Les toutes, toutes premières fois

-13 milliards 700 millions d’années

Un temps que les moins de 20 ans…

Tout commence par l’amorçage d’un écoulement qui ne restera pas sans lendemain, celui du temps ! Or, le temps n’a pas d’existence intrinsèque, c’est l’enchaînement des évènements qui lui permet de s’extirper d’une éternité sans futur… et sans passé. Qu’y avait-il avant ce temps dans lequel nous évoluons comme des poissons dans l’eau ? Un mystère vieux comme le monde qui fait aujourd’hui débat. Mais, chaque chose en son temps et revenons à l’instant T de la « création » dont découle toute l’épopée de l’Evolution.

Depuis Einstein, on sait que le temps et l’espace sont voués à faire vie commune : un couple vieux comme le monde, inséparable depuis la nuit des temps. Mais justement, que savons-nous de cette fameuse « nuit des temps » ?

Nous sommes au tout, tout début de notre histoire. Il y a 13 milliards 700 millions d’années. C’est l’instant Zéro, instant où le temps et la matière n’existent pas encore, où nos lois de la physique sont inapplicables, où les scientifiques y perdent leur latin. Une nuit des temps tellement obscure qu’elle défie notre entendement et risque de demeurer mystérieuse à jamais.

Et puis, whaaoou, le Big Bang, la toute première fois par excellence, sans elle, aucune autre n’aurait pu évidemment voir le jour. Alors s’ébranle, pour la première fois de « tous les temps », l’engrenage de l’égrenage ! Le temps peut commencer son cours et, avec lui, notre histoire.

A ce moment précis, le grande horloge de l’univers indique 10^-43 secondes après cet instant zéro inaccessible. Instant d’une durée infinitésimale qui marque le commencement du temps (et des temps). 0 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000,1 seconde : cette fraction de seconde est appelée Temps de Planck qui correspond à la plus petite portion de temps possible. Le mécanisme inexorable, presque infernal, va désormais égrener la moindre fraction de seconde, recluse dans le moindre recoin de l’univers… jusqu’à la fin des temps.

Depuis cet instant, rien ni personne n’échappera à la loi inflexible du temps qui passe, ni la ménagère de 50 ans, ni même le proton, dont la durée de vie serait 10³¹ d’années (soit des milliards de milliards d’années).

Le temps se comporte comme une diva. Il se laisse observer, mesurer, courtiser mais jamais apprivoiser et encore moins dompter. Surtout, le temps est tellement facétieux qu’il parviendra autant à faire tourner les aiguilles des horloges que la tête des plus illustres - n’est-ce pas monsieur Proust - et peut-être même celle du Grand Horloger.

Parmi ses facéties : le célèbre paradoxe des jumeaux de Langevin¹. Il réussit la prouesse de « déjumeler » des jumeaux. Il illustre en effet comment des jumeaux, par définition du même age, peuvent se retrouver aîné et cadet pour avoir vécu des parcours à des vitesses différentes. La morale de l’histoire : le temps est plus indulgent pour celui qui a la bougeotte.

Le temps dispose donc de « pouvoirs » colossaux. Il peut même décider d’interrompre le chrono, comme à l’approche des trous noirs, ces ogres cosmiques qui avalent tout autour d’eux, même le temps est peut-être même de devenir imaginaire. Un individu pris dans le filet d’un de ces trous noirs aurait le sentiment de vivre l’éternité, si toutefois il pouvait survivre à cette situation.

Le temps file, se défile parfois comme avec ces trous noirs mais ne se rembobine jamais, du moins à notre échelle. Il nous conduit toujours du début vers la fin. C’est la flèche du temps.

Cette notion n’est pas le fruit de l’imagination hollywoodienne en vue de happy-ends populaires mais une conséquence de la thermodynamique (principe entropique), concept nettement moins populaire.

Selon ce principe, on a plus de chances en faisant tomber un jeu de cartes bien classé de le retrouver à terre désordonné que d’obtenir le contraire (un jeu bien classé à partir d’un jeu désordonné). Comme on le pressentait, le désordre est une voie « naturelle », et, in fine, en augmentation dans l’univers.

La flèche du temps est une conséquence de cette dégradation. C’est inéluctable et irréversible, sauf dans le scénario d’un Big Crunch qui, dans un avenir fort lointain et improbable, pourrait inverser la fameuse flèche du temps et nous ramènerait au point de départ. Sinon, le temps suivra son cours…

Alors, faut-il redouter l’éternité car, comme le faisait remarquer Woody Allen, « L’éternité c’est long, surtout sur la fin » ?

1 - Illustration de la théorie de relativité restreinte d’Einstein publiée en 1911 par Paul Langevin. La différence de vieillissement entre le jumeau resté sur Terre et celui voyageant pendant 10 ans dans un vaisseau spatial à la vitesse de 60% de celle de la lumière est de 2 ans. Autrement dit, celui qui reste sur Terre aura vieilli de 10 ans, tandis que son frère embarqué dans son vaisseau spatial seulement de 8 ans.

• Au plus près du big-bang. Planck, le télescope européen qui sera lancé mi-avril 2009, devrait permettre de retrouver l’enfance de l’Univers par l’analyse du rayonnement fossile émis trois cent mille ans après le big-bang.(Libération - 03/03/2009)
• Big Bang, des origines de l’Univers aux origines de la vie : un dossier SagaScience du CNRS
• L’incroyable défi : recréer le “Big-Bang” ! C’est l’objectif du “grand collisionneur d’hadrons” (LHC).
• La plus belle histoire du monde : les secrets de nos origines, par Hubert Reeves, Yves Coppens, Joël de Rosnay et Dominique Simmonet.
• Avant le big bang : un livre de Igor et Grichka Bogdanov qui raconte une histoire, pose une question et esquisse une réponse. L’histoire ? C’est, tout simplement, celle de l’origine du monde. Qu’y avait-il ” Avant le Big-bang ” ? La seconde partie du livre pose une question : est-il possible de ” remonter au-delà ? C’est alors que les Bogdanov proposent dans la troisième partie de leur ouvrage, une hypothèse dont la complexité interdit l’exposé succinct.

10^-43 secondes après l’instant Zéro

L’odyssée de l’espace

La naissance du temps est aussi celle de l’espace. De l’espace, l’univers ne va pas en manquer mais à cet instant précis il se sent plutôt à l’étroit.

Comme pour le temps, l’espace a lui aussi une valeur incompressible (10^-33cm). Le moment ou cet espace incroyablement petit se déploie se situe juste après l’instant zéro. Il correspond à ce que les physiciens appellent le Mur de Planck¹, c’est à dire 10^-43 seconde du début de l’univers.

Avant, c’est à dire au tout, tout début (la période dite de Planck), le bébé univers, comme on l’a déjà évoqué, défie les lois actuelles de la pysique, ce qui le rend inaccessible sauf à s’en remettre à des théories spéculatives.

Si un paparazzi avait pris un cliché des premiers cris du nourrisson univers, on trouverait qu’il manque particulièrement d’allure. Petit et pas lourd, le chérubin. Son volume est des millions de milliards de fois inférieure à la dimension d’un atome, assorti d’un poids plume, 20 microgrammes.

Pourtant tout est potentiellement là : les milliards de galaxies, d’étoiles, tous les atomes qui vont constituer les êtres vivants, nos maisons, nos objets familiers. Tout est là et rien n’est là puisque aucun objet solide n’existe encore, uniquement un océan d’énergie où toutes les valeurs qui nous sont familières, temps, distance, taille, poids etc. sont insaisissables.

En réalité tout est converti en énergie. Une énergie colossale qui dépasse l’entendement (10¹⁹ giga électronvolts) dotée d’une température hallucinante qui atteint 100 000 milliards de milliards de milliards de degrés.

Ce n’est plus tenable. L’univers va devoir partir à la conquête de l’espace ; les premiers travaux d’agrandissement de l’histoire, en quelque sorte. Cette expansion va se poursuivre jusqu’à nous où toute les 5 secondes l’Univers s’aggrandit d’un volume équivalent à celui de la Voie Lactée, notre galaxie.

C’est le top départ vers les grands horizons. A partir de maintenant le temps et l’espace (rappelons nous qu’ils sont associés) vont pouvoir se déployer ainsi que, progressivement, les quatre forces de l’univers qui, jusqu’ici était unifié en une Superforce.

La première des forces à « faire le mur… de Planck ! » est la force gravitationnelle. Autrement dit, la gravité, celle qui dispose d’un pouvoir d’attraction notamment entre les corps célestes. Désormais, cette force vivra sa vie indépendamment des trois autres et n’aura plus d’action sur le monde de l’infiniment petit, celui des particules.

Lorsque l’univers, qui est en expansion de manière inhomogène depuis le top départ, atteint 10^-36 seconde, il n’est encore qu’un plasma torride où des pseudo particules de matière et d’antimatière apparaissent et disparaissent sans arrêt. C’est le vide quantique.

Les premiers pas de l’univers nous réservent encore bien des surprises.

1 - A titre de comparaison, cette durée est un milliard de milliards de milliards de milliards moins longue que l’effet d’un flash photo par rapport à l’histoire entière de l’univers.

• Le journal du CNRS : L’énigme des premiers instants
• Notre compréhension de l’univers est sur le point de changer : Le Grand collisionneur de hadrons
• L’origine de l’univers : Le Big Bang dans l’encyclopédie libre Wikipedia
• Que savons-nous des premiers instants de l’univers ? De quelles preuves disposons-nous ? Les origines de l’Univers, de John Barrow, offre au non-spécialiste une “histoire du temps” de l’univers visible et souligne aussi les limites de nos connaissances.

10^-35 seconde

Le bond en avant

Nous sommes encore à des « années-lumière » de la première seconde que, déjà, un nouvel événement majeur va remettre notre destin en jeu. Il s’agit d’une seconde naissance de l’univers, une sorte de seconde première fois.

L’univers s’est refroidi d’un facteur 1000. Grâce à ce refroidissement, la force électronucléaire se scinde en deux. Désormais, règnent trois forces distinctes.

La surprise va venir de l’énergie du vide quantique évoqué plus haut. Subitement celle-ci va se libérer en produisant une expansion inimaginable.

Cette inflation (on parle de période d’inflation pour désigner ce moment)  va durer 10^-35 seconde, autant dire une durée infinitésimale. En revanche, en terme d’espace gagné, c’est colossal.  Pour s’en faire une idée, l’univers va beaucoup plus grossir pendant cette période d’inflation qu’entre ce moment et sa taille actuelle.

Malgré cela à l’issue de cette phase et en raison de sa taille minuscule des origines,  il n’est probablement pas plus gros qu’une orange… Toutefois, sans cette phase « inflationnaire », il est probable que notre univers n’eut pas dépassé la taille d’une particule élémentaire. Adieu, veaux, vaches, cochons, couvées !

A cours d’énergie pour l’alimenter, l’inflation va s’interrompre alors pour laisser la place à l’expansion qui se poursuit encore aujourd’hui.

De ce creuset, vont émerger les toutes premières briques élémentaires de   la matière : les quarks (l’élément le plus fondamental de la matière qui est au cœur du noyau atomique). Non sans difficulté car auparavant, il y aura eu un combat à mort entre la matière et l’antimatière. Quarks et antiquarks qui sont de charge opposée s’annihilent mutuellement. Un infime rapport de force en faveur des quarks (1 de plus par milliard) donnera l’avantage à ces derniers.

Puis, lorsque l’univers atteint la taille de la Terre au Soleil, soit 300 millions de km, la quatrième force se découple. Les 4 forces fondamentales de l’univers correspondent désormais à celles que nous connaissons. Simultanément, une  famille de particules élémentaires « légères » émergent, les leptons (dont l’électron est issu).

Le chrono affiche maintenant 10^-12seconde.  La production de particules  se complexifie avec des particules composites, les hadrons (constitués de quarks, d’antiquarks et de gluons qui font office de colle entre les quarks).

Au passage du millième de seconde au compteur  (10^-4seconde), la production de particules arrive à son terme. De son combat contre l’anti-matière, la matière sort victorieuse. L’antimatière est donc définitivement hors jeu.

Quelques fractions de seconde plus tard, les vainqueurs, hadrons et leptons  se prélassent  dans un plasma brûlant dont la densité dépasse de plusieurs  milliards de fois celle de l’eau. Le premier spa pour particules élémentaires !

A l’approche de la première seconde, tous les acteurs sont en place : les 4 forces fondamentales ainsi que toutes les particules élémentaires.

Le spectacle peut commencer !

• Le Quark et le Jaguar : Voyage au coeur du simple et du complexe, de Murray Gell-Mann. C’est d’un vers énigmatique (”Le monde du quark est comme la ronde du jaguar dans la nuit”) que l’auteur part pour proposer un passionnant et très accessible voyage dans le monde de la complexité - celle des phénomènes vivants - et de la simplicité - celle qui prévaut dans le monde des particules élémentaires.
• Aux frontières de l’univers : Du Big Bang au Quark, de Marceau Felden. Ce n’est pas un livre de plus décrivant l’univers et inventoriant son contenu, mais une réflexion critique sur la méthode scientifique et ses conséquences. Ainsi, pour des raisons qui sont exposées, l’hypothèse du big bang est, et restera une question non entièrement rationalisable, comme celle de l’origine du temps.

Vers les trois premières minutes

Les noyaux durs

La durée de cuisson des œufs coq, voilà le temps dévolu à l’univers pour mettre en place l’essentiel !

Comme on l’a vu, avant même la première seconde d’existence de l’univers, les bases d’un monde fécond sont créées : espace/temps, forces et constantes fondamentales, particules élémentaires.

Dès la première seconde franchie, protons et neutrons commencent à s’acoquiner, profitant d’une réduction de l’agitation frénétique des photons qui, jusqu’ici, détruisait toute tentative d’union.  Cela donne naissance aux premiers noyaux atomiques (principe appelé nucléosynthèse) lesquels vont survivre jusqu’à nous. Quiconque boit un verre d’eau absorbe en effet des noyaux d’hydrogène fabriqués à cette époque. Epoque formidable !

Lors de la première minute, cette nucléosynthèse va s’en donner à cœur joie malgré de nombreux échecs. Seuls survivront les noyaux stables : hydrogène, hélium et quelques autres comme le lithium.

C’est aux noyaux d’hélium 3 que reviendra le privilège d’ouvrir le bal des débutants ; ce sont eux les tout premiers noyaux de l’univers.

Fait extraordinaire, au bout de 3 minutes, 99 % de la matière visible de l’univers sont créés en respectant les proportions actuelles : ¾ d’hydrogène, ¼ d’hélium et un zeste de deutérium évoluant au milieu d’un bain de photons et de neutrinos.

Attention, il ne s’agit encore que de noyaux  d’atomes car la température trop élevée, plusieurs centaines de millions de degrés, empêche toujours la formation d’atomes stables.

A partir de maintenant, il va donc falloir réduire la cuisson, si l’on veut  permettre à l’univers de nous mitonner tous les plats dont il a le secret, avant de mettre les petits plats (les espèces vivantes) dans les grands (les étoiles, les galaxies).

• Un dossier SagaScience du CNRS : Big Bang, des origines de l’Univers aux origines de la vie.
• L’incroyable défi : recréer le “Big-Bang” ! C’est l’objectif du “grand collisionneur d’hadrons” (LHC).
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• Avant le big bang : un livre de Igor et Grichka Bogdanov qui raconte une histoire, pose une question et esquisse une réponse. L’histoire ? C’est, tout simplement, celle de l’origine du monde. Qu’y avait-il ” Avant le Big-bang ” ? La seconde partie du livre pose une question : est-il possible de ” remonter au-delà ? C’est alors que les Bogdanov proposent dans la troisième partie de leur ouvrage, une hypothèse dont la complexité interdit l’exposé succinct.

200 millions d’années après le Big-Bang (environ)

Des stars nommées étoiles…

Sans elles où Arthur Rimbaud aurait-il trouvé refuge à ces visions hallucinatoires, comment le Petit Prince aurait-il pu faire rire son ami ?

Elles, se sont les étoiles. Les étoiles qui rient et qui font rire l’ami du Petit Prince ; elles, ce sont aussi les lueurs de la Grande Ourse, l’Auberge de Rimbaud.

Quand elles apparaissent, l’univers est encore tout jeune, un peu plus d’une centaine de millions d’années. La température « extérieure » a déjà énormément baissé : - 200°C.

On suppose qu’elles émergent à cette époque à partir du gaz primordial qui se condense sous l’effet de la gravitation et allume, çà et là, les toutes premières étoiles de l’univers. On suppose en effet, car les scientifiques hésitent quant au scénario : les étoiles ont-elles précédé les galaxies ou bien ont-elles été enfantées par celles-ci ? Poule ou l’œuf, qui précède qui, l’éternelle question.

Quoi qu’il en soit, les modèles récents décrivent ces toutes premières étoiles comme étant frappées de surcharge pondérale.  Plus de 100 fois la masse du Soleil. Rien d’étonnant puisque leur « alimentation »est fortement déséquilibrée : uniquement constituée d’hydrogène et d’hélium.   Seuls, ou presque, ingrédients disponibles à l’époque.

Elles brillent, ces premières étoiles, des milliers de fois plus que notre Soleil. En contrepartie, elles s’épuisent vite, très vite. Heureusement, la relève est prête, comme l’explique le prochain sujet : les toutes premières galaxies…

• Un dossier SagaScience du CNRS : Big Bang, des origines de l’Univers aux origines de la vie.
• L’incroyable défi : recréer le “Big-Bang” ! C’est l’objectif du “grand collisionneur d’hadrons” (LHC).
• Vie et mort des étoiles Entrez, avec ce livre, dans un monde fascinant où l’on apprend, entre autres, que la matière dont nous sommes faits est directement liée au destin des étoiles !
• La plus belle histoire du monde : les secrets de nos origines, par Hubert Reeves, Yves Coppens, Joël de Rosnay et Dominique Simmonet.
• Simulation de la création des étoiles et des galaxies, (La science enquête, Cité des Sciences et de l’Industrie). Comment l’Univers a-t-il évolué depuis le Big Bang ? Où nous trouvons-nous dans cette immensité spatiale ? Quelques éléments de réponse…
• Poussières d’étoiles Grand maître dans l’art d’expliquer simplement des choses difficiles, Hubert Reeves a donné de nombreux livres de vulgarisation. Celui-là est sans doute le plus accessible, ne serait-ce que parce qu’il est très illustré. On y voit bien sûr des étoiles et des galaxies, mais aussi des foetus humains, des fleurs et des insectes. La vision universelle de Reeves, en effet, ne se limite pas aux équations de la physique. Elle donne toute sa signification à la grande idée qui émerge de la cosmologie contemporaine : l’unicité de la matière fait que le moindre de nos atomes a, un jour, été créé au sein d’une étoile, et qu’il y retournera un jour.