jeudi, 23 mars 2017

Les toutes, toutes premières fois

Comment tout (ou presque) a commencé !

Les tout premiers éléments de matière

(votes : 1)
Loading ... Loading ...
Posté par fabrice
 

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 !


A voir et à lire pour aller plus loin :

  • 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.

La toute première lueur de l’univers

(votes : 11)
Loading ... Loading ...
Posté par fabrice
 

380 000 ans après le Big-Bang

lueur d’espoir

 

Nous sommes 380 000 ans après le Big Bang, il y 13 milliards 819 millions d’années. La lumière parvient enfin à se libérer de la soupe primordiale des particules. Elle peut inonder de son rayonnement l’univers jusqu’alors opaque et nous fournir le tout premier portrait de son enfance.

En dehors de 1515, s’il fallait retenir une seule date historique, c’est celle-ci :  + 380 000  ans. Avant cette date, aucune lumière. Rien ne filtre du cosmos en gestation. Nada ! Après, comme si le rideau se levait sur une scène où nous-mêmes allons y jouer un tout petit rôle, la lumière jaillit.  La toute première lumière du monde, de notre monde !  

Que s’est-il passé 380 000 ans après la naissance de l’univers ?

L’univers est encore un nourrisson; sa taille représente 0.1% de sa dimensions actuelle. Il est rempli de protons, d’électrons et de photons, avec un net avantage pour les photons, 1 milliard pour 1 proton. Ces grains de lumière errent dans un magma bouillonnant constitué donc de particules microscopiques. Nous sommes bien loin de l’image de l’univers dans lequel nous évoluons.

Les photons sont constamment absorbés par ces particules. Cette agitation incessante empêche toute lueur de s’échapper de ce brouillard incandescent et opaque.

A la faveur de la dilatation de l’Univers, la température va tomber à un niveau presque supportable : en dessous des 3000° C.  Supportable, du moins pour permettre aux électrons et protons de s’accoquiner. Les photons, ayant perdu de leur énergie avec la baisse de température, deviennent moins agités et rentrent moins en conflit avec les autres particules.

Et la lumière jaillit

D’un côté , électrons et protons sont donc très occupés à consolider leur vie commune. et à donner naissance aux tout premiers atomes, d’hydrogène et d’hélium. Cela laisse le champ libre aux photons qui ont envie de faire leur petit bonhomme de chemin.  Ils vont enfin pouvoir se propager librement dans l’espace. Pour la toute première fois, la lumière jaillit ! L’espace peut briller de ses premières lueurs, l’univers devient pour la première fois visible et le restera. C’est la phase de découplage entre la matière et le rayonnement.

Image du rayonnement fossile par Cobe et Planck

Evolution de la définition de l’image du rayonnement fossile à 20 ans d’intervalle

Aujourd’hui, cette toute première image de l’univers nous parvient encore. On l’appelle « le fond diffus cosmologique » ou « rayonnement fossile ». Il a perdu beaucoup de sa vigueur, rien d’étonnant après un voyage de plus de 13 milliards d’années-lumière. Sa température est de 2,73° K, soit à peine 3 degrés au-dessus du zéro absolu.

 

Le bonheur d’avoir des grumeaux

Cette image est pourtant riche d’enseignement. Elle révèle quelques infimes différences de température (de l’ordre de 0,00001%) dont les conséquences sont en revanche incommensurables.

Ces variations témoignent en effet de la présence de « grumeaux » au sein de la matière primitive. Ce sont ces grumeaux qui sont à l’origine de la formation des premières étoiles, des galaxies… in fine de la vie !

Alors, peut commencer une bien belle histoire…notre histoire.


 Quand l’univers se laisse tirer le portrait

Après Cobe en 1992, WMAP en 2003, puis Planck en 2013 (image révélée le 21 mars 2013), l’Univers, grâce au regard « pointu »  porté par ces satellites, nous dévoile, à travers ses 3 portraits, son enfance.

Rien que pour le portrait le plus récent, c’est le résultat de 500 milliards de données combinées ! L’univers n’a alors que 380 000 ans, pour 13 milliards 800 millions d’années reconnus aujourd’hui. Aucune chance de disposer de portrait plus récent, car avant tout demeure opaque, comme expliqué ci-dessus.

Les dernières révélations du satellite Planck précisent le visage du bébé univers et de son évolution.

  • Sa date de naissance : 13 milliards 819 millions d’années, soit 80 millions d’années de plus que les estimations précédentes
  • Sa température au moment du « portrait » : 2700 °C
  • Son expansion : les galaxies s’éloignent les unes de autres à la vitesse de 67,9 km / seconde (1) ; cette expansion s’est accélérée voici 5 milliards d’années.
  • La période d’inflation qui a précédé cette lueur est confirmée : l’univers est passé de la taille d’une tête d’épingle à sa dimension presque actuelle et cela avec une durée infinitésimale
  • Ses imperfections : la confirmation de petites imperfections, les fameux grumeaux de matière d’où naîtront poussières, étoiles et galaxies.
  • Sa composition :  l’univers présente une constitution légèrement différente de celle estimée auparavant : 69,4% d’énergie noire (contre 72,8% auparavant), 25,8% de matière noire (contre 23%) et 4,8% de matière classique (contre 4,3%).
  • Et sa platitude :  l’univers est probablement plat.

Si sa topographie est plate, l’encéphalogramme de ce bébé univers est, sans équivoque, loin de l’être !


Petite histoire du rayonnement fossile

cobe-fluctuations

Prédit par la théorie, le rayonnement fossile fut confirmé, presque par hasard, en mai 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson. 

En 1992, le satellite COBE fournit la toute première carte rayonnement fossile en précisant sa température : 2, 725 degrés au dessus du zéro absolu. Il montre également, pour la première fois, des irrégularités, les fameux grumeaux de matière expliquant la structure actuelle de l’univers.

En 2001, c’est au tour du satellite WMAP d’envoyer des images qui sont encore plus précises.   

En 2009, est lancé le satellite européen Planck. Il fournit l’année suivante une première image bien plus précise que celle des deux premiers satellites.

En 2013, Planck détaille encore davantage les fluctuations du rayonnement fossile, la clé de l’histoire de l’univers. Pour atteindre la sensibilité de la dernière image délivrée par Planck, il aurait fallu 1000 ans d’observations du satellite WMAP (1). Astronomique !

 


Les secrets du satellite Planck !

satellite PlanckLe 21 mars 2013 le monde découvre la fameuse image fournie par le satellite Planck, lancé près de 4 ans plus tôt, sur la première lueur de l’univers.

Mais derrière cette lueur, Planck a débusqué quelques phénomènes étranges qui sont à l’heure actuelle énigmatiques. Ce que les scientifiques appellent les anomalies :

Un hémisphère nord de l’univers naissant légèrement plus froid que l’hémisphère sud,

Une tache froide située dans cet hémisphère sud.

Cela n’a l’air de rien, surtout lorsqu’on sait que les différences de températures enregistrées par Planck sont de l’ordre du millionième de degrés (2) mais c’est suffisant pour ouvrir une brèche sérieuse et peut-être remettre en cause les modèles cosmologiques et physiques actuels.

Les scientifiques sont à ce point perplexes face à ces résultats qu’ils sont prêts pour certains à envisager, pour la toute première fois(3) du moins officiellement, un avant Big Bang, sujet totalement tabou jusqu’à peu.

Cette moisson considérable rassemblée par Planck continue à être examinée. L’univers va-t-il nous dévoiler les secrets de sa naissance ou même de ces heureux parents, ou plus exactement, de ce qui aurait précédé sa naissance ? Nous attendons la suite avec impatiente. !

 


(1)  en réalité, chaque seconde, un cube d’univers de 1 mégaparsac, ce qui correspond à 3.26 millions d’années-lumière, se dilate de 66 km. Cette expansion relevée par le satellite européen Planck en 2013 est légèrement moins élevée que les estimations précédentes.  Source : Ciel & Espace -N° 515 – Avril 2013
(2) Le mystère du satellite Planck – Igor et Grichka Bogdanov – Ed. Eyrolles – 2013;
(3) Dès 1993, le futur prix Nobel George Smoot avait osé poser la question d’un avant Big-Bang, dans livre les « Rides du temps ». Plus récemment, le célèbre physicien Brian Greene, évoque une réalité cachée avec ses modèles de multi-univers (« La réalité cachée » – Brian Greene – Ed. Robert Laffont – 2012)

 


A visionner pour mieux comprendre :


 


A voir et à lire pour aller plus loin :

  • 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).
  • 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.