Dix théories sur la mort de notre univers. La compression de l'univers, ou comment faire entrer toutes ses étoiles dans la Voie lactée Mort thermique et trous noirs

Un guide vers l'impossible, l'incroyable et le merveilleux.

Dans un grenier abandonné, non loin du British Museum :

Cornelius attrapa une feuille de papier vierge, la fit passer dans le rouleau et commença à taper. Le point de départ de son récit était le Big Bang lui-même, lorsque le cosmos commençait son voyage en constante expansion vers le futur. Après une brève explosion d’inflation, l’Univers a été plongé dans une série de transitions de phase et a formé un excès de matière par rapport à l’antimatière. Au cours de cette ère primaire, l’Univers ne contenait aucune structure cosmique.

Après un million d'années et de nombreuses rames de papier, Cornelius avait atteint l'âge des étoiles, une époque où les étoiles naissaient activement, vivaient leur cycle de vie et généraient de l'énergie grâce à des réactions nucléaires. Ce chapitre brillant se termine alors que les galaxies manquent d’hydrogène gazeux, que la formation d’étoiles cesse et que les naines rouges les plus anciennes disparaissent lentement.

En tapant sans arrêt, Cornelius emmène son histoire dans l'ère de la désintégration, avec ses naines brunes, ses naines blanches, ses étoiles à neutrons et ses trous noirs. Au milieu de ce désert gelé, la matière noire s’accumule lentement à l’intérieur des étoiles mortes et s’annihile en rayonnement qui alimente le cosmos. La désintégration des protons entre en jeu à la fin de ce chapitre, alors que l'énergie de masse des restes dégénérés des étoiles s'épuise lentement et que la vie à base de carbone s'éteint complètement.

Lorsque l’auteur fatigué continue son œuvre, les seuls héros de son histoire sont les trous noirs. Mais les trous noirs ne peuvent pas vivre éternellement. Émettant une lumière plus faible que jamais, ces objets sombres s’évaporent selon un lent processus de mécanique quantique. En l’absence d’une autre source d’énergie, l’Univers est contraint de se contenter de cette maigre quantité de lumière. Après l’évaporation des plus grands trous noirs, le crépuscule transitoire de l’ère des trous noirs succombe à l’assaut d’une noirceur encore plus profonde.

Au début du dernier chapitre, Cornelius manque de papier, mais pas de temps. Il n’y a plus d’objets stellaires dans l’Univers, mais seulement des produits inutiles laissés par les précédentes catastrophes cosmiques. Dans cette époque froide, sombre et très lointaine d’obscurité éternelle, l’activité spatiale ralentit sensiblement. Des niveaux d’énergie extrêmement faibles correspondent à des périodes de temps énormes. Après sa jeunesse ardente et son âge mûr vibrant, l’Univers actuel s’enfonce lentement dans les ténèbres.

À mesure que l’Univers vieillit, son caractère change constamment. À chaque étape de son évolution future, l’Univers supporte une étonnante variété de processus physiques complexes et d’autres comportements intéressants. Notre biographie de l’Univers, depuis sa naissance dans une explosion jusqu’à son long et progressif glissement dans les ténèbres éternelles, est basée sur la compréhension moderne des lois de la physique et des merveilles de l’astrophysique. Grâce à l’immensité et à la rigueur de la science moderne, ce récit représente la vision la plus plausible de l’avenir que nous puissions construire.

Des chiffres fous

Lorsque nous discutons de la vaste gamme de comportements exotiques de l’Univers possibles dans le futur, le lecteur peut penser que tout peut arriver. Mais ce n'est pas vrai. Malgré l’abondance des possibilités physiques, seule une infime partie des événements théoriquement possibles se produiront réellement.

Tout d’abord, les lois de la physique imposent des limites strictes à tout comportement autorisé. La loi de conservation de l'énergie totale doit être respectée. La loi de conservation de la charge électrique ne doit pas être violée. Le principal concept directeur est la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule formellement que l’entropie totale d’un système physique doit augmenter. En gros, cette loi suggère que les systèmes doivent évoluer vers des états de désordre croissant. En pratique, la deuxième loi de la thermodynamique force la chaleur à circuler des objets chauds vers les objets froids, et non l'inverse.

Mais même dans le cadre des processus autorisés par les lois de la physique, de nombreux événements qui pourraient en principe se produire ne se produisent jamais. Une raison courante est qu’ils prennent tout simplement trop de temps et que d’autres processus se produisent en premier et les devancent. Un bon exemple de cette tendance est le procédé de fusion à froid. Comme nous l'avons déjà noté à propos des réactions nucléaires à l'intérieur des étoiles, le noyau le plus stable de tous est le noyau de fer. De nombreux noyaux plus petits, comme l’hydrogène ou l’hélium, abandonneraient leur énergie s’ils pouvaient se combiner en un noyau de fer. À l’autre extrémité du tableau périodique, des noyaux plus gros, comme l’uranium, abandonneraient également leur énergie s’ils pouvaient être divisés en parties, et à partir de ces parties, ils pourraient former un noyau de fer. Le fer est l’état d’énergie le plus bas disponible pour les noyaux. Les noyaux ont tendance à rester sous forme de fer, mais les barrières énergétiques empêchent cette conversion de se produire facilement dans la plupart des conditions. Surmonter ces barrières énergétiques nécessite généralement soit des températures élevées, soit de longues périodes de temps.

Considérons un gros morceau de matière solide, comme une roche ou peut-être une planète. La structure de ce solide n’est pas modifiée par les forces électromagnétiques ordinaires, telles que celles impliquées dans les liaisons chimiques. Au lieu de conserver sa composition nucléaire d'origine, la substance pourrait, en principe, se réorganiser de manière à ce que tous ses noyaux atomiques se transforment en fer. Pour qu'une telle restructuration de la matière se produise, les noyaux doivent vaincre les forces électriques qui maintiennent cette substance sous la forme dans laquelle elle existe, ainsi que les forces électriques répulsives avec lesquelles les noyaux agissent les uns sur les autres. Ces forces électriques créent une forte barrière énergétique, tout comme la barrière illustrée sur la figure. 23. En raison de cette barrière, les noyaux doivent se réorganiser par tunnel mécanique quantique (une fois que les noyaux franchissent la barrière, une forte attraction initie la fusion). Ainsi, notre morceau de matière présenterait une activité nucléaire. Avec suffisamment de temps, la roche entière ou la planète entière se transformerait en fer pur.

Combien de temps prendrait une telle restructuration fondamentale ? Une activité nucléaire de ce type transformerait les noyaux rocheux en fer dans environ quinze cents décennies cosmologiques. Si ce processus nucléaire devait se produire, un excès d’énergie serait libéré dans l’espace car les noyaux de fer correspondent à un état énergétique inférieur. Cependant, ce processus de fusion à froid ne sera jamais achevé. Cela ne commencera jamais vraiment. Tous les protons qui composent les noyaux se désintègreront en particules plus petites bien avant que les noyaux ne soient convertis en fer. Même la durée de vie la plus longue possible d'un proton est inférieure à deux cents décennies cosmologiques – bien plus courte que l'énorme période de temps requise pour la fusion froide. En d’autres termes, les noyaux se désintégreront avant d’avoir la possibilité de se transformer en fer.

Un autre processus physique qui prend trop de temps pour être considéré comme important pour la cosmologie est la tunnelisation des étoiles dégénérées dans les trous noirs. Étant donné que les trous noirs sont les états d’énergie les plus bas disponibles pour les étoiles, un objet dégénéré comme une naine blanche a plus d’énergie qu’un trou noir de même masse. Ainsi, si une naine blanche pouvait se transformer spontanément en trou noir, elle libérerait un excès d’énergie. Cependant, une telle conversion ne se produit généralement pas en raison de la barrière énergétique créée par la pression du gaz dégénéré qui soutient l’existence de la naine blanche.

Malgré la barrière énergétique, une naine blanche pourrait se transformer en trou noir grâce à la mécanique quantique tunnel. En raison du principe d'incertitude, toutes les particules (environ 10 57) qui composent une naine blanche pourraient être contenues dans un espace si petit qu'elles formeraient un trou noir. Cependant, cet événement aléatoire nécessite un temps extrêmement long – environ 10 à 76 décennies cosmologiques. Il est impossible d'exagérer la taille véritablement énorme de 10 76 décennies cosmologiques. Si cette période de temps extrêmement longue est écrite en années, nous obtenons une unité de 10 76 zéros. Nous ne pourrions même pas commencer à écrire ce nombre dans un livre : il serait de l’ordre d’un zéro pour chaque proton de l’Univers moderne visible, à quelques ordres de grandeur près. Inutile de dire que les protons se désintégreront et les naines blanches disparaîtront bien avant que l’Univers n’atteigne la 10 76e décennie cosmologique.

Que se passe-t-il réellement lors d’une expansion à long terme ?

Même si de nombreux événements sont virtuellement impossibles, un large éventail de possibilités théoriques demeure. Les catégories les plus larges de comportement futur du cosmos dépendent du fait que l’univers soit ouvert, plat ou fermé. Un Univers ouvert ou plat s'étendra pour toujours, tandis qu'un Univers fermé connaîtra une nouvelle contraction après un certain temps, qui dépend de l'état initial de l'Univers. Cependant, lorsque nous considérons des possibilités plus spéculatives, nous constatons que l’évolution future de l’Univers pourrait être beaucoup plus complexe que ne le suggère ce simple schéma de classification.

Le principal problème est que nous pouvons effectuer des mesures physiquement significatives et, par conséquent, tirer certaines conclusions uniquement par rapport à la région locale de l'Univers - la partie limitée par l'horizon cosmologique moderne. Nous pouvons mesurer la densité totale de l'Univers au sein de cette région locale, qui mesure environ vingt milliards d'années-lumière de diamètre. Mais les mesures de densité au sein de ce volume local, hélas, ne déterminent pas le sort à long terme de l'Univers dans son ensemble, puisque notre Univers peut être beaucoup plus grand.

Supposons, par exemple, que nous puissions mesurer que la densité cosmologique dépasse la valeur nécessaire pour fermer l'Univers. Nous arriverions à la conclusion expérimentale qu’à l’avenir notre Univers devrait connaître une re-compression. L’univers serait clairement soumis à une séquence accélérée de catastrophes naturelles conduisant au Big Crunch décrit dans la section suivante. Mais ce n'est pas tout. Notre région locale de l’Univers – la partie que nous observons comme étant enfermée dans ce scénario imaginaire d’Armageddon – pourrait être nichée dans une région beaucoup plus grande avec beaucoup moins de densité. Dans ce cas, seule une certaine partie de l’Univers entier survivrait à la compression. La partie restante, couvrant peut-être la majeure partie de l’Univers, pourrait continuer à s’étendre indéfiniment.

Le lecteur peut être en désaccord avec nous et dire qu’une telle complication est de peu d’utilité : notre propre partie de l’Univers est toujours destinée à survivre à la recompression. Notre monde n’échappera toujours pas à la destruction et à la mort. Pourtant, cet aperçu de la situation dans son ensemble change considérablement notre perspective. Si l’Univers dans son ensemble survit dans son ensemble, la mort de notre région ne serait pas une telle tragédie. Nous ne nierons pas que la destruction d’une ville sur Terre, par exemple à cause d’un tremblement de terre, est un événement terrible, mais il est loin d’être aussi terrible que la destruction complète de la planète entière. De même, la perte d’une petite partie de l’Univers entier n’est pas aussi dévastatrice que la perte de l’Univers tout entier. Des processus physiques, chimiques et biologiques complexes pourraient encore se dérouler dans un avenir lointain, quelque part dans l’Univers. La destruction de notre Univers local ne serait qu'une catastrophe de plus dans une série de désastres astrophysiques que l'avenir pourrait nous apporter: la mort de notre Soleil, la fin de la vie sur Terre, l'évaporation et la dispersion de notre Galaxie, la désintégration des protons, et donc destruction de toute matière ordinaire, évaporation des trous noirs, etc.

La survie de l’Univers plus vaste offre la possibilité d’une évasion : soit un véritable voyage sur de longues distances, soit une évasion de substitution grâce à la transmission d’informations via des signaux lumineux. Cette issue de secours peut s’avérer difficile, voire interdite : tout dépend de la façon dont la région fermée de notre espace-temps local s’inscrit dans la région plus vaste de l’Univers. Cependant, le fait que la vie puisse continuer ailleurs permet à l’espoir de perdurer.

Si notre région s’effondre à nouveau, il se peut que nous n’ayons pas assez de temps pour que tous les événements astronomiques décrits dans ce livre se produisent dans notre partie de l’Univers. Cependant, en fin de compte, ces processus se produiront toujours ailleurs dans l’Univers, loin de nous. Le temps dont nous disposons avant que la partie locale de l’Univers ne se recomprime dépend de la densité de la partie locale. Bien que les mesures astronomiques modernes suggèrent que sa densité est si faible que notre univers local ne s’effondrera pas du tout, il se peut que d’autres matières invisibles se cachent dans l’obscurité. La valeur maximale autorisée de densité locale est environ le double de la valeur requise pour que la partie locale de l'Univers soit fermée. Mais même à cette densité maximale, l’Univers ne peut commencer à se contracter avant qu’au moins vingt milliards d’années ne se soient écoulées. Ce délai nous donnerait un retard supplémentaire d’au moins cinquante milliards d’années pour la version locale du Big Crunch.

Des circonstances inverses peuvent également se produire. Notre partie locale de l’Univers peut démontrer une densité relativement faible et donc se qualifier pour la vie éternelle. Cependant, cette parcelle locale d’espace-temps pourrait être imbriquée dans une région beaucoup plus grande avec une densité beaucoup plus élevée. Dans ce cas, lorsque notre horizon cosmologique local deviendra suffisamment grand pour inclure une région plus vaste et de densité plus élevée, notre univers local fera partie d’un univers plus vaste destiné à connaître un nouvel effondrement.

Ce scénario d’effondrement nécessite que notre Univers local ait une géométrie cosmologique presque plate, car ce n’est qu’alors que le taux d’expansion continuera à baisser régulièrement. La géométrie presque plate permet à des zones de plus en plus grandes de l’Univers méta-échelle (la vue d’ensemble de l’Univers) d’influencer les événements locaux. Cette vaste zone environnante doit simplement être suffisamment dense pour éventuellement survivre à la recompression. Il doit survivre suffisamment longtemps (c’est-à-dire ne pas s’effondrer trop tôt) pour que notre horizon cosmologique puisse atteindre la grande échelle requise.

Si ces idées se réalisent dans l’espace, alors notre univers local n’est pas du tout « le même » que la région beaucoup plus vaste de l’Univers qui l’absorbe. Ainsi, à des distances suffisamment grandes, le principe cosmologique serait clairement violé : l’Univers ne serait pas le même en tout point de l’espace (homogène) et pas nécessairement le même dans toutes les directions (isotrope). Cette potentialité n'empêche en rien notre utilisation du principe cosmologique pour étudier l'histoire du passé (comme dans la théorie du Big Bang), puisque l'Univers est clairement homogène et isotrope au sein de notre région locale de l'espace-temps, dont le rayon est actuellement d'environ dix milliards d'années-lumière. Les éventuels écarts par rapport à l'homogénéité et à l'isotropie concernent des tailles importantes, ce qui signifie qu'ils ne peuvent apparaître que dans le futur.

Ironiquement, nous pouvons imposer des limites à la nature de cette plus grande région de l’Univers qui se trouve actuellement au-delà de notre horizon cosmologique. Il a été mesuré que le rayonnement de fond cosmique est extrêmement uniforme. Cependant, de grandes différences dans la densité de l’Univers, même si elles se situaient au-delà de l’horizon cosmologique, provoqueraient certainement des pulsations dans ce rayonnement de fond uniforme. Ainsi, l’absence de pulsations significatives suggère que toute perturbation de densité supposée significative doit être très éloignée de nous. Mais si les perturbations de densité importante sont lointaines, alors notre région locale de l’Univers pourrait survivre assez longtemps avant de les rencontrer. Le moment le plus précoce possible pour que de grandes différences de densité affectent notre partie de l’Univers sera d’environ dix-sept décennies cosmologiques. Mais il est très probable que cet événement modifiant l’Univers se produira beaucoup plus tard. Selon la plupart des versions de la théorie inflationniste de l’univers, notre Univers restera homogène et presque plat pendant des centaines, voire des milliers de décennies cosmologiques.

Grosse pression

Si l’Univers (ou une partie de celui-ci) est fermé, alors la gravité triomphera de l’expansion et l’inévitable compression commencera. Un tel Univers, soumis à des effondrements répétés, finirait sa vie dans un dénouement enflammé connu sous le nom de Grosse pression. Bon nombre des vicissitudes qui marquent la séquence temporelle de la contraction de l'Univers ont été observées pour la première fois par Sir Martin Rees, aujourd'hui astronome royal d'Angleterre. Les catastrophes ne manqueront pas lorsque l’univers sera plongé dans cette grande finale.

Et même si l’Univers va très probablement s’étendre pour toujours, nous sommes plus ou moins sûrs que la densité de l’Univers ne dépasse pas le double de la densité critique. Connaissant cette borne supérieure, nous pouvons affirmer que au minimum le temps restant possible avant l’effondrement de l’Univers lors du Big Crunch est d’environ cinquante milliards d’années. Le Jour du Jugement est encore très loin selon les normes humaines, il vaut donc probablement la peine de continuer à payer le loyer régulièrement.

Supposons qu’après vingt milliards d’années, après avoir atteint sa taille maximale, l’Univers subisse réellement une re-compression. À cette époque, l’Univers sera environ deux fois plus grand qu’aujourd’hui. La température du rayonnement de fond sera d’environ 1,4 degrés Kelvin : la moitié de la température actuelle. Une fois que l’Univers aura refroidi à cette température minimale, l’effondrement qui s’ensuivra le réchauffera alors qu’il se précipitera vers le Big Crunch. Au cours du processus de compression, toutes les structures créées par l’Univers seront détruites : amas, galaxies, étoiles, planètes et même les éléments chimiques eux-mêmes.

Environ vingt milliards d’années après le début de la recompression, l’Univers retrouvera la taille et la densité de l’Univers actuel. Et au cours des quarante milliards d’années qui ont suivi, l’Univers avance avec à peu près le même type de structure à grande échelle. Les étoiles continuent de naître, d'évoluer et de mourir. Les petites étoiles économes en carburant, comme notre proche voisine Proxima Centauri, n'ont pas assez de temps pour subir une évolution significative. Certaines galaxies entrent en collision et fusionnent au sein de leurs amas parents, mais la plupart survivent pratiquement inchangées. Il faut à une seule galaxie bien plus de quarante milliards d’années pour modifier sa structure dynamique. En inversant la loi d'expansion de Hubble, certaines galaxies commenceront à se rapprocher de notre galaxie au lieu de s'en éloigner. Et seule cette curieuse tendance à se déplacer vers la partie bleue du spectre permettra aux astronomes d’entrevoir la catastrophe imminente.

Des amas individuels de galaxies, dispersés dans l’immensité de l’espace et vaguement liés en amas et en fils, resteront intacts jusqu’à ce que l’Univers se rétrécisse jusqu’à atteindre une taille cinq fois plus petite qu’elle ne l’est aujourd’hui. Lors de cette hypothétique future conjonction, des amas de galaxies fusionnent. Dans l’Univers actuel, les amas de galaxies n’occupent qu’environ un pour cent du volume. Cependant, une fois que l’Univers se réduit à un cinquième de sa taille actuelle, les amas remplissent pratiquement tout l’espace. Ainsi, l'Univers deviendra un amas géant de galaxies, mais les galaxies elles-mêmes à cette époque conserveront cependant leur individualité.

À mesure que la contraction se poursuit, l’Univers deviendra très bientôt cent fois plus petit qu’il ne l’est aujourd’hui. A ce stade, la densité moyenne de l’Univers sera égale à la densité moyenne de la galaxie. Les galaxies se chevaucheront et les étoiles individuelles n’appartiendront plus à aucune galaxie particulière. L’Univers entier se transformera alors en une galaxie géante remplie d’étoiles. La température de fond de l'Univers, créée par le rayonnement de fond cosmique, s'élève à 274 degrés Kelvin, se rapprochant du point de fusion de la glace. En raison de la compression croissante des événements après cette époque, il est beaucoup plus pratique de continuer l’histoire du point de vue de l’extrémité opposée de la chronologie : le temps restant avant le Big Crunch. Lorsque la température de l’Univers atteint le point de fusion de la glace, il reste à notre Univers dix millions d’années d’histoire future.

Jusqu’à présent, la vie sur les planètes telluriques se poursuit de manière tout à fait indépendante de l’évolution cosmique qui se déroule autour de nous. En fait, la chaleur du ciel finira par faire fondre les objets gelés comme Pluton dérivant à la périphérie de chaque système solaire, offrant ainsi une dernière chance éphémère à la vie de s'épanouir dans l'univers. Ce dernier printemps, relativement court, se terminera alors que les températures de rayonnement de fond continueront d'augmenter. Avec la disparition de l’eau liquide dans tout l’univers, une extinction massive de toute vie se produit plus ou moins simultanément. Les océans sont en ébullition et le ciel nocturne devient plus lumineux que le ciel diurne que nous voyons depuis la Terre aujourd'hui. Alors qu’il ne reste que six millions d’années avant la compression finale, toute forme de vie survivante doit soit rester au plus profond des planètes, soit développer des mécanismes de refroidissement sophistiqués et efficaces.

Après la destruction finale des amas, puis des galaxies elles-mêmes, ce sont les étoiles qui se trouvent ensuite dans la ligne de mire. Si rien d’autre ne s’était produit, les étoiles entreraient tôt ou tard en collision et se détruiraient face à une compression continue et destructrice. Cependant, un destin aussi cruel les contournera car les étoiles s’effondreront de manière plus progressive bien avant que l’Univers ne devienne suffisamment dense pour que des collisions stellaires se produisent. Lorsque la température du rayonnement de fond en contraction continue dépasse la température de la surface de l'étoile, qui se situe entre quatre et six mille degrés Kelvin, le champ de rayonnement peut modifier considérablement la structure des étoiles. Et bien que les réactions nucléaires se poursuivent dans les profondeurs des étoiles, leurs surfaces s'évaporent sous l'influence d'un très fort champ de rayonnement externe. Ainsi, la principale raison de la destruction des étoiles est le rayonnement de fond.

Lorsque les étoiles commencent à s’évaporer, la taille de l’Univers est environ deux mille fois plus petite qu’aujourd’hui. Durant cette époque turbulente, le ciel nocturne apparaît aussi brillant que la surface du Soleil. La brièveté du temps restant est difficile à négliger : le rayonnement le plus puissant dissipe tout doute : il reste moins d'un million d'années avant la fin. Tous les astronomes suffisamment avertis en technologie pour vivre assez longtemps pour voir cette époque se rappelleront peut-être avec un étonnement résigné que le chaudron bouillonnant de l'Univers qu'ils observent - des étoiles figées dans un ciel aussi brillant que le Soleil - n'est rien de moins qu'un retour du paradoxe d'Olbers à propos d'un Univers infiniment ancien et statique.

Tous les noyaux stellaires, ou naines brunes, qui survivent à cette ère d’évaporation seront mis en pièces de la manière la plus brutale. Lorsque la température du rayonnement de fond atteint dix millions de degrés Kelvin, ce qui est comparable à l’état actuel des régions centrales des étoiles, tout combustible nucléaire restant peut s’enflammer et provoquer une explosion énorme et spectaculaire. Ainsi, les objets stellaires qui réussiront à survivre à l’évaporation contribueront à l’atmosphère générale de la fin du monde, se transformant en fantastiques bombes à hydrogène.

Les planètes d’un Univers en rétrécissement partageront le sort des étoiles. Les boules de gaz géantes, comme Jupiter et Saturne, s'évaporent beaucoup plus légères que les étoiles et ne laissent derrière elles que des noyaux centraux, impossibles à distinguer des planètes telluriques. Toute eau liquide s’est depuis longtemps évaporée de la surface des planètes, et très bientôt leurs atmosphères emboîteront le pas. Il ne reste plus qu’un terrain vague et stérile. Les surfaces rocheuses fondent et les couches de roches liquides s’épaississent progressivement, finissant par engloutir la planète entière. La gravité empêche les restes fondus mourants de s’envoler et ils créent de lourdes atmosphères de silicates qui, à leur tour, s’écoulent dans l’espace. Les planètes en évaporation, plongées dans une flamme aveuglante, disparaissent sans laisser de trace.

À mesure que les planètes quittent la scène, les atomes de l’espace interstellaire commencent à se désintégrer en leurs noyaux et électrons constitutifs. Le rayonnement de fond devient si puissant que les photons (particules de lumière) gagnent suffisamment d’énergie pour libérer des électrons. En conséquence, au cours des dernières centaines de milliers d’années, les atomes cessent d’exister et la matière se désintègre en particules chargées. Le rayonnement de fond interagit fortement avec ces particules chargées, provoquant une étroite imbrication entre la matière et le rayonnement. Les photons du fond cosmique, qui ont voyagé sans entrave pendant près de soixante milliards d'années depuis leur recombinaison, arrivent à la surface de leur « prochaine » diffusion.

Le Rubicon est franchi lorsque l’Univers se réduit à un dix millième de sa taille actuelle. À ce stade, la densité de rayonnement dépasse la densité de la matière – ce n’était le cas qu’immédiatement après le Big Bang. Les radiations recommencent à dominer l’Univers. Étant donné que la matière et le rayonnement se comportent différemment parce qu'ils ont subi une compression, la compression supplémentaire change légèrement lorsque l'Univers passe par cette transition. Il ne reste que dix mille ans.

Lorsqu’il ne reste que trois minutes avant la compression finale, les noyaux atomiques commencent à se désintégrer. Cette désintégration se poursuit jusqu'à la dernière seconde, au cours de laquelle tous les noyaux libres seront détruits. Cette ère d’antinucléosynthèse diffère très sensiblement de la nucléosynthèse rapide qui s’est produite dans les premières minutes de l’ère primaire. Au cours des premières minutes de l’histoire cosmique, seuls les éléments les plus légers se sont formés, principalement de l’hydrogène, de l’hélium et un peu de lithium. Ces dernières minutes, une grande variété de noyaux lourds sont présents dans l’espace. Les noyaux de fer détiennent les liaisons les plus fortes, leur décomposition nécessite donc le plus d’énergie par particule. Cependant, le rétrécissement de l’Univers crée des températures et des énergies toujours plus élevées : tôt ou tard, même les noyaux de fer mourront dans cet environnement incroyablement destructeur. À la dernière seconde de la vie de l'Univers, il ne reste pas un seul élément chimique. Les protons et les neutrons redeviennent libres, comme lors de la première seconde de l'histoire cosmique.

Si à cette époque il reste au moins un peu de vie dans l'Univers, le moment de la destruction des noyaux devient le point à cause duquel ils ne reviennent pas. Après cet événement, il ne restera plus rien dans l’Univers qui ressemble, même de loin, à la vie terrestre basée sur le carbone. Il n’y aura plus de carbone dans l’univers. Tout organisme qui parvient à survivre à la désintégration nucléaire doit appartenir à une espèce véritablement exotique. Peut-être que des créatures basées sur une forte interaction pourraient voir la dernière seconde de la vie de l'Univers.

La dernière seconde ressemble beaucoup au film Big Bang joué à l’envers. Après la désintégration des noyaux, lorsqu'une seule microseconde sépare l'Univers de la destruction, les protons et les neutrons eux-mêmes se désintègrent et l'Univers se transforme en une mer de quarks libres. À mesure que la compression se poursuit, l’Univers devient plus chaud et plus dense, et les lois de la physique semblent changer en son sein. Lorsque l’Univers atteint une température d’environ 10 à 15 degrés Kelvin, la force nucléaire faible et la force électromagnétique se combinent pour former la force électrofaible. Cet événement est une sorte de transition de phase cosmologique, rappelant vaguement la transformation de la glace en eau. À mesure que nous approchons des énergies plus élevées, à l’approche de la fin des temps, nous nous éloignons des preuves expérimentales directes, ce qui fait que le récit, que cela nous plaise ou non, devienne plus spéculatif. Et pourtant, nous continuons. Après tout, il reste encore 10 à 11 secondes d’histoire à l’Univers.

La prochaine transition importante se produit lorsque la force forte se combine avec la force électrofaible. Cet événement s'appelle grande unification, combine trois des quatre forces fondamentales de la nature : la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique. Cette unification se produit à une température incroyablement élevée de 10 à 28 degrés Kelvin, alors que l'Univers n'a plus que 10 à 37 secondes à vivre.

Le dernier événement majeur que nous pouvons marquer sur notre calendrier est l’unification de la gravité avec les trois autres forces. Cet événement clé se produit lorsque l'effondrement de l'Univers atteint une température d'environ 10 à 32 degrés Kelvin et que le Big Crunch n'est qu'à 10 à 43 secondes. Cette température ou énergie est généralement appelée Magnitude de Planck. Malheureusement, les scientifiques ne disposent pas d’une théorie physique cohérente pour cette échelle énergétique, où les quatre forces fondamentales de la nature sont combinées en une seule. Lorsque cette unification des quatre forces se produit lors de la recompression, notre compréhension moderne des lois de la physique perd de son adéquation. Nous ne savons pas ce qui va se passer ensuite.

Affiner notre univers

Après avoir examiné les événements impossibles et incroyables, attardons-nous sur l'événement le plus extraordinaire qui s'est produit : l'origine de la vie. Notre Univers est un endroit assez confortable où vivre tel que nous le connaissons. En fait, les quatre fenêtres astrophysiques jouent un rôle important dans son développement. Les planètes, la plus petite fenêtre de l'astronomie, offrent un foyer à la vie. Ils fournissent des « boîtes de Pétri » dans lesquelles la vie peut naître et évoluer. L’importance des étoiles est également évidente : elles sont la source d’énergie nécessaire à l’évolution biologique. Le deuxième rôle fondamental des étoiles est que, comme les alchimistes, elles forment des éléments plus lourds que l'hélium : carbone, oxygène, calcium et autres noyaux qui composent les formes de vie que nous connaissons.

Les galaxies sont également extrêmement importantes, même si cela n’est pas si évident. Sans l’influence cohésive des galaxies, les éléments lourds produits par les étoiles seraient dispersés dans tout l’univers. Ces éléments lourds sont les éléments constitutifs essentiels des planètes et de toutes les formes de vie. Les galaxies, avec leurs grandes masses et leur forte attraction gravitationnelle, empêchent le gaz chimiquement enrichi laissé après la mort des étoiles de s'envoler. Ce gaz préalablement traité est ensuite incorporé aux générations futures d’étoiles, de planètes et d’humains. Ainsi, l’attraction gravitationnelle des galaxies assure une disponibilité aisée d’éléments lourds pour les générations ultérieures d’étoiles et pour la formation de planètes rocheuses comme notre Terre.

Si nous parlons des plus grandes distances, alors l'Univers lui-même doit avoir les propriétés nécessaires pour permettre l'émergence et le développement de la vie. Et même si nous n’avons rien qui ressemble de loin à une compréhension complète de la vie et de son évolution, une exigence fondamentale est relativement certaine : cela prend beaucoup de temps. L’apparition de l’homme a mis environ quatre milliards d’années sur notre planète, et gageons que de toute façon, il faudra au moins un milliard d’années pour que la vie intelligente émerge. Ainsi, l’Univers dans son ensemble doit survivre pendant des milliards d’années pour permettre le développement de la vie, du moins dans le cas d’une biologie ressemblant même vaguement à la nôtre.

Les propriétés de notre Univers dans son ensemble permettent également de fournir un environnement chimique propice au développement de la vie. Bien que des éléments plus lourds comme le carbone et l’oxygène soient synthétisés dans les étoiles, l’hydrogène est également un composant essentiel. Il fait partie de deux atomes d'eau sur trois, H 2 O, un élément important de la vie sur notre planète. En regardant l’immense ensemble des univers possibles et de leurs propriétés possibles, nous remarquons que grâce à la nucléosynthèse primordiale, tout l’hydrogène pourrait être transformé en hélium et en éléments encore plus lourds. Ou bien l’univers aurait pu s’étendre si rapidement que les protons et les électrons ne se seraient jamais rencontrés pour former des atomes d’hydrogène. Quoi qu’il en soit, l’Univers aurait pu se terminer sans la création des atomes d’hydrogène qui composent les molécules d’eau, sans lesquels il n’y aurait pas de vie ordinaire.

En tenant compte de ces considérations, il devient clair que notre Univers possède effectivement les caractéristiques nécessaires pour permettre notre existence. Compte tenu des lois de la physique, déterminées par les valeurs des constantes physiques, l'ampleur des forces fondamentales et les masses des particules élémentaires, notre Univers crée naturellement des galaxies, des étoiles, des planètes et la vie. Si les lois physiques étaient un peu différentes, notre Univers pourrait être complètement inhabitable et extrêmement pauvre sur le plan astronomique.

Illustrons un peu plus en détail la mise au point nécessaire de notre Univers. Les galaxies, l'un des objets astrophysiques nécessaires à la vie, se forment lorsque la gravité surmonte l'expansion de l'Univers et provoque la compression de régions locales. Si la force de gravité était beaucoup plus faible ou le taux d’expansion cosmologique beaucoup plus rapide, il n’y aurait plus une seule galaxie dans l’espace. L’univers continuerait à se dissiper, mais ne contiendrait pas une seule structure liée gravitationnellement, du moins à ce stade de l’histoire cosmique. D’un autre côté, si la force de gravité avait été beaucoup plus grande ou si le taux d’expansion de l’espace avait été beaucoup plus faible, alors l’Univers tout entier se serait à nouveau effondré lors du Big Crunch bien avant le début de la formation des galaxies. De toute façon, il n’y aurait pas de vie dans notre Univers moderne. Cela signifie que le cas intéressant d’un Univers rempli de galaxies et d’autres structures à grande échelle nécessite un compromis assez délicat entre la force de gravité et le taux d’expansion. Et notre Univers a justement réalisé un tel compromis.

Quant aux étoiles, la nécessaire mise au point de la théorie physique est associée à des conditions encore plus strictes. Les réactions de fusion se produisant dans les étoiles remplissent deux rôles clés nécessaires à l’évolution de la vie : générer de l’énergie et produire des éléments lourds tels que le carbone et l’oxygène. Pour que les étoiles jouent le rôle qui leur est assigné, elles doivent vivre longtemps, atteindre des températures centrales suffisamment élevées et être suffisamment communes. Pour que toutes ces pièces du puzzle se mettent en place, l’Univers doit être doté d’un large éventail de propriétés spéciales.

L’exemple le plus clair peut probablement nous être fourni par la physique nucléaire. Les réactions de fusion et la structure nucléaire dépendent de la force de la force forte. Les noyaux atomiques existent sous forme de structures liées car la force forte est capable de maintenir les protons proches les uns des autres, même si la force de répulsion électrique des protons chargés positivement a tendance à séparer le noyau. Si l’interaction forte était juste un peu plus faible, il n’y aurait tout simplement pas de noyaux lourds. Il n’y aurait alors plus de carbone dans l’Univers, et donc aucune forme de vie basée sur le carbone. D’un autre côté, si la force nucléaire était encore plus forte, alors les deux protons pourraient se combiner en paires appelées diprotons. Dans ce cas, la forte interaction serait si forte que tous les protons de l’Univers se combineraient en diprotons ou en structures nucléaires encore plus grandes, et il n’y aurait tout simplement plus d’hydrogène ordinaire. Sans hydrogène, il n’y aurait pas d’eau dans l’Univers, et donc pas de formes de vie telles que nous les connaissons. Heureusement pour nous, notre Univers possède juste ce qu’il faut de force puissante pour permettre l’hydrogène, l’eau, le carbone et d’autres ingrédients essentiels à la vie.

De même, si la force nucléaire faible avait une force complètement différente, elle aurait un impact significatif sur l’évolution stellaire. Si l'interaction faible était par exemple beaucoup plus forte que l'interaction forte, alors les réactions nucléaires à l'intérieur des étoiles se dérouleraient à des vitesses beaucoup plus élevées, ce qui réduirait considérablement la durée de vie des étoiles. Il faudrait aussi changer le nom de l’interaction faible. L'Univers dispose d'une certaine marge de manœuvre en la matière, en raison de la diversité des masses stellaires : les petites étoiles vivent plus longtemps et peuvent être utilisées pour contrôler l'évolution biologique à la place de notre Soleil. Cependant, la pression dégénérée des gaz (issue de la mécanique quantique) empêche les étoiles de brûler de l’hydrogène une fois que leur masse devient trop petite. Ainsi, même la durée de vie des étoiles les plus anciennes serait sérieusement réduite. Dès que la durée de vie maximale d’une étoile passe en dessous de la barre du milliard d’années, le développement de la vie est immédiatement compromis. La valeur réelle de la force faible est des millions de fois inférieure à celle de la force forte, ce qui permet au Soleil de brûler son hydrogène lentement et sans effort, ce qui est nécessaire à l'évolution de la vie sur Terre.

Nous devrions ensuite considérer les planètes, les plus petits objets astrophysiques nécessaires à la vie. La formation des planètes nécessite que l’Univers produise des éléments lourds, et donc les mêmes restrictions nucléaires déjà décrites ci-dessus. De plus, l’existence des planètes nécessite que la température de fond de l’univers soit suffisamment basse pour que les solides se condensent. Si notre Univers n'était que six fois plus petit qu'aujourd'hui, et donc mille fois plus chaud, alors les particules de poussière interstellaire s'évaporeraient et il n'y aurait tout simplement pas de matières premières pour la formation de planètes rocheuses. Dans cet Univers hypothétique et brûlant, même la formation de planètes géantes serait extrêmement supprimée. Heureusement, notre Univers est suffisamment froid pour permettre la formation de planètes.

Une autre considération est la stabilité à long terme du système solaire immédiatement après sa formation. Dans notre Galaxie moderne, les interactions et les rencontres stellaires sont à la fois rares et faibles en raison de la très faible densité d’étoiles. Si notre Galaxie contenait le même nombre d'étoiles, mais était cent fois plus petite, la densité accrue d'étoiles entraînerait une probabilité assez élevée qu'une autre étoile entre dans notre système solaire, ce qui détruirait les orbites des planètes. Une telle collision cosmique pourrait modifier l’orbite de la Terre et rendre notre planète inhabitable, voire même la faire sortir du système solaire. Dans tous les cas, un tel cataclysme signifierait la fin de la vie. Heureusement, dans notre Galaxie, le temps estimé nécessaire à notre système solaire pour survivre à une collision modifiant sa trajectoire est beaucoup plus long que le temps qu'il faudrait à la vie pour évoluer.

Nous voyons qu'un Univers à longue durée de vie, qui contient des galaxies, des étoiles et des planètes, nécessite un ensemble assez spécial de valeurs de constantes fondamentales qui déterminent les valeurs des forces fondamentales. Ce réglage fin nécessaire soulève donc une question fondamentale : Pourquoi notre Univers possède-t-il précisément ces propriétés spécifiques qui donnent finalement naissance à la vie ? Après tout, le fait que les lois physiques soient précisément telles qu’elles permettent notre existence est vraiment une coïncidence remarquable. Il semble que l’Univers savait que nous venions. Bien entendu, si les conditions avaient évolué différemment, nous ne serions tout simplement pas là et il n’y aurait personne pour réfléchir à cette question. Cependant, la question « Pourquoi ? cela ne disparaît nulle part.

Comprendre que Pourquoi les lois physiques, telles qu’elles sont, nous amènent à la frontière du développement de la science moderne. Des explications préliminaires ont déjà été avancées, mais la question reste encore ouverte. Depuis le XXe siècle, la science a permis une bonne compréhension pratique de Quoi il y a nos lois de la physique, nous pouvons espérer que la science du XXIe siècle nous permettra de comprendre Pourquoi les lois physiques ont exactement cette forme. Quelques indices allant dans ce sens commencent déjà à apparaître, comme nous allons le voir maintenant.

Difficulté éternelle

Cette apparente coïncidence (que l'Univers possède précisément ces propriétés spéciales qui permettent l'origine et l'évolution de la vie) semble beaucoup moins miraculeuse si nous acceptons que notre Univers - la région de l'espace-temps avec laquelle nous sommes connectés - n'est qu'une parmi d'innombrables autres. univers. En d’autres termes, notre Univers n’est qu’une petite partie multivers- un immense ensemble d'univers, chacun ayant ses propres versions des lois de la physique. Dans ce cas, l’ensemble complet des univers réaliserait toutes les nombreuses versions possibles des lois de la physique. La vie, cependant, ne se développera que dans les univers particuliers qui possèdent la version souhaitée des lois physiques. Le fait que nous vivons dans un Univers doté des propriétés nécessaires à la vie devient alors évident.

Clarifions la différence entre les « autres univers » et les « autres parties » de notre Univers. La géométrie à grande échelle de l’espace-temps peut être très complexe. Nous vivons actuellement dans une partie homogène de l’Univers dont la taille diamétrale est d’environ vingt milliards d’années-lumière. Cette zone représente une partie de l’espace qui peut avoir un effet causal sur nous à un instant donné. À mesure que l’Univers avance dans le futur, la région de l’espace-temps qui peut nous affecter augmentera. En ce sens, à mesure que notre Univers vieillit, il contiendra davantage d’espace-temps. Cependant, il peut y avoir d'autres régions de l'espace-temps qui jamais ne se retrouveront pas dans un lien causal avec notre partie de l’Univers, peu importe combien de temps nous attendons et quel que soit l’âge de notre Univers. Ces autres régions grandissent et évoluent de manière totalement indépendante des événements physiques qui se produisent dans notre Univers. De telles zones appartiennent à d'autres univers.

Une fois que nous acceptons la possibilité de l’existence d’autres univers, l’ensemble des coïncidences que nous avons dans notre Univers semble beaucoup plus agréable. Mais ce concept d’autres univers a-t-il vraiment un sens ? Est-il possible d’accueillir naturellement plusieurs univers dans le cadre de la théorie du Big Bang, par exemple, ou du moins d’extensions raisonnables de celle-ci ? Étonnamment, la réponse est un oui catégorique.

Andrei Linde, un éminent cosmologiste russe actuellement à Stanford, a introduit le concept inflation éternelle. En gros, cette idée théorique signifie qu’à tout moment, une région de l’espace-temps, située quelque part dans le multivers, connaît une phase d’expansion inflationniste. Selon ce scénario, l'écume spatio-temporelle, par le mécanisme de l'inflation, donne continuellement naissance à de nouveaux univers (comme déjà évoqué dans le premier chapitre). Certaines de ces régions en expansion inflationniste évolueront vers des univers intéressants comme notre propre espace-temps local. Ils possèdent des lois physiques qui régissent la formation des galaxies, des étoiles et des planètes. Certaines de ces zones pourraient même développer une vie intelligente.

Cette idée a à la fois une signification physique et un attrait interne important. Même si notre Univers, notre propre région locale de l’espace-temps, devait mourir d’une mort lente et douloureuse, il y aurait toujours d’autres univers autour. Il y aura toujours autre chose. Si le multivers est considéré dans une perspective plus large, englobant l’ensemble des univers, il peut alors être considéré comme véritablement éternel.

Cette image de l’évolution cosmique élude gracieusement l’une des questions les plus épineuses de la cosmologie du XXe siècle : Si l’univers a commencé lors du Big Bang il y a à peine dix milliards d’années, que s’est-il passé avant le Big Bang ? Cette question difficile de « ce qui était quand il n’y avait encore rien » sert de frontière entre science et philosophie, entre physique et métaphysique. Nous pouvons extrapoler la loi physique à une époque où l'Univers n'avait que 10 à 43 secondes, même si à mesure que nous approchons de ce point, l'incertitude de nos connaissances augmentera et que les époques antérieures sont généralement inaccessibles aux méthodes scientifiques modernes. Cependant, la science ne reste pas immobile et certains progrès commencent déjà à apparaître dans ce domaine. Dans le contexte plus large qu’offre le concept de multivers et d’inflation éternelle, nous pouvons en effet formuler la réponse : avant le Big Bang, il y avait (et il y a toujours !) une région mousseuse d’espace-temps à haute énergie. De cette écume cosmique est né, il y a une dizaine de milliards d’années, notre propre Univers, qui continue d’évoluer aujourd’hui. De même, d’autres univers continuent de naître, et ce processus peut se poursuivre sans fin. Certes, cette réponse reste un peu floue et peut-être un peu insatisfaisante. Néanmoins, la physique a déjà atteint un point où nous pouvons au moins commencer à aborder cette question de longue date.

Avec le concept de multivers, nous arrivons au prochain niveau de la révolution copernicienne. Tout comme notre planète n’a pas de place particulière dans notre système solaire, et notre système solaire n’a pas de statut particulier dans l’Univers, de même notre Univers n’a pas de place particulière dans le gigantesque mélange cosmique d’univers qui composent le multivers. .

La vision des univers de Darwin

L’espace-temps de notre Univers devient de plus en plus complexe à mesure qu’il vieillit. Au tout début, juste après le Big Bang, notre Univers était très lisse et homogène. De telles conditions initiales étaient nécessaires pour que l’Univers évolue vers sa forme moderne. Cependant, à mesure que l’Univers évolue, à la suite de processus galactiques et stellaires, des trous noirs se forment, imprégnant l’espace-temps de leurs singularités internes. Ainsi, les trous noirs créent ce qui peut être considéré comme des trous dans l’espace-temps. En principe, ces singularités pourraient également fournir des connexions avec d’autres univers. Il peut également arriver que dans la singularité d'un trou noir naissent de nouveaux univers - des univers enfants, dont nous avons parlé dans le cinquième chapitre. Dans ce cas, notre Univers peut donner naissance à un nouvel univers connecté au nôtre via un trou noir.

Si l’on suit cette chaîne de raisonnement jusqu’à son terme logique, un scénario extrêmement intéressant se présente pour l’évolution des univers dans le multivers. Si les univers peuvent donner naissance à de nouveaux univers, alors les concepts d’hérédité, de mutation et même de sélection naturelle pourraient apparaître dans la théorie physique. Ce concept d'évolution a été défendu par Lee Smolin, physicien, spécialiste de la relativité générale et de la théorie quantique des champs.

Supposons que les singularités à l’intérieur des trous noirs puissent donner naissance à d’autres univers, comme c’est le cas avec la naissance de nouveaux univers, dont nous avons parlé dans le chapitre précédent. À mesure que ces autres univers évoluent, ils perdent généralement leur lien causal avec notre propre univers. Ces nouveaux univers restent cependant connectés au nôtre via une singularité située au centre du trou noir. - Disons maintenant que les lois de la physique dans ces nouveaux univers sont similaires aux lois de la physique dans notre Univers, mais pas absolument. En pratique, cette affirmation signifie que les constantes physiques, les valeurs de force fondamentales et les masses de particules ont des valeurs similaires, mais non équivalentes. En d’autres termes, le nouvel univers hérite d’un ensemble de lois physiques de l’univers mère, mais ces lois peuvent être légèrement différentes, ce qui est très similaire aux mutations de gènes lors de la reproduction de la flore et de la faune terrestre. Dans ce contexte cosmologique, la croissance et le comportement du nouvel univers ressembleront, mais pas exactement, à l’évolution de l’univers mère originel. Ainsi, cette image de l’hérédité des univers est tout à fait analogue à l’image des formes de vie biologiques.

Avec l'hérédité et la mutation, cet écosystème d'univers prend la possibilité fascinante du schéma évolutif de Darwin. D’un point de vue comologique-darwinien, les univers « réussis » sont ceux qui créent un grand nombre de trous noirs. Puisque les trous noirs résultent de la formation et de la mort d’étoiles et de galaxies, ces univers réussis doivent contenir un grand nombre d’étoiles et de galaxies. De plus, la formation des trous noirs prend beaucoup de temps. Les galaxies de notre Univers se forment sur une période d’environ un milliard d’années ; les étoiles massives vivent et meurent sur des périodes de temps plus courtes, mesurées en millions d'années. Pour permettre la formation d’un grand nombre d’étoiles et de galaxies, tout univers réussi doit non seulement avoir les bonnes valeurs de constantes physiques, mais aussi avoir une durée de vie relativement longue. Avec ses étoiles, ses galaxies et ses longues durées de vie, l’univers pourrait bien permettre le développement de la vie. En d’autres termes, les univers qui réussissent possèdent automatiquement presque les caractéristiques nécessaires à l’émergence de formes de vie biologiques.

L’évolution de l’ensemble complexe des univers dans son ensemble se déroule de la même manière que l’évolution biologique sur Terre. Les univers réussis créent un grand nombre de trous noirs et donnent naissance à un grand nombre de nouveaux univers. Ces « bébés » astronomiques héritent de leurs univers mères divers types de lois physiques avec de légères modifications. Les mutations qui conduisent à la formation d’encore plus de trous noirs conduisent également à la production de davantage d’« enfants ». À mesure que cet écosystème d’univers évolue, les univers les plus couramment rencontrés sont ceux qui forment un nombre incroyable de trous noirs, d’étoiles et de galaxies. Ces mêmes univers ont les plus grandes chances de vie. Notre Univers, pour une raison quelconque, a justement les caractéristiques nécessaires pour vivre longtemps et former de nombreuses étoiles et galaxies : selon ce vaste schéma darwinien, notre propre Univers réussit. Vu dans cette perspective plus large, notre Univers n’est ni inhabituel ni finement réglé ; il s’agit plutôt d’un univers ordinaire, et donc attendu. Bien que cette image de l’évolution reste spéculative et controversée, elle fournit une explication élégante et convaincante de la raison pour laquelle notre univers possède les propriétés que nous observons.

Repousser les limites du temps

Dans la biographie du cosmos qui vous est présentée, nous avons retracé le développement de l’Univers depuis son début étincelant et singulier, à travers les cieux chauds et familiers des temps modernes, à travers d’étranges déserts gelés, jusqu’à sa mort finale dans l’obscurité éternelle. À mesure que nous essayons de scruter encore plus profondément les abysses obscurs, nos capacités prédictives se détériorent considérablement. Par conséquent, nos hypothétiques voyages à travers le temps cosmique doivent être achevés, ou du moins devenir terriblement incomplets, à une époque future. Dans ce livre, nous avons construit une échelle de temps couvrant des centaines de décennies cosmologiques. Certains lecteurs penseront sans doute que nous sommes allés trop loin dans notre récit, tandis que d’autres se demanderont peut-être comment nous avons pu nous arrêter à un point qui, comparé à l’éternité, est si proche du tout début.

Une chose dont nous pouvons être sûrs. Au cours de son voyage dans les ténèbres du futur, l’Univers présente une remarquable combinaison de fugacité et d’immuabilité, étroitement liées. Et même si l’Univers lui-même résistera à l’épreuve du temps, il ne restera pratiquement rien dans le futur qui ressemble, même de loin, au présent. La caractéristique la plus durable de notre Univers en constante évolution est le changement. Et ce processus universel de changement continu nécessite une perspective cosmologique élargie, en d’autres termes, un changement complet dans notre vision des plus grandes échelles. Puisque l’Univers est en constante évolution, nous devons essayer de comprendre l’ère cosmologique actuelle, l’année en cours et même aujourd’hui. Chaque instant de l’histoire de l’espace présente une opportunité unique, une chance d’atteindre la grandeur, une aventure à vivre. Selon le principe copernicien du temps, chaque époque future regorge de nouvelles possibilités.

Cependant, il ne suffit pas de déclarer passivement le caractère inévitable des événements et de « laisser se produire sans pleurer ce qui doit arriver ». Un passage souvent attribué à Huxley déclare que « si vous mettiez six singes devant des machines à écrire et les laissiez écrire ce qu’ils voulaient pendant des millions d’années, ils finiraient par écrire tous les livres du British Museum ». Ces singes imaginaires ont longtemps été cités en exemple chaque fois qu'une pensée obscure ou intenable est évoquée, pour confirmer des événements incroyables, ou même pour minimiser implicitement les grandes réalisations des mains humaines, en insinuant qu'elles ne sont rien d'autre qu'un heureux hasard entre les hommes. les grands. nombreux échecs. Après tout, si quelque chose peut arriver, cela arrivera certainement, n’est-ce pas ?

Cependant, même notre compréhension de l’avenir de l’espace, qui en est encore à ses balbutiements, révèle l’absurdité évidente de ce point de vue. Un simple calcul suggère qu’il faudrait près d’un demi-million de décennies cosmologiques (beaucoup plus d’années que le nombre de protons dans l’Univers) à des singes sélectionnés au hasard pour créer un seul livre.

L'univers est destiné à changer complètement de caractère, et plus d'une fois, avant même que ces mêmes singes ne commencent à accomplir la tâche qui leur est assignée. Dans moins de cent ans, ces singes mourront de vieillesse. Dans cinq milliards d’années, le Soleil, devenu géante rouge, brûlera la Terre et avec lui toutes les machines à écrire. Dans quatorze décennies cosmologiques, toutes les étoiles de l’Univers s’éteindront et les singes ne pourront plus voir les touches des machines à écrire. D’ici la vingtième décennie cosmologique, la Galaxie perdra son intégrité et les singes auront de réelles chances d’être engloutis par le trou noir au centre de la Galaxie. Et même les protons qui composent les singes et leur travail sont destinés à se désintégrer avant l’expiration de quarante décennies cosmologiques : encore une fois, bien avant que leur travail herculéen ne soit allé assez loin. Mais même si les singes parvenaient à survivre à cette catastrophe et à poursuivre leur travail dans la faible lueur émise par les trous noirs, leurs efforts seraient encore vains dans la centième décennie cosmologique, lorsque les derniers trous noirs quitteront l'Univers dans une explosion. Mais même si les singes survivaient à cette catastrophe et vivaient, disons, jusqu'à la cent cinquantième décennie cosmologique, ils n'auraient eu que l'opportunité de se retrouver face au danger ultime d'une transition de phase cosmologique.

Et même si d'ici la cent cinquantième décennie cosmologique, les singes, les machines à écrire et les feuilles imprimées seront détruits plus d'une fois, le temps lui-même, bien sûr, ne s'arrêtera pas. Alors que nous regardons vers l’obscurité de l’avenir, nous sommes davantage limités par un manque d’imagination et peut-être par une compréhension physique inadéquate que par un ensemble de détails vraiment clairsemés. Les niveaux d’énergie plus faibles et le manque apparent d’activité qui attendent l’Univers sont plus que compensés par l’augmentation du temps dont il dispose. Nous pouvons envisager avec optimisme un avenir incertain. Et bien que notre monde douillet soit voué à disparaître, un grand nombre d’événements physiques, astronomiques, biologiques et peut-être même intellectuels intéressants attendent toujours dans les coulisses alors que notre Univers poursuit son voyage dans les ténèbres éternelles.

Capsule spatio-temporelle

À plusieurs reprises au cours de l’histoire de l’Univers, nous avons rencontré la possibilité d’envoyer des signaux à d’autres univers. Si nous pouvions, par exemple, créer un univers dans un laboratoire, un signal crypté pourrait lui être transmis avant qu'il ne perde le lien causal avec notre propre Univers. Mais si vous pouviez envoyer un tel message, qu’y écririez-vous ?

Vous voudriez probablement préserver l’essence même de notre civilisation : l’art, la littérature et la science. Chaque lecteur aura une idée des parties de notre culture qui devraient être préservées de cette manière. Bien que chacun ait sa propre opinion sur cette question, nous agirions de manière tout à fait inconcevable si nous ne faisions pas au moins une proposition pour l'archivage d'une partie de notre culture. À titre d'exemple, nous proposons une version encapsulée de la science, ou plus précisément de la physique et de l'astronomie. Parmi les messages les plus fondamentaux, on peut citer les suivants :

La matière est constituée d’atomes, eux-mêmes constitués de particules plus petites.

À de petites distances, les particules présentent des propriétés ondulatoires.

La nature est régie par quatre forces fondamentales.

L'univers est constitué d'un espace-temps en évolution.

Notre Univers contient des planètes, des étoiles et des galaxies.

Les systèmes physiques évoluent vers des états de plus faible énergie et de désordre croissant.

Ces six points, dont le rôle universel devrait désormais être clair, peuvent être considérés comme les trésors de nos réalisations dans les sciences physiques. Ce sont peut-être les concepts physiques les plus importants que notre civilisation ait découverts à ce jour. Mais si ces concepts sont des trésors, leur couronnement doit sûrement être la méthode scientifique. S’il existe une méthode scientifique, avec suffisamment de temps et d’efforts, tous ces résultats sont obtenus automatiquement. S'il était possible de transmettre à un autre univers un seul concept représentant les acquis intellectuels de notre culture, le message le plus valable serait la méthode scientifique.

Cependant, les équations de la relativité autorisent également une autre possibilité : la compression. Est-il important que l’Univers s’étende plutôt que de se contracter ?

Imaginons que notre L'univers rétrécit. Qu’est-ce qui va changer dans l’image du monde qui nous entoure ?

Pour répondre à cette question, vous devez connaître la réponse à une autre question : pourquoi fait-il noir la nuit ? Il est entré dans l’histoire de l’astronomie sous le nom de paradoxe photométrique. L'essence de ce paradoxe est la suivante.

Si l'Univers est dispersé partout, qui émettent en moyenne à peu près la même quantité de lumière, alors, qu'ils soient regroupés ou non dans une galaxie, ils couvriraient toute la sphère céleste avec leurs disques. Après tout, l’Univers est constitué de plusieurs milliards d’étoiles, et partout où nous dirigeons notre regard, il est presque certain qu’il rencontrera tôt ou tard une étoile.

En d’autres termes, chaque section du ciel étoilé devrait briller comme une section du disque solaire, car dans une telle situation, la luminosité apparente de la surface ne dépend pas de la distance. Un flux de lumière éblouissante et chaude tomberait sur nous depuis le ciel, correspondant à une température d'environ 6 000 degrés, soit près de 200 000 fois supérieure à la lumière du Soleil. Pendant ce temps, le ciel nocturne est noir et froid. Quel est le problème?

Ce n'est que dans la théorie de l'expansion de l'Univers que le paradoxe photométrique est automatiquement éliminé. À mesure que les galaxies s'éloignent, leurs spectres présentent un décalage vers le rouge des raies spectrales. En conséquence, la fréquence, et donc l’énergie, de chaque photon diminue. Après tout, le décalage vers le rouge est un déplacement du rayonnement électromagnétique des étoiles de la galaxie vers des ondes plus longues. Et plus la longueur d'onde est longue, moins le rayonnement transporte d'énergie, et plus la galaxie est éloignée, plus l'énergie de chaque photon qui nous parvient est affaiblie.

De plus, l'augmentation continue de la distance entre la Terre et la galaxie en retrait conduit au fait que chaque photon suivant est obligé de parcourir un chemin légèrement plus long que le précédent. De ce fait, les photons atteignent le récepteur moins souvent qu'ils ne sont émis par la source. Par conséquent, le nombre de photons arrivant par unité de temps diminue. Cela entraîne également une diminution de la quantité d’énergie arrivant par unité de temps. C'est pourquoi le ciel nocturne reste noir.

Par conséquent, si l'on imagine que l'Univers se comprime et que cette compression dure des milliards d'années, alors la luminosité du ciel n'est pas affaiblie, mais au contraire renforcée. Au même moment, un flux de lumière éblouissante et chaude tomberait sur nous, correspondant à une température très élevée.

Dans de telles conditions, la vie ne pourrait probablement pas exister sur Terre. Cela signifie que ce n’est pas une coïncidence si nous vivons dans un Univers en expansion.

Supposons que nous vivions dans un univers qui ne finit jamais. Avec un temps infini, tout ce qui peut arriver se produira avec une probabilité de 100 % (selon la théorie de Poincaré). Le même paradoxe se produira si vous vivez éternellement. Vous vivez infiniment, donc tout événement est garanti (et se produira un nombre infini de fois). Par conséquent, si vous vivez éternellement, il y a 100 % de chances que vous soyez figé dans le temps. Parce que cette hypothèse a perturbé de nombreux calculs qui ont tenté de prédire la fin de notre univers, les scientifiques ont suggéré autre chose : le temps lui-même devra un jour s'arrêter.

Disons que vous serez vivant pour en faire l'expérience (des milliards d'années après la fin de la Terre), mais que vous ne pourrez pas comprendre que quelque chose s'est mal passé. Le temps s'arrêtera tout simplement et tout se figera, comme une photographie, comme un plâtre, pour toujours. Mais ce ne sera pas éternel, car le temps n’avance tout simplement pas. Ce ne sera qu’un instant. Vous ne mourrez jamais et ne vieillirez jamais. C'est une sorte de pseudo-immortalité, mais vous ne le saurez jamais.

Gros rebond

Le Big Rebound est similaire au Big Squeeze, mais beaucoup plus optimiste. Imaginez le même scénario : la gravité ralentit l’expansion de l’Univers et condense tout en un seul point. Selon la théorie, cette compression pourrait suffire à déclencher une autre explosion et l’univers recommencerait. Rien ne sera détruit, mais sera redistribué.

Les physiciens n'aiment pas cette explication, c'est pourquoi certains scientifiques pensent que l'univers ne reviendra tout simplement pas à la singularité. Au contraire, il s’approchera très près de cet état et rebondira, tout comme une balle rebondit sur le sol. Le Big Bounce est très similaire au Big Bang sur ce point et pourrait théoriquement donner naissance à un nouvel univers. Dans ce cycle oscillant, notre univers pourrait devenir le premier univers de la série ou le quatre centième. Personne ne le saura.

Grosse déchirure

Quelle que soit la manière exacte dont tout se termine, les scientifiques doivent utiliser le mot « grand » pour décrire cette fin. Selon cette théorie, une force invisible appelée énergie noire accélère l’expansion de l’univers observable. Finalement, l'expansion s'accélérera tellement, comme l'Entreprise au facteur de distorsion neuf, que l'univers n'aura d'autre choix que d'éclater dans le néant.

La partie la plus effrayante de cette théorie est que, même si la plupart de ces scénarios se produisent après l’épuisement des étoiles, le Big Rip devrait se produire dans 16 milliards d’années, selon les premières estimations. À ce stade, l’Univers, les planètes et théoriquement la vie existeront toujours. Ce cataclysme pourrait la brûler vive, l'arracher à tout ce qui existe et la nourrir des lions cosmiques qui vivent entre les univers. On ne sait pas ce qui va se passer. Mais cette mort est clairement plus cruelle que la mort lente par la chaleur.

Événement de métastabilité sous vide

Cette théorie repose sur l’idée selon laquelle l’univers existe dans un état fondamentalement instable. Si l’on examine la signification des particules quantiques, il n’est pas difficile de comprendre pourquoi certains pensent que notre univers est au bord de la stabilité. Certains scientifiques suggèrent que des milliards d’années plus tard, l’Univers tombera tout simplement dans cette situation. Lorsque cela se produit, à un moment donné, une bulle apparaîtra dans l’univers. Cette bulle va se dilater dans toutes les directions à la vitesse de la lumière et détruire tout ce qu’elle touche. Finalement, cette bulle détruira tout dans l’univers.

Mais ne vous inquiétez pas : l'univers sera toujours là. Les lois de la physique seront différentes, et peut-être la vie sera différente. Mais il n’y aura rien dans l’univers que nous ne puissions comprendre.

Barrière horaire

Si nous essayons de calculer des probabilités dans un multivers (dans lequel il existe un nombre infini d’univers), nous revenons au problème énoncé ci-dessus : tout peut arriver avec une probabilité de 100 %. Pour contourner ce problème, les scientifiques prennent simplement une partie de l’univers et en calculent les probabilités. Cela fonctionne, mais les frontières qu’ils tracent coupent inévitablement la région du reste du monde.

Puisque les lois de la physique n’ont aucun sens dans un univers infini, la seule conclusion que l’on puisse en tirer est qu’il existe une frontière physique, une limite au-delà de laquelle on ne peut pas aller. Et selon les physiciens, dans les 3,7 milliards d’années à venir, nous franchirons cette barrière temporelle et l’univers prendra fin pour nous. Bien qu’il soit beaucoup plus probable que nous ne puissions tout simplement pas comprendre et décrire ce principe avec notre terminologie physique.

Cela n'arrivera pas (puisque nous vivons dans un multivers)

Dans un scénario multivers avec un nombre infini d’univers, ces univers peuvent surgir même au cours de notre existence. Ils pourraient même commencer à apparaître avec le Big Bang. Un univers se terminera par un Big Crunch, un autre par une mort thermique, un autre par un Big Rip, et ainsi de suite. Mais cela n’a pas d’importance : dans le multivers, notre univers n’est qu’un parmi tant d’autres. Et même si notre monde s’effondre en un arc-en-ciel dans le vide entre les univers, le plus grand « univers » demeurera. Et puisqu’il y aura un autre univers, une existence et une vie en lui, rien ne nous menace.

Le nombre de nouveaux univers sera toujours supérieur au nombre d’anciens, donc en théorie le nombre d’univers augmente.

Univers éternel

Pendant longtemps, on a cru que l’Univers existait, est et sera toujours. C'est l'un des premiers concepts créés par l'homme sur la nature de l'Univers, mais récemment, cette théorie a reçu un nouvel élan, déjà sérieusement soutenu du point de vue de la physique.

Ainsi, le compte à rebours du temps n'a pas commencé avec la singularité du Big Bang ; le temps aurait pu exister plus tôt (l'infini avant), et la singularité et l'explosion qui en a résulté auraient pu être une conséquence de la collision de deux branes (structures spatio-temporelles d'un niveau d'existence supérieur). Dans ce modèle, l’Univers est cyclique et continuera à s’étendre et à se contracter pour toujours.

À propos, nous pourrons le découvrir dans les 20 prochaines années - nous en avons un qui a exploré l'espace à la recherche de motifs de fond micro-ondes qui nous diront quelque chose sur l'origine de l'Univers. Il s’agit d’un long processus, mais il nous permettra de mieux comprendre comment notre Univers a commencé et peut-être de savoir comment il se terminera.

EXPANSION OU COMPRESSION DE L'UNIVERS ?!

L'éloignement des galaxies les unes par rapport aux autres s'explique actuellement par l'expansion de l'Univers, qui a commencé grâce à ce qu'on appelle le « Big Bang ».

Pour analyser la distance des galaxies les unes par rapport aux autres, nous utilisons les propriétés physiques et les lois connues suivantes :

1. Les galaxies tournent autour du centre de la métagalaxie, effectuant une révolution autour du centre de la métagalaxie tous les 100 000 milliards d’années.

Par conséquent, la métagalaxie est une barre de torsion géante dans laquelle opèrent les lois de la gravité vortex et de la mécanique classique (chapitre 3.4).

2. Puisque la Terre augmente sa masse, il est acceptable de supposer que tous les autres corps célestes ou leurs systèmes (galaxies), sous l'influence de leur propre gravité, augmentent également leur masse, conformément aux lois présentées au chapitre 3.5. Ensuite, à partir des formules du même chapitre, il est évident que les galaxies doivent se déplacer en spirale, vers le centre de la métagalaxie, avec une accélération inversement proportionnelle à la distance au centre de la métagalaxie ou à l'augmentation de la masse de les galaxies.

L'accélération radiale des galaxies lorsqu'elles se déplacent vers le centre de la métagalaxie les fait s'éloigner les unes des autres, ce qui a été enregistré par Hubble et qui, jusqu'à présent, a été classé à tort comme l'expansion de l'Univers.

Ainsi, sur la base de ce qui précède, la conclusion suivante s’ensuit :

L’univers n’est pas en expansion, mais au contraire, il tourne en spirale ou se contracte.

Il est probable qu’un trou noir métagalactique soit situé au centre de la métagalaxie, il est donc impossible de l’observer.

Lorsque des galaxies gravitent autour du centre d’une métagalaxie sur une orbite inférieure, la vitesse de mouvement orbital de ces galaxies devrait être supérieure à celle des galaxies se déplaçant sur une orbite supérieure. Dans ce cas, les galaxies, à certains méga-intervalles de temps, devraient se rapprocher les unes des autres.

De plus, les étoiles qui ont des inclinaisons de leurs propres orbites par rapport à la torsion gravitationnelle galactique doivent s'éloigner du centre de la galaxie (voir chapitre 3.5). Ces circonstances expliquent l'approche de nous de la galaxie M31.

Au stade initial de l'émergence d'une torsion cosmique, elle doit être dans un état de trou noir (voir chapitre 3.1). Durant cette période, la torsion cosmique augmente sa masse relative au maximum. Par conséquent, l'amplitude et le vecteur vitesse de cette barre de torsion (BH) présentent également des changements maximaux. Autrement dit, les trous noirs ont un caractère de mouvement qui est très incompatible avec le mouvement des corps cosmiques voisins.

Actuellement, un trou noir a été détecté qui s'approche de nous. Le mouvement de ce trou noir s’explique par la dépendance ci-dessus.

Il convient de noter les contradictions de l’hypothèse du « Big Bang », qui pour des raisons inconnues ne sont pas prises en compte par la science moderne :

Selon la 2ème loi de la thermodynamique, un système (l’Univers), livré à lui-même (après une explosion) se transforme en chaos et désordre.

En fait, l'harmonie et l'ordre observés dans l'Univers contredisent cette loi,

Toute particule d'une substance explosée avec une force énorme ne doit avoir qu'une direction rectiligne et radiale de son propre mouvement.

La rotation générale dans l'espace de tous les corps célestes ou de leurs systèmes autour de leur centre ou d'autres corps, y compris la métagalaxie, réfute complètement la nature inertielle du mouvement des objets cosmiques obtenu à partir de l'explosion. Par conséquent, la source du mouvement de tous les objets spatiaux ne peut pas être une explosion.

• - Comment d'immenses vides intergalactiques ont-ils pu se former dans l'espace après le « Big Bang » ?!
• - selon le modèle Friedman généralement admis, la cause du « Big Bang » était la compression de l'Univers à la taille du système solaire. En conséquence, un « Big Bang » s’est produit au-delà du gigantesque compactage de la matière cosmique.

Les adeptes de l'idée du « Big Bang » restent silencieux sur l'absurdité évidente de cette hypothèse : comment l'Univers infini pourrait-il rétrécir et s'insérer dans un volume limité égal à la taille du système solaire !?

Nous sommes quotidiennement confrontés à la compression sous une forme ou une autre. Quand on extrait l'eau d'une éponge, quand on prépare une valise pour des vacances, en essayant de remplir tout l'espace vide avec les choses nécessaires, quand on compresse des fichiers avant de les envoyer par email. L'idée de supprimer l'espace « vide » est très familière.

Tant à l’échelle cosmique qu’atomique, les scientifiques ont confirmé à plusieurs reprises que le vide occupe la majeure partie de l’espace. Et pourtant, il est extrêmement surprenant de constater à quel point cette affirmation est vraie ! Lorsque le Dr Caleb A. Scharf de l'Université de Columbia (États-Unis) a écrit son nouveau livre « Zoomable Universe », il avait, de son propre aveu, prévu de l'utiliser pour un effet dramatique.

Et si nous pouvions d’une manière ou d’une autre rassembler toutes les étoiles de la Voie lactée et les placer les unes à côté des autres, comme des pommes bien emballées dans une grande boîte ? Bien sûr, la nature ne permettra jamais aux humains de subjuguer la gravité, et les étoiles fusionneront très probablement en un seul trou noir colossal. Mais en tant qu'expérience de pensée, c'est un excellent moyen d'illustrer la quantité d'espace dans la Galaxie.

Le résultat est choquant. Si nous supposons qu'il peut y avoir environ 200 milliards d'étoiles dans la Voie Lactée, et que nous supposons généreusement qu'elles ont toutes le diamètre du Soleil (ce qui est une surestimation puisque la grande majorité des étoiles sont moins massives et plus petites), nous pourrions encore cube-les. La longueur de ses bords correspond à deux distances de Neptune au Soleil.

« Il y a une énorme quantité d’espace vide dans l’espace. Et cela m’amène au niveau supérieur de folie », écrit le Dr Scharf. Sur la base de l’Univers observable, défini par l’horizon cosmique de lumière depuis le Big Bang, les estimations actuelles suggèrent qu’il existe entre 200 milliards et 2 000 milliards de galaxies. Bien que ce grand nombre comprenne toutes les petites « protogalaxies » qui finiront par fusionner en grandes galaxies.

Soyons audacieux et acceptons le plus grand nombre, puis rassemblons toutes les étoiles de toutes ces galaxies. Pour être incroyablement généreux, supposons qu'ils aient tous la taille de la Voie lactée (bien que la plupart soient en réalité beaucoup plus petites que notre Galaxie). Nous obtiendrons 2 000 milliards de cubes dont les côtés mesureront 10 à 13 mètres. Mettez ces cubes dans un cube plus grand et nous nous retrouvons avec un mégacube dont les côtés mesurent environ 10 à 17 mètres de long.

Assez gros, non ? Mais pas à l’échelle cosmique. Le diamètre de la Voie lactée est d'environ 10 à 21 mètres, donc un cube mesurant 10 à 17 mètres ne représente que 1/10 000 de la taille de la Galaxie. En fait, 10 17 mètres correspondent à environ 10 années-lumière !

Naturellement, ce n'est qu'une petite astuce. Mais il souligne effectivement à quel point le volume de l’Univers réellement occupé par la matière dense est petit comparé au vide de l’espace, magnifiquement caractérisé par Douglas Adams : « L’espace est vaste. Vraiment super. Vous ne croirez tout simplement pas à quel point le cosmos est vaste, vaste et époustouflant. Voici ce que nous voulons dire : vous pensez peut-être qu'il y a un long chemin jusqu'au restaurant le plus proche, mais cela ne veut rien dire dans l'espace." (Le Guide du voyageur galactique).