicien toujours perdu dans d’interminables calculs) et Schwinger (prix Nobel de physique en 1965, avec Richard Feynman et Shin Tomonaga). Schwinger était lié de longue date à notre Directeur de thèse, le physicien mathématicien Moshé Flato, ce qui nous a naturellement mis sur la piste de la condition KMS. Nous n’en avions jamais entendu parler (et au fond, cela ne nous avait pas vraiment manqué). Jusqu’à ce beau jour de l’été 1995 où Flato nous avait convoqués chez lui et, après avoir couvert son tableau blanc de formules compliquées, avait lâché entre deux rasades de café : « Regardez de près la théorie KMS : il s’y passe des miracles ! »

Pour simplifier, disons que dans l’infiniment petit, l’état KMS relie l’équilibre thermique d’un système à son évolution. Un peu comme un funambule qui, sur une corde, ne peut conserver son équilibre qu’au prix des petits mouvements de son balancier. Mais voici le plus important (et aussi le plus déconcertant) : lorsqu’un système quantique est en état KMS (c’est-à-dire quand son équilibre et son évolution sont réunis), alors son temps propre cesse, au sens strict, d’exister. Plus exactement, il devient complexe au sens que les mathématiciens donnent à ce mot. Pour avancer, contentez-vous de retenir que le temps en régime KMS n’est pas bien défini. Qu’il se déforme et devient flou. Il peut ralentir (une seconde va alors durer une heure) ou bien accélérer brutalement (une journée va passer en cinq minutes) ou encore « sauter » tout à coup de midi et demi à neuf heures du soir !

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Peut-on alors retrouver cette condition dans l’Univers tout entier ? La réponse est oui, puisque les deux conditions sont réunies : l’Univers à l’échelle de Planck – dans l’infiniment petit donc – est un système quantique et il est en équilibre thermique. Et ceci entraîne plusieurs conséquences. La plus spectaculaire est que la coordonnée temporelle du cosmos avant le Big Bang n’est pas encore fixe mais est soumise à des fluctuations entre la direction réelle et une direction imaginaire (c’est-à-dire mesurée par des nombres imaginaires).

Au printemps 2006, nous avons eu la chance de rencontrer Stephen Hawking. Et nous lui avons demandé s’il pensait que le temps imaginaire était la forme fondamentale du temps. Il nous a alors répondu, par l’intermédiaire de son étrange « codeur vocal » : « Oui ! C’est bien cela. » En somme, une autre manière de dire qu’avant d’être réel, avant le Big Bang, le temps a existé sous une forme imaginaire. Au fait, pourquoi « imaginaire » ? C’est le philosophe (mais aussi brillant mathématicien) Descartes qui a trouvé ce nom. Par dérision, parce qu’il ne croyait pas que de tels nombres pouvaient exister. Mais à vrai dire, cette appellation leur va comme un gant. A présent, souvenez-vous de vos cours de maths : le carré d’un nombre imaginaire est toujours négatif. Ce sont ces nombres « pas comme les autres » qui vont donc nous servir à mesurer la direction imaginaire du temps. Si le temps est une droite, alors le temps imaginaire est tout simplement perpendiculaire à la droite du temps réel.

Nous touchons presque au but. Si le temps fluctuait avant le Big Bang, alors ces fluctuations ont laissé des traces visibles au sein même du rayonnement fossile (ce qu’à la faveur d’une belle intuition, Smoot a traduit par l’expression les « rides du temps »). Pourrait-il alors s’agir de celles qu’on observe ?

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Nous pensons que oui. Pour en avoir le cœur net, imaginons maintenant que nous puissions marcher dans cet Univers juste avant le Big Bang. L’état KMS veut dire que d’un endroit à l’autre, la métrique sous nos pieds est soit ordinaire – la même que chez nous –, soit, au contraire, orientée dans le temps imaginaire (elle est donc euclidienne). Tant que la métrique reste la nôtre, le sol est lisse sous nos pieds. En revanche, lorsqu’elle devient, ici et là, euclidienne, alors des crevasses apparaissent sur notre chemin.

Cette petite analogie peut nous permettre de mieux nous représenter ce qu’est l’Univers en état KMS : un lieu pas vraiment hospitalier, où le « panorama » n’est plus lisse et continu mais se trouve à chaque instant déchiré, troué par des « crevasses euclidiennes ». En poussant l’analogie encore plus loin, l’on pourrait dire qu’à l’échelle de Planck, il y a des régions (en rouge) où la gravité existe et d’autres où elle est modifiée (en bleu) parce qu’elle est devenue euclidienne. A présent, étendons (grâce à l’inflation) ce paysage quantique à grande échelle, celle de l’Univers en l’an 380 000. Que constate-t-on ? Que les régions où la gravitation existe (en rouge) ont attiré la matière et créé des « îlots » ; au contraire, les régions où la gravité était peut-être euclidienne (et donc n’existait pas) apparaissent désormais comme des vides (en bleu). La première lumière porterait donc la trace des oscillations du temps qui, nous le pensons, existaient avant le Big Bang. Le nom de « rides du temps » proposé par Smoot nous apparaît donc particulièrement bien choisi.

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Nous terminerons donc par quelque chose de relativement provocant. Les fluctuations visibles sur le fond diffus pourraient donc bien avoir pour origine lointaine les fluctuations de la métrique à l’échelle de Planck. Et dans ce cas, le rayonnement fossile n’est autre que l’image visible de l’état KMS de l’Univers avant le Big Bang. Alors, face à cette étrange poudroiement de couleurs venues d’un temps où le temps n’existait pas encore, comment ne pas être tenté d’y deviner le visage de Dieu ?

Mais ce monde inconcevable, situé avant le Big Bang, contient peut-être la solution d’un mystère plus accessible : D’où vient l’énergie noire ? De nouveaux coups de théâtre nous attendent dans la suite.

1- E-mail de George Smoot aux auteurs du 24 février 2010.

2- In Astrophysical cosmology, « Proceedings of the Study Week on Cosmology and Fundamental Physics », Vatican City State, September 28-October 2, 1981.

3- Entre autres, il a cosigné dans les années 1960 avec John Wheeler un article où, pour la première fois, est apparu un mot qui allait faire le tour du monde : « trou noir ».

4- In Quantum Cosmology Advanced Series, « Astrophysics & Cosmology World Scientific », 1987.

5- GeV : gigaélectronvolt.

6- Peter Coles, Detecting relics of thermal gravitational wave background in the early Universe, Physics Letters B, volume 680, Issue 5, pp. 411-416.

7- Testing String Cosmology with Gravity Waves Detectors gr-qc/9707034.

20

D’où vient l’énergie noire ?

Ce matin-là, en juin 1997, l’air venu des prairies entrait en silence par les fenêtres ouvertes en grand. Pas un bruit. Juste les abeilles dans le ciel et le frôlement de la brise sur les branches d’arbres à portée de main. Nous avions du mal à réaliser que nous nous trouvions dans le plus grand laboratoire du monde. Le CERN, en Suisse, un lieu mythique. C’est là, en 1990, que grâce à une poignée de physiciens, est né Internet tel que nous l’utilisons aujourd’hui tous les jours. Là qu’a été mis en service en 1991 le tout premier site Web de l’Histoire. Là enfin qu’à l’automne 2008, a été créé dans une fabuleuse gerbe d’énergie le premier choc de particules élémentaires – des protons – dans le tunnel géant (27 kilomètres de circonférence) du célèbre LHC.

En attendant, ce jour-là nous tentions de convaincre un physicien théoricien du CERN que nos calculs débouchaient sur quelque chose d’étrange. Ce physicien s’appelait Gabriele Veneziano. Nous vous en avons déjà parlé : il a fait partie de la commission d’évaluation de nos thèses réunie en juin 1999 à l’Ecole polytechnique avant la soutenance. Aujourd’hui professeur au Collège de France, c’est lui qui, en 1968, en appliquant les propriétés d’une fonction purement mathématique au monde des particules élémentaires, a été à l’origine de la théorie des cordes – ce magnifique édifice théorique, hérissé de formules, dont le but est d’élucider, tout au fond de l’infiniment petit, le mystère de la matière. Mais ce jour-là, c’est un autre mystère qui nous occupait. Un mystère apparemment venu du fond de l’Univers et qui laissait Veneziano sceptique. De quoi s’agissait-il ? A première vue, de pas grand-chose. Juste une anomalie surgie de nos calculs et que dans un premier temps, nous avions pensé pouvoir éliminer. Mais au fil des mois, malgré les heures passées à tordre les équations dans tous les sens, nous n’étions toujours pas parvenus à résoudre le problème. Quel problème ? Celui posé par l’existence d’une « force » étrange, venue du fond des temps, avant le Big Bang, avant même la naissance physique de notre Univers. Quelque chose qu’en physique on appelle un « champ » et qui – selon nous – est encore là aujourd’hui, dans tout l’Univers. Or ce qui n’allait pas dans les équations, c’est que ce champ invisible, totalement inconnu, ne pouvait bizarrement qu’accélérer sans cesse l’expansion de l’Univers. En somme, à en croire nos calculs, le cosmos était comme soumis à l’action d’une force invisible qui le forçait à se ruer de plus en plus vite vers l’infini.

Ce jour-là, nous n’avons convaincu personne. Ni Veneziano (d’ailleurs en général distant face aux constructions trop mathématiques) ni les autres théoriciens rencontrés au CERN. La chose paraissait trop invraisemblable. Jamais on n’avait observé le moindre phénomène de ce genre. Pourtant, même si nous ne le savions pas encore, notre recherche de l’Univers avant le Big Bang nous avait menés face à l’un des mystères les plus profonds de la cosmologie d’aujourd’hui.

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Ce mystère, c’est celui de l’énergie noire.

Un an après notre passage au CERN – en fait en octobre 1998 –, voilà qu’une nouvelle ahurissante fait le tour du monde en quelques heures à peine : deux équipes indépendantes d’astronomes ont observé que ces étoiles explosives qu’on appelle des « supernovae » se trouvent en réalité bien plus loin que ce que leur luminosité permettait d’établir. « Un véritable cataclysme ! » s’exclame le physicien théoricien américain Leonard Susskind, de l’université de Stanford. « Un séisme ! » lance-t-on en France dans les observatoires. Seule explication : le cosmos grandit plus vite que prévu. Ou plutôt, son expansion s’accélère. Pour quelle raison ? Nul ne le sait. Sous l’action d’une énergie inconnue, à laquelle Michael Turner, cosmologiste à l’université de Chicago, a fini par donner ce nom qui semble issu de la Guerre des étoiles (mais du mauvais côté de la force) : l’énergie sombre (ou noire, selon l’état d’esprit des astrophysiciens).

Nous en sommes là aujourd’hui. En 2006, un astrophysicien publie sur l’arXiv scientifique un article sous ce titre provocateur : « Energie Sombre : le Mystère du Millénaire1 ». Ce qui est sûr (parce qu’on l’observe dans les laboratoires astronomiques), c’est que l’Univers grandit de plus en plus vite, que son expansion s’accélère bel et bien. Soit. Mais au passage, qu’est-ce que cela change à la vie de tous les jours ? A vrai dire pas grand-chose. Vous ne sentez pas (et ne ressentirez jamais) cette accélération. Et pourtant, il en résulte au moins une chose essentielle : dans l’avenir, l’Univers ne retombera jamais sur lui-même à la manière d’un soufflé mal cuit. Autrement dit, il ne disparaîtra pas dans la fournaise infernale d’un « crash » final (que les scientifiques avaient appelé le « Big Crunch »). D’un point de vue philosophique – c’est du moins ce que nous pensons –, il est bien plus engageant de penser que cet immense champ d’étoiles et de galaxies ne cessera jamais de grandir, d’étendre son horizon. Jusqu’à quel infini ? La question est envoûtante. Sans prétendre l’épuiser, nous y viendrons à la fin de ce livre.

Mais nous voici face à une seconde interrogation : pourquoi le cosmos accélère-t-il ? Autant le dire sans détour : on n’en sait pas plus aujourd’hui qu’au moment de la découverte du phénomène en 1998. L’énergie noire reste un mystère. Son origine, ce qu’elle est, comment elle agit, tout cela nous reste inaccessible. Pour les uns, elle pourrait être une nouvelle force de l’Univers, la cinquième. Ceux-là l’ont baptisée « quintessence ». Pour d’autres, il pourrait s’agir de la fameuse « constante cosmologique » proposée par Einstein. Pour d’autres encore, elle pourrait résulter de ce qu’ils appellent « l’énergie fantôme », à l’origine d’une accélération très rapide de l’expansion. Mais jusqu’à aujourd’hui, personne, aucun théoricien ou expérimentateur n’est encore parvenu à résoudre l’énigme. Pourtant, en ce moment même, vous pouvez lire sur le site de la NASA, que l’énergie noire représenterait près des trois quarts de l’Univers (la matière ordinaire ne comptant que pour moins de 5 %). Ce qui débouche sur cette conclusion somme toute surprenante : nous ignorons les trois quarts de l’Univers dans lequel nous vivons.

Alors ?

*

Pour trouver ce qu’est (peut-être) l’énergie noire, la première chose à faire, c’est d’en chercher la source au bon endroit. Or, selon nous, cette source ne se trouve pas ici, dans notre Univers. Ou plutôt, elle se trouve avant sa naissance matérielle. Avant le Big Bang.

Avant le Big Bang ! Lorsqu’en 2004 nous avons publié un précédent ouvrage sous ce titre, la cosmologie n’était pas encore prête à admettre qu’une telle ère pouvait exister. « Qu’y avait-il avant le Big Bang ? » s’interrogeait George Smoot en 1993 dans son livre. Et la réponse était tombée : « Face à cette question ultime, notre foi dans la puissance de la science à trouver des explications à la nature vacille. »

Pourtant, en 2006, le physicien mathématicien sir Roger Penrose, de l’université d’Oxford, donne une conférence remarquée sous cet intitulé : « Avant le Big Bang : une nouvelle perspective spectaculaire et ses implications en physique des particules2. » Deux ans plus tard, c’est au tour de l’astrophysicien américain Marc Kamionkowski, professeur de physique théorique à Caltech, de s’aligner sur la même position : « Il n’est plus complètement fou de se demander ce qui s’est passé avant le Big Bang3. » Nous pensons la même chose et c’est précisément ce qui nous a poussés à entamer nos recherches en thèse dès 1991. Nous l’avons suggeré plus haut : pour nous, avant le Big Bang, le temps n’est plus fixe, il oscille entre la direction réelle et la direction imaginaire. Or, voici à présent un point du plus grand intérêt : il est possible de voir que la source de fluctuation du temps avant le Big Bang est un « champ » (pensez à une sorte de force). Plus exactement un champ complexe, au sens des nombres complexes, ayant une partie réelle et une partie imaginaire pure. A partir de là, tout s’éclaire : dans l’Univers en état KMS, ce champ scalaire complexe « remplace » le temps et est donc la source profonde des fluctuations de l’axe temporel. A partir de là, que se passe-t-il après le Big Bang ? Un phénomène spectaculaire : l’équilibre thermique est brisé ! L’Univers quitte alors l’état KMS et le temps se normalise, cesse de fluctuer et devient tout bonnement réel.

Mais à présent réfléchissez : le champ scalaire complexe qui, selon nous, existait avant le Big Bang, « à la place » de la dimension temporelle, s’est brisé au début de l’expansion (en une partie réelle et une partie imaginaire). Qu’a-t-il pu se passer ? Peut-être ceci : soudain « libérée », la partie imaginaire a pu devenir le temps ordinaire, celui que nous connaissons. Et la partie réelle ? C’est désormais un paramètre libre, dont la valeur est devenue une constante. Et c’est donc lui qui accélère l’expansion. Or, ici survient l’un de ces « miracles » qui enchantent l’histoire de la physique : en 1998, nous avons pensé qu’un calcul direct était a priori possible et nous sommes alors tombés sur une valeur incroyablement petite de l’ordre de 10 puissance moins 120 (en unités de Planck réduites). Ce qui équivaut à 10 puissance moins 29 grammes par centimètre cube ! Une valeur troublante : c’est celle qui a été calculée pour la constante cosmologique, celle qui ressort de toutes les mesures, notamment des observations de WMAP. Comme si le champ à l’origine de l’oscillation du temps avant le Big Bang et aujourd’hui la constante cosmologique étaient une seule et même chose.

*

Que conclure de tout ceci ?

Peut-être que deux problèmes cruciaux trouvent ici, l’un comme l’autre, une solution. D’abord la constante cosmologique : son origine lointaine sous la forme d’un champ dynamique à l’échelle de Planck, avant le Big Bang, pourrait bien résoudre la plupart des difficultés qu’elle soulève encore aujourd’hui.

Ensuite, l’énergie noire : d’où vient-elle ? D’avant le Big Bang ! C’était un champ scalaire, sans doute présent avant même que l’Univers n’émerge du brouillard quantique. Et vous connaissez à présent nos conclusions : les caractéristiques de ce champ évoquent irrésistiblement la fameuse constante cosmologique logée par Einstein en 1917 dans ses équations (et délogée depuis).

Ce chapitre s’achève donc sur une bonne nouvelle : si notre hypothèse est un jour confirmée, alors l’origine dynamique, avant le Big Bang, de la fameuse constante, résoudrait le paradoxe qui, depuis sa naissance, lui est attaché. Autrement dit, l’extraordinaire « réglage » de cette constante évoqué dans un précédent chapitre trouverait alors une explication on ne peut plus naturelle.

Inversement, l’existence même de l’énergie noire pourrait bien représenter un indice fort de l’existence énigmatique, étrange, d’un temps autre : un temps imaginaire avant le Big Bang.

Et justement : ceci nous conduit tout droit vers la dernière question posée, somme toute hallucinante : d’où vient le Big Bang ?

1- T. Padmanabhan arXiv : astro-ph/0603114

2- Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland.

3- http://media.caltech.edu/press_releases/13218 (2008).

21

D’où vient le Big Bang ?

10 puissance moins 43 seconde !

Tout à coup un immense éclair invisible déchire le néant. Un atome de seconde plus tard, une indescriptible boule de feu – des milliards de milliards de degrés – jaillit du trou noir primordial, franchit l’horizon et repousse loin devant elle un torrent de radiations. Par vagues de plus en plus hautes, la monstrueuse onde de flammes lèche le vide, brise les forces naissantes, engendre une lave de particules qui retombent en nappes dans les creusets invisibles de la gravitation. Le choc recule au seuil de l’abîme, déferle en nuée ardente dans l’espace électrifié. Le temps et l’espace viennent de naître en écume tourbillonnante.

C’est la première seconde de vie de notre Univers.

*

Vous le savez sans doute, c’est en moins de trois minutes (comme l’a magnifiquement écrit le prix Nobel de physique Stephen Weinberg) que l’espace, le temps et la matière se sont mis à exister au cœur des ténèbres. Trois minutes avant il n’y avait encore rien. Pas un gramme de matière. Pas un centimètre d’espace. Pas une seconde de temps. Rien. Puis une seconde plus tard, c’est le Big Bang. Une énergie qui frôle l’infini, à une température folle, explose dans le vide primordial. Mais d’où vient cette fantastique énergie ? Les physiciens le savent : un instant avant, il n’y avait rien. Alors par quel miracle a-t-elle soudain surgi du néant ? Pourquoi y a-t-il tout à coup quelque chose plutôt que rien, comme une seconde plus tôt ? En bref : d’où vient le Big Bang ?

Nous sommes là face au plus grand des mystères. En 1991, dans le tout premier chapitre de Dieu et la science intitulé « Le Big Bang », Jean Guitton prenait en premier la parole, suspendue au-dessus du mystère : « Avant d’entrer dans ce livre, j’ai envie de poser la première question qui me vient à l’esprit, la plus obsédante, la plus vertigineuse de toute la recherche philosophique : pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? Pourquoi y a-t-il de l’Etre ? Ce “je ne sais quoi” qui nous sépare du néant ? Que s’est-il passé au début des temps pour donner naissance à tout ce qui existe aujourd’hui ? A ces arbres, ces fleurs, ces passants qui marchent dans la rue, comme si de rien n’était ? Quelle force a doté l’Univers des formes qu’il revêt aujourd’hui1 ? »

En 1991, il était très difficile (pour ne pas dire impossible) de répondre à ces questions. Où en sommes-nous aujourd’hui ? Pas beaucoup plus loin. Pour la plupart des scientifiques, il est impossible de savoir ce qui a pu se passer avant le Big Bang. Un exemple intéressant ? Celui du célèbre astrophysicien américain Robert Jastrow. Il ouvre son beau livret « La Science et la Création2 » avec ces mots : « Nous ne pourrons jamais savoir ce qui a causé le commencement, parce que les scientifiques butent sur un mur opaque, là où a eu lieu le Big Bang. L’explosion cosmique – la naissance de l’Univers – est un effet dont ils ne peuvent pas trouver la cause. Certains pensent que si les hommes de science ne peuvent pas trouver la réponse aujourd’hui, ils la trouveront demain et que nous pourrons la lire dans les colonnes du New York Times. Pourtant, il s’agit d’une découverte qui ne pourra sans doute jamais céder aux investigations des scientifiques, dans la mesure où dans les premiers moments d’existence de l’Univers, la température et la pression étaient infiniment élevées. Ceci veut dire que toutes les reliques de l’Univers avant la création, celles qui auraient pu nous donner une idée d’un processus naturel à l’origine de ce moment explosif appelé Big Bang, tout cela a disparu. » Et en bonne logique, Jastrow conclut : « Finalement, les astronomes et les cosmologistes se retrouvent nez à nez avec les théologiens, qui ont toujours pensé que ce qu’on pourrait appeler une force surnaturelle, une force créatrice, est responsable de ce qui s’est passé à l’origine du monde. »

Bien que largement fondé, le point de vue de Jastrow (et d’une grande partie de la communauté scientifique) nous paraît excessivement pessimiste. Dans le sillage des tout derniers progrès de la physique (et d’autres disciplines, comme les mathématiques ou les sciences de l’information), nous pensons que certaines réponses peuvent être trouvées (même s’il faut les chercher là où on n’a pas l’habitude d’aller). Avec le concours des satellites cosmologiques, nous croyons qu’il est devenu possible de jeter un coup d’œil avant le Mur de Planck. Et d’en savoir un peu plus (ne serait-ce qu’un peu) sur ce qui a été à l’origine du Big Bang.

*

Pour commencer, remontons plus de 130 millions de siècles en arrière et revenons une nouvelle fois à l’Univers tel qu’il était au moment du Big Bang.

La question que l’on peut soulever est celle-ci : est-ce que les satellites cosmologiques (en particulier PLANCK) vont nous permettre d’en savoir plus sur l’échelle de Planck, c’est-à-dire sur le Big Bang lui-même ? Nous l’avons vu dans ce livre, sans prendre de risque, on peut affirmer que oui. Un exemple ? Ce que vient de déclarer l’astrophysicien George Efstathiou, de l’université de Cambridge, membre anglais du « Planck Team », ceux qui, il y a dix-sept ans, ont fondé le programme : « Nous avons maintenant commencé l’analyse scientifique des splendides données de PLANCK et nous attendons de découvrir des informations toutes nouvelles sur les débuts de l’espace et du temps tels que nous les connaissons. »

Ceci est vrai pour l’Univers au moment du Big Bang. Mais avant ? Là encore, pour la première fois, l’on commence à s’appuyer sur les satellites cosmologiques pour envisager d’explorer l’Univers avant le Big Bang. Voici ce qu’a écrit en 2006 à ce sujet un groupe de physiciens théoriciens japonais de l’université de Tsukuba (tous trois spécialisés dans l’étude du rayonnement fossile) : « De précieuses informations sur les processus physiques qui se déroulent dans l’Univers en expansion ont été enregistrées dans le rayonnement fossile sous forme de minuscules anisotropies. Les spectres de puissance angulaire de ces anisotropies, récemment observées par COBE et WMAP sont, grosso modo, la projection de l’histoire de l’Univers pour la période comprise entre sa naissance et aujourd’hui. Ceci nous donne un espoir extraordinaire que si nous croyons en l’idée de l’inflation de l’Univers, c’est-à-dire à une expansion extrêmement rapide sans thermalisation globale, la corrélation à grande distance des anisotropies observées peuvent fournir des informations sur la dynamique de la période avant le Big Bang. Nous sommes maintenant au seuil de révéler et de vérifier l’aspect quantique de l’Univers3. »

Tout ceci en dit long sur l’état d’esprit des théoriciens aujourd’hui. Des penseurs du commencement, débarrassés de la plupart des inhibitions qui jusqu’ici, pouvaient rendre impossible l’exploration de l’Univers au moment du Big Bang et avant.

L’Univers au moment du Big Bang est donc là, devant vous. Cependant, il n’a pas surgi du néant « comme ça ». Il vient bien de quelque part. Mais d’où ?

*

Premier repère : il existe bien quelque chose, un autre monde, avant le Big Bang. Perdu au fond de l’infiniment petit, nous ne pourrons jamais le voir. Mais ce n’est pas le néant. Contrairement au raccourci un peu rapide souvent emprunté, faute de mieux, par les scientifiques eux-mêmes, l’Univers n’a pas été « créé à partir de rien ».

Deuxième repère : la réalité physique, celle que nous connaissons, est apparue avec le Big Bang. Non pas à l’instant zéro mais très exactement 10 puissance moins 43 seconde après l’instant zéro. Et dès les trois premières minutes, on trouve dans l’Univers du temps et de l’espace, bien sûr, mais aussi de l’énergie (beaucoup d’énergie) et déjà un peu de matière (ou plus exactement, les briques fondamentales dont est faite la matière).

Troisième repère (qui découle des deux précédents) : avant le Big Bang, l’espace, le temps et la matière n’existent pas encore. A la place, on va donc trouver autre chose. Quoi donc ? Des bribes de réponse vous ont déjà été fournies çà et là, en particulier dans le chapitre consacré à l’extraordinaire état dans lequel se trouvait l’Univers juste avant le Big Bang. Vous vous en souvenez ? L’état KMS. C’est de ce côté-là que nous allons maintenant chercher la réponse à la question « d’où vient le Big Bang ».

*

Avec la condition KMS, nous disposons en fait d’une clef qui va nous permettre d’ouvrir une porte dans le Mur de Planck. Vous vous en souvenez, elle s’applique à l’Univers entier au temps de Planck. D’où cette conséquence spectaculaire : le temps avant le Big Bang était très probablement complexe (c’est-à-dire oscillant entre une forme réelle – le temps ordinaire – et une forme imaginaire). Or, une partie de la réponse à la question « D’où vient le Big Bang ? » est sans doute là : dans les trois formes du temps.

La première, c’est la forme ordinaire, le temps de chez nous. Il est en profondeur lié à l’existence de l’énergie dans notre monde. C’est ce qui fait que les choses bougent, explosent, se transforment etc. Sans le temps, pas d’énergie !

A présent voyons la deuxième forme possible du temps : le temps imaginaire. Plus exactement, imaginaire pur (souvenez-vous : il est mesuré par les nombres imaginaires). A la différence du temps réel – toujours en mouvement d’un instant à l’autre –, le temps imaginaire ne s’écoule pas (il est comme « gelé »). Un peu comme la bobine d’un film, dont l’histoire est comme gelée. Dans le temps imaginaire, l’énergie ne peut donc pas exister. Qu’allons-nous y trouver à la place ? Ce que les spécialistes, depuis quelques années, appellent l’information. De quoi s’agit-il ? En fait (surprise !) de la même chose que l’énergie mais dans le temps imaginaire. Au lieu de parler de grammes (pour une cerise) ou de kilomètres-heure (pour une voiture), on va chercher à décrire ces mêmes objets par la quantité d’informations qu’ils contiennent. Une information mesurée en bits (un mot rassurant, que vous connaissez bien). Ainsi, ce fauteuil, les lunettes ou les vêtements que vous portez, la maison dans laquelle vous vivez se réduisent, in fine, à de l’information pure : un nuage de bits. On commence désormais à mesurer (plus ou moins grossièrement) le degré d’information de tel ou tel objet et de le comparer à tel autre.

*

Mais revenons maintenant à l’origine de l’Univers. Où donc au juste allons-nous trouver ce prodigieux temps imaginaire ? Vous l’avez deviné : non pas dans notre monde mais ailleurs. Avant le Big Bang. Soyons plus précis. Le temps complexe, en mathématique, résulte de l’addition du temps réel et du temps imaginaire pur. Et tout s’éclaire : le temps imaginaire pur existe lorsque le temps réel, lui, n’existe pas encore, autrement dit : à l’instant zéro. Vous pouvez donc sans effort en déduire avec nous qu’à l’instant zéro – au moment où l’Univers n’existe encore qu’en temps imaginaire – ce que nous appelons dans notre monde « énergie » n’existe pas non plus. Et qu’y a-t-il à la place ? Tout naturellement, de l’énergie imaginaire ! Cette chose vous paraît sûrement des plus étranges. Pourtant, elle est bien connue des physiciens, pour lesquels elle est presque banale. Elle ne varie pas (puisque le temps réel n’existe plus) et se réduit à ce qu’en mathématique on appelle un « champ scalaire », c’est-à-dire un nuage de nombres. Un ensemble de chiffres.

Nous voici donc face à cette forme d’énergie cristallisée, qui associe un nombre à chaque point. Au lieu d’énergie imaginaire nous allons l’appeler « information ». Et nous en déduisons donc qu’à l’instant zéro, il n’y a rien d’autre que de l’information. Quelque chose de purement numérique mais qui « encode » toutes les propriétés de l’Univers destiné à apparaître après le Big Bang.

Nous tenons donc les deux « bouts » de l’Univers : à l’échelle zéro le temps imaginaire et l’information, à l’échelle de Planck le temps réel et l’énergie.

Et entre les deux ?

La réponse est simple : le temps est nécessairement complexe (c’est la principale conséquence de l’état KMS) et ceci débouche donc sur un mélange entre l’information et l’énergie. Plus exactement, au cours de cette phase où le temps imaginaire se transforme en temps réel, de la même manière, l’énergie imaginaire à l’instant zéro (donc l’information initiale) se transforme en énergie réelle au moment du Big Bang.

*

D’où vient le Big Bang ? Finalement, nous touchons peut-être ici à une réponse. N’en déplaise à tous ceux qui répètent à l’envi que la question de savoir « ce qu’il y avait avant le Big Bang » n’a aucun sens (puisque le temps réel n’existe pas encore à cette époque), nous pensons, au contraire, qu’il est tout à fait possible de décrire ce qu’il y avait « avant » la naissance de l’Univers. Il suffit pour cela de faire appel à un exemple tout simple : celui d’une mélodie gravée sur un CD. Lorsque le titre de musique est diffusé grâce à de l’énergie sur les enceintes de votre chaîne HIFI, vous entendez la mélodie en temps réel. Or sitôt le morceau achevé, vous éjectez le disque de la chaîne : le CD quitte alors le monde des sons et de l’énergie pour se réduire aux seules informations gravées dans ses sillons. Autrement dit, se poser la question de savoir ce qu’il y avait « avant le Big Bang » équivaut un peu à se demander ce qu’il y avait avant que vous n’introduisiez le CD dans le lecteur : la mélodie était bien « là », mais sous forme d’information. De ce point de vue, la source de la colossale énergie qui, en quelques fractions de seconde, jaillit en torrents furieux du néant, pourrait bien être issue de l’information primordiale, encodée à l’instant zéro. En somme, une brutale « transition de phase » entre l’énergie imaginaire (l’information originelle) et l’énergie bien réelle qui va se déployer dans le Big Bang. Pour créer les galaxies, les étoiles par milliards, la Terre, vous et votre chien. En ce sens, comme nous l’avons dit ailleurs, la Singularité Initiale pourrait être le support de ce que nous appelons le « code cosmologique » : une sorte de programme mathématique, que nous pourrions comparer au code génétique pour un être vivant. Ce qui, au passage, affaiblit terriblement le rôle qu’aurait pu jouer le hasard au moment du Big Bang (et a fortiori avant). C’est sans doute un sentiment tout proche qui a traversé George Smoot face à la Singularité Initiale : « Est-ce donc là que s’arrête la science et que Dieu prend le relais, le créateur de cette singularité, de cette simplicité initiale4 ? »

Il y a vingt ans, dans la toute dernière page de Dieu et la science, Jean Guitton et nous écrivions : « Dans le sillage de tout ce qui précède, nous pouvons appréhender l’Univers comme un message exprimé dans un code secret, une sorte de hiéroglyphe cosmique que nous commençons tout juste à déchiffrer. Mais qu’y a-t-il dans ce message ? Chaque atome, chaque fragment, chaque grain de poussière existe dans la mesure où il participe d’une signification universelle. Ainsi se décompose le code cosmique : d’abord de la matière, ensuite de l’énergie, et enfin de l’information. »

Evidemment, dire que le Big Bang vient de l’information ne nous dit pas – ne nous dira sans doute jamais – d’où vient l’information elle-même. « Y a-t-il encore quelque chose au-delà ? Si nous acceptons l’idée que l’Univers est un message secret, qui a composé ce message ? »

Sans doute l’absence de réponse est-elle écrite dans le message.

1- In Dieu et la science, op. cit.

2- Robert Jastrow, « La Science et la Création », in Creation, Thomas H. Schattauer, 1980.

3- Ken-ji Hamada, Shinichi Horata and Tetsuyuki Yukawa Space-time Evolution and CMB Anisotropies from Quantum Gravity in http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0607586v3

4- George Smoot, Keay Davidson, op. cit.

Conclusion

Depuis son apparition, il y a 13,7 milliards d’années, l’Univers a lentement évolué, par paliers de complexité croissante, jusqu’à produire la vie et la conscience. Question fascinante, peut-être la plus importante de toutes : un tel scénario est-il inscrit, comme l’a écrit George Smoot ou comme le pense Freeman Dyson, au cœur même de la matière ? Car si tel est le cas, l’Univers est alors bien autre chose qu’un système de galaxies, d’étoiles et de planètes : c’est aussi une organisation hiérarchisée qui conduit nécessairement les molécules inanimées vers la vie. En d’autres termes, la vie serait l’expression spontanée d’un Univers dont la tendance naturelle consiste à organiser les molécules les plus simples en systèmes plus complexes jusqu’à engendrer du vivant.

Quel est alors le secret de cette tendance spontanée de la matière vers la vie ? Pourquoi apparaît-elle de plus en plus comme une conséquence des propriétés fondamentales de la matière ? On a peut-être trop tendance à oublier que l’extraordinaire programmation du vivant que vous pouvez découvrir depuis votre fenêtre sous la forme de brins d’herbe, d’hirondelles, de fourmis ou de roses, trouve son origine dans l’atome de carbone : nous voilà renvoyés vers le lointain cosmos et les étoiles sans lesquelles le carbone ne serait jamais apparu. Comme nous l’avons vu et répété, la moindre modification de la « chaîne causale cosmologique » ou de la valeur d’une des constantes physiques sur lesquelles repose toute la réalité qui nous entoure débouchent sur des solutions incomplètes, inexactes, incompatibles avec l’Univers tel que nous le connaissons : le plus infime changement des conditions initiales aurait eu pour résultat que la vie n’aurait jamais été possible.

Pour répondre à ces questions, il nous faut donc remonter très loin dans le passé, jusqu’à l’instant zéro, c’est-à-dire jusqu’à cet instant très mystérieux qui représente l’origine absolue de l’Univers où, comme nous le pensons, devaient être codées toutes les lois physiques sur lesquelles repose la réalité qui nous entoure. De même que tous les êtres vivants sont précédés d’une information génétique qui « code » leurs caractères physiques, l’Univers pourrait ainsi être précédé d’une information cosmologique qui, elle aussi, « code » ses caractéristiques et les grandes lois physiques. Comme tous les codes, ce « programme cosmologique primordial » se réduirait à un système d’instructions et de données numériques. Dans le cas où – comme nous le pensons – ce mystérieux code cosmologique serait bien situé à l’origine de l’Univers, c’est-à-dire à l’instant zéro, alors il serait du même coup plongé dans le temps imaginaire. Comme on l’a vu à plusieurs reprises, dans la vie de tous les jours le « temps qui passe » est associé à de l’énergie (un feu brûle et libère son énergie dans le temps, un moteur libère son énergie dans le temps). Pour prendre un exemple familier, lorsque vous projetez sur votre téléviseur le dernier film DVD que vous venez d’acheter, vous allez consommer une certaine quantité d’énergie (électrique, lumineuse, mécanique, etc.), mesurable et répartie dans le temps. Vous ne pourrez ni ralentir la lecture du film, ni l’accélérer (sans quoi, vous ne comprendrez rien au film) : vous êtes absolument contraint de demeurer sagement devant votre écran du début jusqu’à la fin. Or dès que vous éjecterez votre DVD du lecteur, le film quittera alors le monde du temps réel (celui de l’énergie) pour entrer dans celui du temps imaginaire (celui de l’information). En effet, l’histoire de votre film est toujours « là », gravée dans le DVD sous forme de « 0 » et de « 1 » : le scénario complet, avec ses aventures, ses personnages, ses voitures, ses chiens et ses maisons, est enfoui dans les sillons du disque, hors de toute énergie, hors de toute chronologie, hors de toute durée : sur votre disque, il n’y a plus de « passé » ni de « futur » mais, simplement, de l’information. Autre exemple : toute l’information du livre que vous tenez en ce moment entre vos mains est bien là, mais vous ne pouvez pas y accéder d’un seul coup : vous êtes contraint de tourner les pages, l’une après l’autre, et d’étaler votre lecture dans le temps, sur plusieurs jours, en consommant de l’énergie (sous forme de respiration, de nourriture, etc.).

Or selon nous, l’Univers d’avant le Big Bang ne repose pas sur de l’énergie mais seulement sur de l’information. Faisons un pas de plus et imaginons, pour prendre une métaphore commode, que toutes les lois physiques soient gravées sur une sorte de « DVD cosmique » : que se passerait-il si notre disque n’était pas mis en lecture ? Rien. L’Univers tel que nous le connaissons n’existerait pas : l’information contenue sur le disque resterait alors dans le temps imaginaire (exactement comme un film reste « hors du temps » aussi longtemps qu’il n’est pas décodé par un lecteur de DVD). Mais aussitôt que notre « disque cosmique » serait mis en lecture, alors l’information qu’il contient, c’est-à-dire l’ensemble des lois physiques qui gouvernent l’Univers, entrerait dans le monde de l’énergie et du temps réel : la réalité serait alors soumise, dans le temps, à l’action des grandes lois et constantes physiques. La constante de la vitesse de la lumière, par exemple, celle qui fait qu’un rayon de lumière voyage à la vitesse de 299 792 458 m à la seconde. L’origine de cette constante, le fait qu’elle soit fixée à cette valeur-là et pas une autre nous semble bien, en effet, extérieure au monde : comme toutes les autres, cette loi semble avoir une existence indépendante de l’Univers, on sent confusément que ces grandes lois viennent d’ailleurs.

Aujourd’hui, 137 millions de siècles après la naissance de l’Univers, la vie est apparue sur un petit monde banal sous la forme de fleurs, de bactéries, de chiens, de paramécies et de rhinocéros, de chênes et d’acariens, d’étoiles de mer et d’êtres humains. Or malgré cette étonnante diversité, tous ces organismes présentent, au niveau génétique et moléculaire, une remarquable unité de structure et de fonction. Ils portent tous les mêmes acides nucléiques et les mêmes protéines composées des mêmes éléments de base (acides aminés), leurs gènes sont tous des formes de la même molécule d’ADN, le code génétique est le même, les mêmes enzymes interviennent dans des réactions semblables pour tous.

Au-delà de ce premier mystère, il y en a un autre, tout aussi curieux : pourquoi toutes les molécules qui constituent les « briques » du vivant sont-elles lévogyres, c’est-à-dire « orientées à gauche » ? La bactérie ou le doryphore, la rose ou la girafe, l’algue ou la mouche, l’homme ou la limace sont constitués d’acides aminés lévogyres. Quelle est la raison d’un tel phénomène ? Pourquoi les molécules du vivant ne sont-elles pas, au contraire, « orientées à droite » ? Y a-t-il une justification à ce phénomène ?

Il semble qu’à un niveau profond, cette unité de structure renvoie bel et bien à une unité de la vie dont le scénario semble écrit depuis l’origine. On sait aujourd’hui que si les embryons de la morue, du cheval et de l’humain passent par un stade au cours duquel on observe dans chaque espèce des ébauches de branchies, c’est bien que ces différentes espèces ont évolué à partir d’un ancêtre commun, une espèce de poisson aujourd’hui disparue. Or les recherches les plus récentes concernant ces ancêtres communs ont permis de mettre en évidence un fait extraordinaire : l’évolution future du cerveau primitif de ces créatures vers le néocortex humain semble déjà codée dans le génome du cerveau reptilien de ces lointains ancêtres. Il s’agit là d’une question nouvelle intéressante : elle suggère que l’évolution des espèces ne dépendrait pas seulement du hasard. Ces idées sont aujourd’hui discutées par des physiciens comme Seth Lloyd ou David Deutsch : selon eux, l’évolution de l’Univers et de tout ce qu’il contient obéit à une sorte de « programme » enfoui au cœur même de la matière. Or s’il existe, jusqu’où nous faudra-t-il remonter pour trouver l’origine de ce mystérieux programme ? Celui-ci n’est-il pas antérieur à l’apparition même de l’Univers, à cet instant très énigmatique qui précède le Big Bang ? Le physicien Paul Davies va sans aucun doute dans le sens de cette hypothèse lorsqu’il écrit : « En affirmant que l’eau signifie la vie, les scientifiques de la NASA font tacitement un pari immensément profond sur la “nature de la nature”. Ils disent, en effet, que les lois de l’Univers ont, contre toute attente, habilement réussi à apprivoiser la vie ; que d’une certaine manière, les principes mathématiques de la physique, dans leur élégante simplicité, savaient tout, “à l’avance”, de la vie et de son immense complexité. Si la vie découle bien de la soupe primordiale, si elle en dépend par causalité, alors les lois de la nature encodent une instruction cachée, un “impératif cosmique” qui ordonne : “Créez la vie !” Et à travers la vie, ses conséquences : l’esprit, la connaissance, la compréhension des choses. Telle est la vision à couper le souffle de la nature, magnifique et exaltante dans sa majestueuse grandeur1. »

En ce moment même, un satellite glisse en silence à 1 million et demi de kilomètres de la Terre. Lancé le 14 mai 2009, PLANCK poursuit sa mission extraordinaire. Plongé dans le vide et le froid glacial de l’espace, loin de l’influence gravitationnelle de notre planète et du Soleil, loin de tout, il a pour mission d’approfondir la travail de COBE et de WMAP. Les mesures qu’il effectue sans relâche depuis plusieurs mois sont déjà d’une fantastique précision. Au début de l’année 2011, l’exploitation des données scientifiques permettra sans nul doute de préciser de manière extraordinaire les observations de COBE et de WMAP. Jean-Loup Puget, le responsable scientifique du projet que nous avions reçu dans notre émission le 16 mai 2009, nous avait alors confié : « PLANCK pourra nous dire précisément à quelle époque et comment les premières étoiles et les premières galaxies se sont formées, quelles sont les formes de matière et d’énergie qui emplissent l’Univers, quels sont précisément l’âge et la forme de l’Univers, et enfin quel sera son avenir lointain. » Il y a quelques jours, Jean-Michel Lamarre, dont on retrouve le croquis prophétique de PLANCK à la fin de ce livre, nous écrivait ceci : « Parce que PLANCK a été conçu pour mesurer la polarisation du rayonnement et pour introduire le moins de distorsion possible dans cette mesure, on pourra chercher à mesurer les résidus des ondes gravitationnelles produites pendant la phase d’inflation du Big Bang. Trois fois plus sensible à ce paramètre que neuf ans de mesure de WMAP, le résultat de PLANCK devrait être aussi mieux protégé des effets parasites qui peuvent contaminer cette difficile mesure. Nombre de questions de la physique et de l’astrophysique devraient recevoir un éclairage nouveau2. »

Il faudra encore patienter jusqu’à la fin de l’année 2012 avant que les données traitées et les premiers résultats scientifiques de la mission PLANCK ne soient rendus publics. En réussissant à reconstituer le scénario énigmatique des tout premiers instants de l’Univers, en nous montrant comment tout a commencé, PLANCK va livrer à l’humanité un fabuleux trésor cosmologique : peut-être pas le visage de Dieu, mais tout au fond du gouffre du temps, mystérieux et splendide, l’instant même de la Création.

1- Paul Davies, op. cit.

2- E-mail de Jean-Michel Lamarre aux auteurs du 8 avril 2010.

Postfaces

P.J.E. PEEBLES

prix Crafoord d’astronomie 2005

Université de Princeton

Robert W. WILSON

prix Nobel de physique 1978

Université de Harvard

John C. MATHER

prix Nobel de physique 2006

NASA

VERS UN BIG BANG CHAUD

P.J.E. Peebles

Dans ce témoignage que j’apporte au livre d’Igor et Grichka, Le Visage de Dieu, je rappellerai tout d’abord au lecteur que la théorie du Big Bang est née du travail d’un petit nombre de gens qui étaient le plus souvent dans l’ignorance de ce que les autres étaient en train de faire. C’était mon cas dans ma jeunesse, de même que pour Robert Wilson qui a pourtant joué un rôle décisif en découvrant que le Big Bang avait bel et bien eu lieu. Presque un demi-siècle après notre première rencontre, c’est pour moi un grand plaisir de le retrouver à nouveau à mes côtés dans les pages de ce livre.

J’ai commencé à travailler en cosmologie, la science de la nature à grande échelle de l’Univers, au début des années 1960, sur les conseils de mon professeur Bob Dicke. C’était séduisant, mais j’étais préoccupé par le peu de preuves qui auraient pu nous indiquer, parmi les idées alors en discussion, celles qui étaient sur la bonne voie. J’ai pourtant vu que certains calculs intéressants pouvaient mener à des comparaisons avec le peu de mesures dont nous disposions ou que nous espérions obtenir ; j’ai donc décidé de consacrer une année ou deux à ce sujet avant de me tourner vers un domaine doté d’une meilleure base expérimentale. Or les avancées dans les techniques de détection des rayonnements très faibles émis par les objets éloignés ainsi que les progrès des ordinateurs susceptibles de traiter ces données, ouvraient de nouvelles voies dans l’observation de l’Univers. Comme les nouvelles mesures s’accumulaient, j’ai été conduit vers de nouvelles idées qui suscitaient encore davantage de mesures. Je ne suis pas certain d’avoir compris, à l’époque, à quel point cette situation était merveilleuse pour un jeune scientifique ; mais j’avais la motivation pour continuer. Et donc sans l’avoir prévu, j’ai ainsi consacré toute ma carrière à une question qui est devenue bien plus fertile et enrichissante que tout ce que j’avais imaginé lors de ces premiers jours.

A cette époque, nous avions une théorie selon laquelle l’Univers était en expansion depuis un état primordial dense ; cette théorie était en accord avec l’observation selon laquelle la lumière des galaxies lointaines était décalée vers le rouge, comme si elle était « étirée » à mesure que les galaxies s’éloignaient les unes des autres. J’avais appris cette théorie en vue de mes examens de diplôme ; à l’époque, les démonstrations étaient si fragiles que je me rappelle avoir été surpris que les gens puissent la considérer sérieusement. Or Bob Dicke avait vu qu’il était possible d’apporter de nouvelles preuves. Si l’Univers avait bien commencé son expansion à partir d’un état chaud, alors l’espace devait être rempli d’un rayonnement thermique « fossile ». Certes ce rayonnement devait s’être refroidi en fonction de l’expansion de l’Univers, mais il devait encore emplir tout l’espace : si l’Univers est « partout », on ne peut aller nulle part « ailleurs ». Et si ce rayonnement devait encore être présent, l’étude de ses propriétés nous fournirait un excellent test de la théorie de l’expansion de l’Univers.

Lorsque Dicke a eu cette idée, je venais de terminer mes études supérieures en physique sous sa direction. Il a alors persuadé David Wilkinson et Peter Roll (qui en étaient au même point que moi dans leur carrière), de construire un instrument capable de détecter ce rayonnement fossile (si toutefois il existait). Quant à moi, il m’a conseillé d’en analyser les implications théoriques. Après cette expérience, Roll s’est orienté avec succès vers une carrière universitaire et administrative. De notre côté, Wilkinson et moi-même avons consacré la plus grande part de nos carrières à l’étude de ce rayonnement et de ce qu’il pouvait nous apprendre : la brève remarque de Dicke avait suffi à sceller nos deux destins en science.

Lorsque nous avons commencé nos recherches, nous ne savions même pas s’il y avait un rayonnement à détecter. Si le Big Bang avait bel et bien eu lieu, aurait-il pu être froid ? J’avais rapidement remarqué que dans l’hypothèse d’un Big Bang chaud, la pression du rayonnement pourrait nous aider à comprendre comment les galaxies se sont formées et expliquer pourquoi l’hélium avait été produit en si grandes quantités. J’ai découvert plus tard que j’étais en train de refaire la même analyse que George Gamow (un Russe devenu résident aux USA) qui avait décrit la formation de l’hélium 15 ans plus tôt. A cette époque, j’ai également exploré les propriétés d’un Big Bang « froid ». J’ai appris plus tard qu’en Russie, un physicien nommé Yakov Zel’dovich suivait à peu près le même cheminement de pensée que moi au même moment. Et peu à peu je découvrais que ce domaine n’était pas aussi « vide » que je l’avais pensé, même s’il restait encore beaucoup de choses à découvrir.

Comme je viens de le rappeler, j’ai accordé au début de mes recherches autant d’importance au cas d’un Big Bang chaud qu’à celui d’un Big Bang froid. A l’époque, je n’avais aucune opinion établie sur le modèle qui pouvait être le plus proche de la vérité. Or tout a changé lorsque nous avons appris que des ingénieurs des laboratoires Bell Téléphone se heurtaient à un problème dans le cadre d’expériences sur la communication par rayonnement micro-ondes : leurs instruments indiquaient un rayonnement inattendu. Alors que, grâce à Roll et Wilkinson, nous étions déjà bien engagés dans nos propres expériences à Princeton, voilà que deux jeunes scientifiques des laboratoires Bell, Arno Penzias et Bob Wilson, étaient en train d’achever une série de tests minutieux qui établissaient que le problème rencontré par les ingénieurs était bien réel. Je n’étais pas présent le jour où notre équipe de Princeton, dirigée par Dicke, s’est rendue aux laboratoires Bell. Mais je me souviens de leur rapport : « Ces gars-là ont des mesures solides ! » Penzias et Wilson étaient aux anges. Ils avaient une interprétation de leur problème : leur antenne détectait un rayonnement venu du fond de l’espace, peut-être le rayonnement du Big Bang lui-même. Nous étions heureux. Nous avions découvert qu’il existait bel et bien un rayonnement mesurable et des résultats susceptibles d’être analysés ; dès lors, nous savions que nous pouvions faire œuvre de science utile dans un nouveau domaine.

En 1965, nous avions donc découvert que le ciel était empli d’un rayonnement qui pouvait bien être la trace fossile laissée par un Big Bang chaud. Afin de démontrer qu’il s’agissait bien de cette trace fossile, il nous fallait procéder à deux tests : l’énergie de ce rayonnement à chaque longueur d’onde – le spectre – devait correspondre aux conditions thermiques qui dominaient l’Univers primordial chaud ; de plus, on aurait dû pouvoir déceler sur cette mer de radiations exactement uniforme, de légères variations en accord avec la distribution observée de matière sous forme de grumeaux.

Le premier objectif (tester le spectre) a été atteint en 1990 par deux expériences indépendantes : celle de John Mather avec le satellite COBE et celle de Herb Gush, responsable d’une mission spatiale canadienne. J’ai un souvenir très clair de mon soulagement au moment où 25 années de travail avaient fini par montrer de manière convaincante que le rayonnement primordial avait le spectre si hautement caractéristique d’un Big Bang chaud.

Le second test, celui de la mesure des légères variations du rayonnement primordial, a été atteint par George Smoot qui dirigeait un instrument embarqué à bord de COBE. Tout à coup s’ouvrait un nouveau champ de recherches particulièrement excitant : tenter de comprendre comment le rayonnement et la matière ont interagi à l’époque primordiale pour engendrer la distribution des structures que nous observons aujourd’hui. On pourrait évoquer plusieurs scénarios selon lesquels la matière s’est développée à partir d’une distribution primordiale sous forme de « grumeaux ». Celle qui a eu le plus de succès a été appelée CDM (Cold Dark Matter) en raison du rôle dominant joué par la matière sombre froide (elle a été renommée « lambda CDM » en raison d’un autre élément hypothétique, la constante cosmologique d’Einstein). J’étais un peu mal à l’aise face à la popularité naissante de cette théorie ; je l’avais inventée, mais j’aurais pu aussi bien songer à d’autres théories également en accord avec les données dont nous disposions alors. Celle de la matière sombre froide était sans doute la plus simple : mais y avait-il une raison pour laquelle l’Univers devait accepter nos idées les plus simples ? Pourtant, à mesure que les mesures s’amélioraient, il me semblait de plus en plus difficile de trouver des alternatives acceptables à l’hypothèse de la matière sombre : j’ai totalement renoncé à d’autres explications au moment où a eu lieu une autre avancée considérable, celle de la mesure précise de la distribution du rayonnement cosmologique par le satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Ce satellite porte le nom de mon vieil ami David Wilkinson en raison de son travail ininterrompu dans ce domaine depuis les jours lointains des années 1960 jusqu’à sa mort en 2002. WMAP a réalisé une part importante des observations aujourd’hui fiables qui montrent que la théorie de la matière sombre froide représente une bonne approximation de ce qui s’est produit lorsque notre Univers en expansion s’est refroidi.

Pour comprendre ce que je ressens à propos de la prochaine grande mission d’exploration du rayonnement cosmologique par le satellite PLANCK, il faut revenir sur ma vie de chercheur. Dans les années 1960, très peu de scientifiques travaillaient en cosmologie. Je les ai presque tous rencontrés lors de conférences. Le livre que j’ai publié en 1971 sur ce sujet n’était pas très épais : en 300 pages, j’avais pu y passer en revue toutes les recherches intéressantes. A l’époque, cette science était encore restreinte. Mais de nos jours, une étude comparable remplirait toute une bibliothèque et nécessiterait de nombreux auteurs experts dans chacun des sous-domaines de ce qui est devenu une vaste science. Cette science a rassemblé quantité de preuves en faveur d’un Big Bang chaud mais pas d’une « théorie finale » (si toutefois une telle théorie devait exister un jour). L’histoire des sciences est l’histoire de l’amélioration des approximations successives qui suscitent de nouvelles questions et orientent la recherche vers des approximations encore plus fines. J’ai pu assister à cela en cosmologie : comme toute théorie à succès, celle-ci engendre toute une série de questions ouvertes. Quelle est la nature de la matière sombre froide ? Les expériences en cours pourraient nous le dire. Quelle est la nature de cet autre élément hypothétique, la constante cosmologique d’Einstein ? Les hypothèses sont au mieux schématiques, mais elles suscitent des recherches stimulantes chez des jeunes gens brillants. Que faisait l’Univers avant de commencer son expansion ? L’idée la plus populaire, celle de l’inflation, est également bien schématique. Mais PLANCK pourrait nous apprendre si l’une des versions de l’inflation a réellement eu lieu.

Comme on peut le voir, je suis en quelque sorte « conditionné » pour espérer des avancées merveilleuses dans des directions surprenantes. Je n’en attends pas moins de PLANCK. Comme vous l’avez lu dans le témoignage de Bob Wilson, l’histoire de la cosmologie repose, pour l’essentiel, sur une rencontre entre de grandes espérances d’un côté et de minutieuses observations de l’autre. Avec parfois la joie immense de découvrir ce que Smoot appelle « le Visage de Dieu » !

P.J.E. PEEBLES
Prix Crafoord d’astronomie 2005
Université de Princeton
le 29 mars 2010

LA CARTE DE L’UNIVERS PRIMORDIAL

Robert W. Wilson

A la fin des années 1950, alors que j’étais étudiant à Caltech, l’unique enseignement en cosmologie était dispensé par Fred Hoyle. Comme chacun sait, Hoyle était l’auteur et le défenseur acharné de la théorie de l’Univers stationnaire. Celle-ci me plaisait assez. C’est pourquoi l’on ne peut pas dire que j’étais particulièrement orienté vers une cosmologie de type « Big Bang ». Désormais, cette théorie est plutôt bien comprise : depuis les toutes premières micro-secondes jusqu’à l’Univers que nous observons, le scénario est cohérent. Certes, la question de savoir comment l’Univers a démarré de manière aussi précise pour nous mener là où nous sommes est beaucoup moins claire. Mais l’un dans l’autre, cette théorie semble être la seule susceptible d’expliquer l’Univers tel qu’il est.

Pendant que je préparais mon doctorat, j’avais entendu dire que les laboratoires Bell avaient rassemblé des équipements radio spécialisés dans les communications avec les satellites. En 1963, après une année de post-doc à Caltech, j’ai donc accepté un travail dans le New Jersey, au département de recherche des laboratoires Bell à Holmdel. J’avais l’intention de poursuivre mes recherches en astronomie tout en contribuant à des missions pratiques pour le département des systèmes. Tout au long de l’année suivante, j’ai donc préparé avec Arno Penzias le réflecteur d’antenne de 20 pieds en vue de plusieurs projets en radio-astronomie. L’un d’eux consistait à observer un halo autour de notre galaxie la Voie lactée. Ce halo devait être visible dans toutes les directions et son éclat plutôt uniforme. Lorsque nous avons enfin monté le radiomètre (conçu pour mesurer avec précision la température d’antenne du réflecteur), nous avons alors détecté un excès de température tout à fait inattendu. Nous étions au mois de mai 1964. Or cet excès de température était indépendant de l’endroit du ciel vers lequel l’antenne était orientée. Il ne s’agissait que de quelques degrés au-dessus du zéro absolu (et de bien peu de choses eu égard au rayonnement terrestre qui environnait notre antenne) mais si nous devions poursuivre nos observations avec ce matériel, il nous fallait absolument trouver un moyen d’éliminer ce « bruit » parasite. D’autres gens des laboratoires Bell avaient déjà observé ce phénomène mais ils en avaient conclu qu’il résultait simplement d’une imprécision de leurs mesures. Or malgré le fait que nous disposions d’un système de détection bien plus performant, le problème persistait. Nous avons alors pensé, Arno et moi, que ce « bruit » provenait d’un défaut de notre équipement : nous n’avions jamais supposé qu’il ait pu avoir une origine extraterrestre. Nous avons épluché la liste de ce qui aurait pu causer ce problème et vérifié chaque élément de notre équipement : pendant près d’un an, nous avons passé toutes nos mesures au peigne fin.

Ce n’est qu’en 1965, au moment où nous avons appris, presque par hasard, que certains physiciens de Princeton avaient prédit un tel « bruit », que nous avons commencé à penser qu’il pouvait peut-être s’agir d’un phénomène cosmologique inconnu. A cette époque, nous n’avions pas encore eu le moindre contact avec l’équipe de Princeton. Or bien heureusement, notre ami le radio astronome Bernie Burke a alors attiré notre attention sur les travaux de l’équipe de Robert Dicke, en particulier sur ceux d’un jeune physicien nommé Jim Peebles. A ce moment-là, Peebles venait de distribuer à ses collègues un article non publié dans lequel il décrivait de quelle manière le rayonnement fossile du Big Bang pourrait être détecté dans le cosmos. Nous avons donc appelé nos collègues de Princeton (qui se trouve à une soixantaine de kilomètres à peine). Je me souviens très clairement du jour où Bob Dicke, David Wilkinson et Peter Roll sont venus pour la première fois visiter nos installations à Crawford Hill (Jim Peebles n’avait pas pu se joindre à nous ce matin-là). Quel ne fut pas notre soulagement lorsqu’après avoir examiné notre équipement ils sont tous tombés d’accord pour conclure que nos mesures étaient correctes. Je revois encore Bob Dicke en train de décrire leur cosmologie et de plaider pour la théorie à l’arrière de ce que nous avions découvert. Le bruit du « Big Bang » devait être uniforme dans toutes les directions et donc correspondre à ce que nous avions observé. A cette époque, ni Arno, ni moi n’avions réalisé l’importance de notre découverte. Nous étions très heureux d’avoir une explication plausible de ce « bruit », mais bien que nous ayons accepté le fait que Dicke et ses collègues pouvaient avoir raison, nous avons tout de suite pensé que nous devions chercher d’autres explications. Par exemple, celle de l’Univers stationnaire. Mais le temps passant, après quantité de tests et de vérifications, nous avons dû admettre que la seule explication plausible renvoyait aux idées de Peebles et de Dicke : peut-être avions-nous bel et bien trouvé le rayonnement « fossile » provenant de l’Univers naissant, comme l’avaient prédit Dicke et démontré Peebles. Avant d’envoyer notre article pour publication, nous avons fait une ultime vérification du niveau de rayonnement parasite en provenance du sol, mais notre antenne séparait les signaux comme prévu.

En 1965, quelques semaines avant la publication de notre travail dans l’Astrophysical Journal, Walter Sullivan a été le premier à révéler notre découverte au monde entier, à la une du New York Times. Ceci m’a amené, comme le reste du monde, à prendre notre aventure très au sérieux. Pour preuve, nous avons alors reçu quantité d’encouragements de la part de nombreux astronomes. Il était alors remarquable de constater à quel point la communauté scientifique était favorable à notre découverte. Les laboratoires Bell jouissaient d’une excellente réputation, de même que l’équipe de Princeton : les meilleures conditions étaient réunies pour que notre découverte soit prise au sérieux et acceptée. Malgré cela, je me souviens que notre aventure a évolué avec une certaine lenteur. Il a fallu plus d’un an avant que nos premières observations puissent trouver une explication. Je ne pense pas que nul d’entre nous aurait pu réaliser à quel point notre découverte allait bouleverser la cosmologie. C’est peut-être pour cette raison qu’au moment où nous avons reçu le prix Nobel, ce fut presque une surprise. Avant cela, nous n’y avions même jamais songé. Je crois que c’était la meilleure façon de recevoir un tel prix. Au-delà du grand honneur d’être récompensé, le prix Nobel a totalement changé nos vies. Au-delà de la communauté scientifique, le monde entier découvrait ce que nous avions fait. Et en même temps, il devenait évident que le rayonnement de fond cosmologique devenait quelque chose de très important. Le prix Nobel ouvre la voie vers quantité d’autres choses. Il m’est difficile de dire ce que le comité Nobel aurait dû faire. Mais je crois que certains de nos collègues auraient dû partager le prix avec nous. En particulier Gamow, Alpher et Herman qui, dans les années 1940, avaient prédit le rayonnement de fond issu d’un Big Bang ou encore Peebles et Dicke qui étaient partie prenante de cette découverte. Même si certains de ses collègues ont certainement été déçus d’avoir été oubliés, je n’ai ressenti aucune amertume à notre égard de la part de Gamow qui me semblait au contraire enchanté de notre découverte du rayonnement fossile.

Environ une décennie plus tard, en 1992, comme on le voit dans ce livre, ce fut au tour de COBE de stupéfier le monde. Il a commencé par établir une magnifique convergence entre les observations et le spectre de corps noir prédit par la théorie du Big Bang. John Mather qui dirigeait cette expérience a montré qu’il s’agissait d’un rayonnement de corps noir presque parfait. Ceci a mis un terme à toute possibilité d’expliquer le rayonnement fossile par tout autre modèle que celui du Big Bang.

Nous voyons désormais bien plus loin dans l’histoire de l’Univers que jamais auparavant. Je trouve extraordinaire que l’on puisse recueillir autant d’informations à partir des fluctuations primordiales du rayonnement de fond. Quand j’étais étudiant, la constante de Hubble avait une imprécision d’un facteur d’ordre 2. Désormais, on peut la déterminer à quelques pour cent près à partir des fluctuations du fond tout comme une quantité d’autres constantes.

En fait, après que WMAP aura appliqué ses instruments à haute résolution sur de petites portions du ciel, le satellite PLANCK devrait nous fournir un tableau à haute résolution du fond cosmique sur la totalité du ciel. Voici qui va certainement renforcer notre compréhension de ce qui s’est passé au moment de la naissance de l’Univers : ce serait magnifique que le mode B de polarisation soit assez puissant pour être mis en évidence par Planck.

La providence m’a placé au bon endroit pour utiliser un instrument capable d’observer « le bruit du Big Bang ». J’ai également eu beaucoup de chance de comprendre ce que cet instrument pouvait accomplir. J’aurais pu faire tellement d’autres choses de ma vie. Mais j’ai atterri aux laboratoires Bell où se trouvait cette antenne avec toute l’aide nécessaire pour construire ce dont nous avions besoin et procéder aux observations que nous voulions.

Environ un demi-siècle après cette époque, je me souviens que la vie était merveilleusement bonne à Crawford Hill. Mon premier patron avait travaillé avec le physicien et ingénieur radio Karl Jansky qui avait découvert dans les années 30 les ondes radio en provenance de l’espace et restera, à ce titre, comme le premier radio-astronome de l’Histoire. L’équipe de Crawford Hill avait apporté des contributions substantielles aux technologies des micro-ondes qui ont été développées par la suite. C’était merveilleux de se trouver dans l’entourage stimulant de ces gens-là. Il m’est impossible d’imaginer un endroit où j’aurais pu être plus heureux. Notre bâtiment ouvrait sur l’arrière vers une colline couverte d’herbes et de fleurs où se dressaient diverses antennes, y compris le réflecteur de 20 pieds. Ce n’était pas seulement « commode » de travailler là-bas : c’était follement agréable d’être dehors, au beau milieu de la nature.

Aujourd’hui, j’habite à quelques kilomètres seulement des laboratoires Bell. De temps en temps, je reviens dans cet endroit où j’ai passé les moments les plus heureux de ma vie de chercheur. L’antenne est toujours là. Il y a quelques années, l’ancien système de contrôle est tombé en panne. Avec l’aide d’un collaborateur, j’ai installé un tableau de commande électronique moderne à la place de l’ancien système. Et l’antenne fonctionne à nouveau. La plupart du temps, elle est désormais éteinte. Mais lorsque des piqueniques sont organisés sur les pelouses alentour, on oriente alors le réflecteur en direction des gens assis dans l’herbe. Au lieu de détecter le rayonnement primordial du Big Bang, notre antenne capte alors quelque chanson à la mode et retransmet la musique à toute la foule. Du plus profond des mystères cosmologiques à quelques banales notes de musiques, après tout, ainsi va la vie.

Robert W. Wilson
prix Nobel de physique 1978
Université de Harvard
Le 2 avril 2010

LES PREMIÈRES TRACES
 DANS L’ESPACE-TEMPS

John C. Mather

Ce livre, Le Visage de Dieu, traite de la quête scientifique la plus passionnante de tous les temps : celle de l’origine de l’Univers. Qu’est-il arrivé à l’instant du Big Bang ? Et peut-être même avant ? Comment l’Univers a-t-il commencé ? Quelle est l’origine des étoiles et des galaxies ?

Pour la première fois, les scientifiques disposent d’outils qui leur permettent de répondre à ces questions : la cosmologie est devenue aujourd’hui une science expérimentale (et précise). Personnellement, j’ai eu la grande joie et le privilège de participer à un projet qui a transformé non seulement la cosmologie mais aussi toute notre vision de l’Univers. Cette expérience a un nom que vous connaissez peut-être : le satellite COBE.

En 1974, j’ai dirigé une petite équipe de scientifiques afin de concevoir une méthode de mesure du rayonnement cosmologique émis au moment du Big Bang ainsi que les radiations infrarouges en provenance des galaxies les plus lointaines. Le lancement du satellite COBE en 1989 est le résultat du travail de plus de 1500 chercheurs et ingénieurs de la NASA et de Ball Aerospace ainsi que des universités à travers tous les Etats-Unis.

L’équipe de COBE a fait trois découvertes majeures.

Tout d’abord, le Spectrophotomètre absolu dans l’infrarouge lointain (ou FIRAS), construit par une équipe dirigée par moi-même avec Rick Shafer, a comparé le spectre du rayonnement fossile à celui du « corps noir » prédit par la théorie. En janvier 1990, j’ai présenté les premiers résultats des observations faites par l’instrument FIRAS installé à bord de COBE. Presque immédiatement, nous avons été en mesure de confirmer que le rayonnement fossile avait bien un spectre de corps noir. Cela signifiait que la première lumière émise par l’Univers était entièrement déterminée par sa température, de sorte que le cosmos primordial se trouvait dans un équilibre thermique presque parfait. Lorsque nous avons dévoilé l’image des courbes à la Société Américaine d’Astronomie, nous avons déclenché une « standing ovation ». Plus tard, nous avons montré que l’ajustement de ces courbes était presque parfait, à moins de 50 parties par million, ce qui confirme la théorie du Big Bang chaud avec une précision extraordinaire. La théorie concurrente, celle de l’Univers stationnaire, ne pouvait pas expliquer un tel degré de perfection. La température du rayonnement fossile est aujourd’hui bien connue : 2 725 degrés Kelvin plus ou moins 0 001 K. Cette « première lumière » est la forme dominante d’énergie par rayonnement dans l’Univers, même encore à présent, alors qu’elle a été refroidie et diluée par l’expansion.

La deuxième grande découverte a été effectuée grâce au « radiomètre différentiel à micro-ondes » (ou DMR), un instrument construit par une équipe dirigée par George Smoot et Charles Bennett. Il a révélé que la carte de la luminosité du rayonnement fossile présente de minuscules irrégularités (qu’on appelle des anisotropies). Ces « grumeaux » varient en luminosité d’environ 10 parties par million et dans les cartes elles ont des tailles apparentes d’à peu près 7 degrés. On pense que ces aspérités sont les traces des conditions qui régnaient dans l’Univers primordial et, apparemment, seraient formées (pour l’essentiel) à partir de la matière noire – pour autant que les astronomes puissent la mesurer. Elles représentent des contrastes dans la distribution physique de la matière à des époques très lointaines et sont à l’origine de la structure à grande échelle de l’Univers actuel. Dans l’Univers primordial, les régions denses ont attiré la matière et engendré ainsi les galaxies et les amas de galaxies. Tout ceci est à l’origine de notre propre existence.

Le 23 avril 1992, lorsque notre équipe a présenté cette carte de l’Univers primordial, nous avons littéralement survolté la communauté scientifique. Pour la première fois nous apportions la preuve qu’il existait des anisotropies au sein du rayonnement fossile, autrement dit d’infimes différences de température qui n’avaient pas été détectées auparavant. Stephen Hawking, le physicien théoricien de l’université de Cambridge, connu internationalement pour ses recherches sur l’Univers primordial (et aussi pour son livre Une brève histoire du temps), a immédiatement déclaré que c’était la plus importante découverte du siècle, sinon de tous les temps. En fait, le modèle cosmologique standard, la théorie du Big Bang, s’est donc trouvée confirmée, au-delà de tout doute possible. En outre, les cartes montrent que les forces gravitationnelles, agissant sur la distribution initiale de la matière issue du Big Bang, suffisent à expliquer la structure de l’Univers d’aujourd’hui, avec les galaxies et les amas de galaxies. Par conséquent, les cosmologistes avaient deux vraies raisons de se réjouir : non seulement la théorie du Big Bang était la bonne, mais en plus nous étions en mesure d’expliquer l’énorme mystère de la formation des galaxies et des amas galactiques.

Depuis cette découverte se sont succédé de nombreux instruments basés au sol ou embarqués à bord de ballons. S’y ajoutent deux satellites actuellement en orbite, WMAP de la NASA (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), dirigé par Charles Bennett et par David Wilkinson et lancé en 2001, puis l’observatoire PLANCK, construit en Europe et lancé en mai 2009. Il ne fait aucun doute que le satellite PLANCK sera amené à confirmer et à affiner les fantastiques résultats précurseurs des satellites COBE et WMAP. La cosmologie est entrée dans une ère passionnante où les théories peuvent maintenant être validées par les instruments de mesure. Nous quittons l’époque des spéculations incertaines pour découvrir le domaine fascinant des confirmations expérimentales.

Nos deux premières découvertes ont été reconnues par le prix Nobel de physique, attribué en 2006 à George Smoot et à moi-même, au nom de toute notre équipe.

Notre troisième découverte majeure a été celle du fond cosmique infrarouge, mesuré par l’Expérience du fond infrarouge diffus (DIRBE), réalisée par une équipe sous la direction de Michael Hauser et Thomas Kelsall. Cette radiation – encore pas totalement expliquée – est à peu près aussi lumineuse que le rayonnement visible émis par toutes les classes connues de galaxies découvertes jusqu’ici. Le rayonnement infrarouge lointain a surtout été expliqué comme résultant d’une classe de galaxies extrêmement lumineuses et poussiéreuses, tellement poussiéreuses que leur rayonnement visible est presque entièrement absorbé. La partie proche du fond cosmique infrarouge n’est encore pas très bien comprise et des travaux supplémentaires sont nécessaires.

Le livre d’Igor et Grichka que vous tenez entre les mains rappelle les principales étapes de cette immense aventure de la connaissance à travers laquelle il devient possible de mieux définir la place que l’homme occupe dans l’Univers, son histoire et son évolution.

John Mather
prix Nobel de physique 2006
NASA
Le 25 mars 2010

© Jean-Michel Lamarre

© Jean-Michel Lamarre

Toute expérience naît d’une phase séminale pendant laquelle ses inventeurs réalisent qu’il est possible de dépasser les obstacles que l’on croyait insurmontables afin de dévoiler un nouvel aspect de la réalité. On découvre ici, sur le cahier de laboratoire de Jean-Michel Lamarre, scientifique responsable de l’instrument Haute Fréquence de Planck (Planck-HFI), les balbutiements du concept entièrement nouveau de cet instrument. Un peu à la manière des croquis de Léonard de Vinci montrant, avec plus de cinq siècles d’avance, le profil de prodigieuses machines volantes. Pour faire 1 000 fois mieux que COBE, il fallait imaginer, dès 1993 (date à laquelle ce croquis visionnaire a été réalisé par Jean-Michel Lamarre), que l’on arriverait à s’approcher de la précision de mesure déterminée par les limites de la physique quantique. Le chiffre entouré est l’incertitude de mesure prévue à l’époque et obtenue aujourd’hui par Planck-HFI après plus d’une décennie de recherche et de développements instrumentaux.