Dix théories sur la mort de notre univers. Compression de l'univers, ou comment faire rentrer toutes ses étoiles dans la voie lactée Chaleur mort plus trous noirs

Un guide de l'impossible, de l'incroyable et du miraculeux.

Dans un grenier abandonné, non loin du British Museum :

Cornelius saisit une feuille de papier vierge, la passa dans le rouleau et commença à imprimer. Le point de départ de son récit était le Big Bang lui-même, alors que le cosmos s'engageait sur son chemin en constante expansion vers le futur. Après une brève poussée d'inflation, l'Univers a été plongé dans une série de transitions de phase et a formé un excès de matière sur l'antimatière. Au cours de cette époque primaire, l'Univers ne contenait aucune structure cosmique.

Après un million d'années et de nombreuses rames de papier, Cornelius a atteint l'âge des étoiles - une époque où les étoiles naissent activement, traversent leur cycle de vie et génèrent de l'énergie par des réactions nucléaires. Ce chapitre lumineux se termine alors que les galaxies manquent d'hydrogène gazeux, que la formation d'étoiles cesse et que les naines rouges les plus anciennes s'éteignent lentement.

En tapant sans arrêt, Cornelius introduit son histoire dans l'ère de la décomposition, 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 dans le rayonnement qui alimente le cosmos. La désintégration des protons entre en scène à la fin de ce chapitre, alors que l'énergie de masse des restes stellaires dégénérés s'écoule lentement et que la vie à base de carbone s'éteint complètement.

Quand l'auteur fatigué continue son travail, les seuls héros de son histoire sont les trous noirs. Mais les trous noirs ne peuvent pas vivre éternellement. Émettant une lumière toujours aussi faible, ces objets sombres s'évaporent dans un lent processus de mécanique quantique. En l'absence d'une autre source d'énergie, l'univers est obligé de se contenter de cette maigre quantité de lumière. Une fois que les plus grands trous noirs se sont évaporés, le crépuscule transitoire de l'époque du trou noir cède la place à 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 catastrophes cosmiques précédentes. Dans cette ère froide, sombre et très lointaine des ténèbres éternelles, l'activité cosmique ralentit sensiblement. Des niveaux d'énergie extrêmement bas sont compatibles avec des durées 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 maintient une étonnante variété de processus physiques complexes et d'autres comportements intéressants. Notre biographie de l'univers, de sa naissance dans une explosion à sa longue et graduelle glissade dans les ténèbres éternelles, est basée sur une compréhension moderne des lois de la physique et des merveilles de l'astrophysique. En raison de l'ampleur et de la rigueur de l'érudition moderne, ce récit présente la vision la plus probable de l'avenir que nous puissions former.

Des gros chiffres fous

Lorsque nous discutons de la vaste gamme de comportements exotiques que l'univers pourrait avoir à l'avenir, le lecteur pourrait penser que tout peut arriver. Mais ce n'est pas. 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 restrictions 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 fait circuler la chaleur des objets chauds vers les objets froids, plutôt que l'inverse.

Mais même dans les limites des processus autorisés par les lois de la physique, de nombreux événements qui pourraient se produire en principe ne se produisent jamais. Une raison courante est qu'ils prennent tout simplement trop de temps et que d'autres processus arrivent en premier pour les devancer. Un bon exemple de cette tendance est le processus de fusion à froid. Comme nous l'avons déjà noté à propos des réactions nucléaires à l'intérieur des étoiles, le plus stable de tous les noyaux possibles est le noyau de fer. De nombreux noyaux plus petits tels que l'hydrogène ou l'hélium abandonneraient leur énergie s'ils pouvaient s'unir en un noyau de fer. À l'autre extrémité du tableau périodique, des noyaux plus gros tels que 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. Pour surmonter ces barrières énergétiques, en règle générale, des températures élevées ou de longues périodes de temps sont nécessaires.

Considérez un gros morceau de matière solide comme un rocher ou peut-être une planète. La structure de ce corps solide ne change pas en raison des forces électromagnétiques ordinaires, telles que celles impliquées dans la liaison chimique. Au lieu de conserver sa composition nucléaire d'origine, la matière 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 ait lieu, les noyaux doivent surmonter les forces électriques qui maintiennent cette substance sous la forme dans laquelle elle existe, et les forces électriques répulsives avec lesquelles les noyaux agissent les uns sur les autres. Ces forces électriques créent une forte barrière d'énergie, un peu comme la barrière illustrée à la Fig. 23. À cause de cette barrière, les noyaux doivent se regrouper par tunnel mécanique quantique (une fois que les noyaux ont traversé la barrière, une forte attraction initie la fusion). Ainsi, notre morceau de matière montrerait une activité nucléaire. Avec suffisamment de temps, une pierre entière ou une planète entière se transformerait en fer pur.

Combien de temps prendrait une telle restructuration des noyaux ? Une activité nucléaire de ce type convertirait les noyaux de roche en fer en environ quinze cents décennies cosmologiques. Si ce processus nucléaire devait avoir lieu, un excès d'énergie serait émis dans l'espace, car les noyaux de fer correspondent à un état d'énergie inférieur. Cependant, ce processus de fusion nucléaire froide ne sera jamais achevé. Il ne démarre même jamais vraiment. Tous les protons qui composent le noyau se désintégreront 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 - beaucoup plus courte que l'énorme laps de temps requis pour la fusion froide. En d'autres termes, les noyaux se désintégreront avant d'avoir eu la chance de se transformer en fer.

Un autre processus physique qui prend trop de temps pour être considéré comme important pour la cosmologie est l'effet tunnel d'étoiles dégénérées dans des trous noirs. Parce que les trous noirs sont les états d'énergie les plus bas disponibles pour les étoiles, un objet de type naine blanche dégénéré 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 transformation ne se produit généralement pas en raison de la barrière énergétique créée par la pression du gaz dégénéré, qui maintient l'existence d'une naine blanche.

Malgré la barrière d'énergie, une naine blanche pourrait se transformer en trou noir par tunnel mécanique quantique. En raison du principe d'incertitude, toutes les particules (environ 1057) qui composent une naine blanche pourraient tomber dans un espace si petit qu'elles formeraient un trou noir. Cependant, cet événement aléatoire nécessite un temps extrêmement long - environ 10 76 décennies cosmologiques. Il est impossible d'exagérer la taille vraiment énorme de 10 76 décennies cosmologiques. Si cette période immensément longue est écrite en années, nous obtenons une unité avec 10 76 zéros. Nous ne commencerons peut-être même pas à écrire ce nombre dans un livre : il serait de l'ordre d'un zéro pour chaque proton dans l'univers moderne visible, plus ou moins quelques ordres de grandeur. Inutile de dire que les protons se désintégreront et que les naines blanches disparaîtront bien avant que l'Univers n'atteigne la 1076e décennie cosmologique.

Que se passe-t-il réellement dans le processus d'expansion à long terme ?

Bien que de nombreux événements soient pratiquement impossibles, il reste un vaste éventail de possibilités théoriques. Les catégories les plus larges pour le comportement futur du cosmos sont basées sur le fait que l'univers est 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, en considérant des possibilités plus spéculatives, nous constatons que l'évolution future de l'univers pourrait être beaucoup plus complexe que ne le suggère ce schéma de classification simple.

Le principal problème est que nous ne pouvons effectuer que des mesures physiques significatives et donc tirer des conclusions définitives sur la région locale de l'univers - la partie délimitée par l'horizon cosmologique moderne. Nous pouvons mesurer la densité totale de l'univers dans cette région locale, qui est d'environ vingt milliards d'années-lumière de diamètre. Mais les mesures de densité dans ce volume local, hélas, ne déterminent pas le destin à long terme de l'univers dans son ensemble, puisque notre univers pourrait 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 subir une recompression. L'univers serait clairement envoyé à travers une séquence accélérée de catastrophes naturelles menant 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 est enfermée dans ce scénario imaginaire d'Armageddon - pourrait être imbriquée dans une région beaucoup plus grande de densité beaucoup plus faible. 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 ne pas être d'accord 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 pas à la destruction et à la mort de toute façon. Pourtant, ce rapide coup d'œil à la situation dans son ensemble change considérablement notre perspective. Si l'univers plus vaste survit dans son ensemble, la mort de notre région locale n'est pas une telle tragédie. Nous ne nierons pas que la destruction d'une ville sur Terre, disons à cause d'un tremblement de terre, est un événement terrible, mais c'est loin d'être aussi terrible que la destruction complète de la planète entière. De la même manière, la perte d'une petite partie de l'univers entier n'est pas aussi dévastatrice que la perte de l'univers entier. Des processus physiques, chimiques et biologiques complexes peuvent encore se dérouler dans un futur lointain, quelque part dans l'univers. La destruction de notre univers local pourrait n'être qu'une autre catastrophe dans une série de catastrophes astrophysiques que l'avenir pourrait apporter : la mort de notre Soleil, la fin de la vie sur Terre, l'évaporation et la diffusion 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 une opportunité de salut: soit un voyage réel sur de longues distances, soit une délivrance de substitution par la transmission d'informations par des signaux lumineux. Cette échappatoire peut être difficile, voire interdite, selon la façon dont la région fermée de notre espace-temps local est combinée avec la région plus vaste de l'Univers. Cependant, le fait que la vie puisse continuer ailleurs entretient l'espoir.

Si notre région locale se rétrécit, il se peut qu'il n'y ait pas assez de temps pour que tous les événements astronomiques décrits dans ce livre se produisent dans notre partie de l'univers. Cependant, à la fin, ces processus se produiront toujours dans un autre endroit de 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 indiquent que sa densité est suffisamment faible pour que notre partie locale de l'univers ne s'effondre pas du tout, de la matière invisible supplémentaire peut se cacher dans l'obscurité. La valeur maximale possible de la densité locale est environ le double de la valeur requise pour que la partie locale de l'Univers soit fermée. Mais même avec cette densité maximale, l'univers ne peut pas commencer à se contracter avant qu'au moins vingt milliards d'années ne se soient écoulées. Cette contrainte de temps nous donnerait un retard d'au moins cinquante milliards d'années supplémentaires de la version locale du Big Crunch.

L'ensemble inverse de circonstances peut également se produire. Notre partie locale de l'univers peut présenter une densité relativement faible et donc se qualifier pour la vie éternelle. Cependant, cette parcelle locale d'espace-temps peut être imbriquée dans une zone beaucoup plus grande avec une densité beaucoup plus élevée. Dans ce cas, lorsque notre horizon cosmologique local devient suffisamment grand pour inclure une plus grande région de densité plus élevée, notre univers local fera partie d'un univers plus vaste qui est destiné à subir une recompression.

Ce scénario de destruction nécessite que notre univers local ait une géométrie cosmologique presque plate, car ce n'est qu'alors que le taux d'expansion continue de baisser régulièrement. La géométrie presque plate permet à des régions 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 juste être suffisamment dense pour éventuellement survivre à la recompression. Il doit vivre assez longtemps (c'est-à-dire ne pas s'effondrer trop tôt) pour que notre horizon cosmologique atteigne la grande échelle requise.

Si ces idées sont réalisées 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 ne nie pas 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 dans notre région locale de l'espace-temps, qui est actuellement d'environ dix milliards rayons lumineux dans le rayon années. Tout écart potentiel par rapport à l'homogénéité et à l'isotropie se réfère à de grandes tailles, 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 en dehors de notre horizon cosmologique. D'après les mesures, le fond diffus cosmologique est extrêmement homogène. Cependant, de grandes différences dans la densité de l'univers, même si elles étaient en dehors de l'horizon cosmologique, provoqueraient certainement des pulsations dans ce rayonnement de fond uniforme. Ainsi, l'absence de fluctuations significatives suggère que toute perturbation de densité significative attendue doit être très éloignée de nous. Mais si les perturbations de grande densité sont éloignées, alors notre région locale de l'univers peut vivre assez longtemps avant de les rencontrer. Le moment le plus précoce possible où de grandes différences de densité auront un effet sur notre partie de l'univers sera d'environ dix-sept décennies cosmologiques. Mais, très probablement, cet événement qui changera l'univers se produira beaucoup plus tard. Selon la plupart des versions de la théorie de l'Univers inflationniste, 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 contraction commencera. Un tel univers subissant un nouvel effondrement se terminerait par un dénouement enflammé connu sous le nom de Grosse pression. Bon nombre des vicissitudes qui marquent la séquence temporelle d'un univers en contraction ont d'abord été envisagées par Sir Martin Rees, aujourd'hui astronome royal d'Angleterre. Lorsque l'univers sera plongé dans cette grande finale, les catastrophes ne manqueront pas.

Et bien que l'univers s'étendra très probablement pour toujours, nous sommes plus ou moins sûrs que la densité de l'univers ne dépasse pas deux fois la valeur de la densité critique. Connaissant cette borne supérieure, on peut affirmer que le minimum le temps restant possible avant l'effondrement de l'univers dans le Big Crunch est d'environ cinquante milliards d'années. Le jour du jugement est encore très loin par toute mesure humaine de temps, donc le loyer devrait probablement continuer à être payé régulièrement.

Supposons que vingt milliards d'années plus tard, lorsqu'il atteint sa taille maximale, l'univers connaisse une nouvelle contraction. A cette époque, l'univers serait environ deux fois plus grand qu'il ne l'est aujourd'hui. La température du rayonnement de fond sera d'environ 1,4 degrés Kelvin : la moitié de la valeur actuelle. Une fois que l'Univers s'est refroidi à cette température minimale, l'effondrement qui s'ensuit le réchauffera alors qu'il se déplace rapidement vers le Big Crunch. En cours de route, au cours de cette 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 moderne. Et dans les 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 passer par une évolution significative. Certaines galaxies entrent en collision et fusionnent au sein de leurs amas parents, mais la plupart restent 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 vont se rapprocher de notre galaxie au lieu de s'en éloigner. C'est seulement cette curieuse tendance vers le bleu qui permettra aux astronomes d'avoir un aperçu de la catastrophe imminente.

Des amas de galaxies séparés, dispersés dans un vaste espace et vaguement liés en mottes et en fils, resteront intacts jusqu'à ce que l'Univers se réduise à une taille cinq fois plus petite qu'aujourd'hui. Au moment de cette hypothétique future conjonction, des amas de galaxies fusionnent. Dans l'univers d'aujourd'hui, 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.

Au fur et à mesure que la contraction se poursuivra, 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. Ensuite, l'univers entier se transformera 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 à partir des positions de l'extrémité opposée de la chronologie : le temps restant jusqu'au Big Crunch. Lorsque la température de l'univers atteint le point de fusion de la glace, notre univers a dix millions d'années d'histoire future.

Jusqu'à présent, la vie sur les planètes telluriques se poursuit indépendamment de l'évolution du cosmos qui se déroule autour. En fait, la chaleur du ciel finira par faire fondre les objets gelés ressemblant à Pluton qui dérivent à la périphérie de chaque système solaire et offriront une dernière chance éphémère à la vie de s'épanouir dans l'Univers. Ce dernier printemps relativement court prendra fin alors que la température du rayonnement de fond continue d'augmenter. Avec la disparition de l'eau liquide dans tout l'univers, plus ou moins simultanément, il y a une extinction massive de toute vie. Les océans bouillonnent 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 l'effondrement final, toute forme de vie survivante doit soit rester profondément à l'intérieur des planètes, soit développer des mécanismes de refroidissement élaborés et efficaces.

Après la destruction finale, d'abord des amas, puis des galaxies elles-mêmes, les étoiles sont les suivantes dans la ligne de mire. Si rien d'autre ne se produisait, les étoiles, tôt ou tard, entreraient 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 diminution continue dépasse la température de surface d'une 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 à l'intérieur des étoiles, leurs surfaces s'évaporent sous l'influence d'un très fort champ de rayonnement externe. Ainsi, le rayonnement de fond est la principale raison de la destruction des étoiles.

Lorsque les étoiles commencent à s'évaporer, la taille de l'univers est environ deux mille fois plus petite qu'aujourd'hui. En cette ère turbulente, le ciel nocturne semble aussi brillant que la surface du Soleil. La brièveté du temps restant est difficile à ignorer : le rayonnement le plus fort efface tout doute qu'il reste moins d'un million d'années jusqu'à la fin. Tout astronome doté des connaissances technologiques nécessaires pour vivre cette époque se souviendra peut-être avec un étonnement résigné que le chaudron bouillonnant de l'Univers qu'il observe - des étoiles figées dans un ciel aussi brillant que le Soleil - n'est rien de moins que le retour du paradoxe d'Olbers de univers infiniment vieux et statique.

Tous les noyaux stellaires ou les naines brunes qui survivent à cette époque d'évaporation seront mis en pièces de la manière la plus sans cérémonie. 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 l'explosion la plus puissante et la plus spectaculaire. Ainsi, les objets stellaires qui parviendront à survivre à l'évaporation contribueront à l'ambiance générale de la fin du monde, se transformant en fantastiques bombes à hydrogène.

Les planètes de l'univers qui se rétrécit partageront le sort des étoiles. Des 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, indiscernables des planètes telluriques. Toute eau liquide s'est depuis longtemps évaporée de la surface des planètes, et très bientôt leurs atmosphères suivront son exemple. Il ne reste que des friches stériles et stériles. Les surfaces rocheuses fondent et les couches de roche liquide s'épaississent progressivement, engloutissant finalement la planète entière. La gravité empêche les restes fondus mourants de se disperser, et ils créent des atmosphères de silicate lourd, qui, à leur tour, fuient dans l'espace. Les planètes en évaporation, plongeant dans une flamme éblouissante, disparaissent sans laisser de trace.

Lorsque 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 fort que les photons (particules de lumière) acquièrent suffisamment d'énergie pour libérer des électrons. En conséquence, au cours des dernières centaines de milliers d'années, les atomes ont cessé d'exister et la matière se désintègre en particules chargées. Le rayonnement de fond interagit fortement avec ces particules chargées, grâce à quoi la matière et le rayonnement sont étroitement liés. Les photons de fond cosmiques, qui ont voyagé sans entrave pendant près de soixante milliards d'années depuis la recombinaison, ont frappé la surface de leur "prochaine" diffusion.

Le Rubicon est franchi lorsque l'univers se réduit à un dix millième de sa taille actuelle. A ce stade, la densité de rayonnement dépasse la densité de matière - ce n'était le cas qu'immédiatement après le Big Bang. Le rayonnement recommence à dominer l'Univers. Étant donné que la matière et le rayonnement se comportent différemment parce qu'ils ont subi une contraction, la contraction ultérieure change légèrement à mesure que l'univers subit 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, moment auquel tous les noyaux libres ont été détruits. Cette époque d'anti-nucléosynthèse est assez différente de la nucléosynthèse violente qui s'est produite dans les premières minutes de l'époque primordiale. Dans les premières minutes de l'histoire du cosmos, seuls les éléments les plus légers se sont formés, principalement de l'hydrogène, de l'hélium et un peu de lithium. Au cours des dernières minutes, une grande variété de noyaux lourds ont été présents dans l'espace. Les noyaux de fer détiennent les liaisons les plus fortes, leur désintégration nécessite donc la plus grande énergie par particule. Cependant, l'univers qui se rétrécit crée des températures et des énergies toujours plus élevées : tôt ou tard, même les noyaux de fer mourront dans cet environnement incroyablement destructeur. Dans la dernière seconde de la vie de l'Univers, il ne reste plus un seul élément chimique. Les protons et les neutrons redeviennent libres - comme dans la première seconde de l'histoire du cosmos.

S'il reste au moins un peu de vie dans l'Univers à cette époque, le moment de la destruction des noyaux devient cette caractéristique, à cause de laquelle ils ne reviennent pas. Après cet événement, il ne restera 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 des noyaux doit appartenir à une espèce véritablement exotique. Peut-être que des êtres basés sur l'interaction forte pourraient voir la dernière seconde de la vie de l'Univers.

La dernière seconde ressemble beaucoup à un film Big Bang montré à l'envers. Après la désintégration des noyaux, lorsqu'une seule microseconde sépare l'Univers de la mort, les protons et les neutrons eux-mêmes se désintègrent et l'Univers se transforme en une mer de quarks libres. Au fur et à mesure que la compression se poursuit, l'univers devient plus chaud et plus dense, et les lois de la physique semblent y changer. Lorsque l'univers atteint une température d'environ 10 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. Au fur et à mesure que nous approchons des énergies plus élevées, approchant de la fin des temps, nous nous éloignons des preuves expérimentales directes, par lesquelles le récit, que cela nous plaise ou non, devient plus spéculatif. Et pourtant on continue. 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 union, combine trois des quatre forces fondamentales de la nature : la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique. Cette unification a lieu à une température incroyablement élevée de 10 28 degrés Kelvin, alors que l'univers n'a plus que 10 -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 charnière se produit lorsque l'univers qui se contracte atteint une température d'environ 10 32 degrés Kelvin et qu'il ne reste que 10 -43 secondes avant le Big Crunch. Cette température ou énergie est généralement appelée Valeur de Planck. Malheureusement, les scientifiques n'ont pas de théorie physique cohérente pour une telle échelle d'énergies, 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 actuelle des lois de la physique n'est plus adéquate. Que se passe-t-il ensuite, nous ne le savons pas.

Ajuster notre univers

Après avoir examiné les événements impossibles et incroyables, arrêtons-nous sur l'événement le plus extraordinaire qui s'est produit - la naissance de la vie. Notre univers est un endroit assez confortable pour la vie telle que nous la connaissons. En fait, les quatre fenêtres astrophysiques jouent un rôle important dans son développement. Les planètes, la plus petite fenêtre de l'astronomie, abritent la vie. Ils fournissent des "boîtes de Pétri" dans lesquelles la vie peut surgir 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, bien que ce ne soit pas si évident. Sans l'influence contraignante des galaxies, les éléments lourds produits par les étoiles seraient dispersés dans tout l'univers. Ces éléments lourds sont les blocs de construction essentiels qui composent les planètes et 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 se disperser. Par la suite, ce gaz précédemment traité est inclus dans les futures générations d'étoiles, de planètes et de personnes. Ainsi, l'attraction gravitationnelle des galaxies offre une accessibilité facile aux éléments lourds pour les générations d'étoiles suivantes 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 bien que nous n'ayons rien qui ressemble même de loin à une compréhension complète de la vie et de son évolution, une exigence de base est relativement certaine : cela prend beaucoup de temps. L'émergence de l'homme a pris environ quatre milliards d'années sur notre planète, et nous sommes prêts à parier que dans tous les cas, au moins un milliard d'années doit s'écouler pour l'émergence de la vie intelligente. Il faudrait donc que l'univers dans son ensemble vive des milliards d'années pour permettre à la vie d'évoluer, du moins dans le cas d'une biologie qui ressemble 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 vital. Il fait partie de deux des trois atomes d'eau, H 2 O, un composant important de la vie sur notre planète. Considérant le vaste ensemble d'univers possibles et leurs propriétés possibles, nous remarquons qu'à la suite de la nucléosynthèse primordiale, tout l'hydrogène pourrait être transformé en hélium et même en éléments plus lourds. Ou l'univers aurait pu s'étendre si vite que les protons et les électrons ne se sont jamais rencontrés pour former des atomes d'hydrogène. Quoi qu'il en soit, l'Univers aurait pu se terminer sans créer les 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 en effet les caractéristiques nécessaires qui permettent notre existence. Compte tenu des lois de la physique, déterminées par les valeurs des constantes physiques, les grandeurs des forces fondamentales et les masses des particules élémentaires, notre Univers crée naturellement des galaxies, des étoiles, des planètes et de la vie. Si les lois physiques avaient une forme légèrement différente, notre univers pourrait être complètement inhabitable et extrêmement pauvre astronomiquement.

Illustrons un peu plus en détail la nécessaire mise au point de notre Univers. Les galaxies, l'un des objets astrophysiques nécessaires à la vie, se forment lorsque la gravité prend le dessus sur l'expansion de l'univers et provoque la contraction de régions locales. Si la force de gravité était beaucoup plus faible ou le taux d'expansion cosmologique beaucoup plus rapide, alors il n'y aurait plus une seule galaxie dans l'espace. L'univers continuerait à se dissiper, mais ne contiendrait pas une seule structure gravitationnellement liée, du moins à ce stade de l'histoire du cosmos. D'autre part, si la force gravitationnelle avait une valeur beaucoup plus grande ou si le taux d'expansion du cosmos aurait été beaucoup plus faible, alors l'Univers entier s'effondrerait à nouveau dans un 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 subtil entre la force de gravité et le taux d'expansion. Et notre Univers a réalisé un tel compromis.

Comme pour les étoiles, la mise au point requise de la théorie physique est associée à des conditions encore plus strictes. Les réactions de fusion qui se produisent dans les étoiles jouent deux rôles clés nécessaires à l'évolution de la vie : la production d'énergie et la production d'éléments lourds tels que le carbone et l'oxygène. Pour que les étoiles jouent leur rôle, 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 être fourni par la physique nucléaire. Les réactions de fusion et la structure nucléaire dépendent de l'ampleur de l'interaction forte. Les noyaux atomiques existent en tant que structures liées car la force forte est capable de maintenir les protons proches les uns des autres, même si la répulsion électrique des protons chargés positivement tend à déchirer le noyau. Si la force forte était un peu plus faible, il n'y aurait tout simplement pas de noyaux lourds. Alors il n'y aurait pas de carbone dans l'Univers, et, par conséquent, aucune forme de vie basée sur le carbone. D'autre part, si la force nucléaire forte était encore plus forte, alors deux protons pourraient se combiner en paires appelées diprotons. Dans ce cas, la force forte serait si forte que tous les protons de l'univers se combineraient en diprotons ou même en structures nucléaires plus grandes, et il ne resterait tout simplement plus d'hydrogène ordinaire. En l'absence d'hydrogène, il n'y aurait pas d'eau dans l'univers, et donc pas de formes de vie connues de nous. Heureusement pour nous, notre univers a juste la bonne quantité de force forte 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 très différente, cela affecterait considérablement l'évolution stellaire. Si l'interaction faible était beaucoup plus forte, par exemple, par rapport à l'interaction forte, 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 a un certain retard dans ce domaine en raison de la gamme de masses stellaires - les petites étoiles vivent plus longtemps et peuvent être utilisées pour conduire l'évolution biologique au lieu de notre Soleil. Or, la pression du gaz dégénéré (issu de la mécanique quantique) empêche les étoiles de brûler de l'hydrogène dès que leur masse devient trop petite. Ainsi, même l'espérance de vie des étoiles les plus anciennes serait sérieusement réduite. Dès que la durée de vie maximale d'une étoile tombe sous la barre du milliard d'années, le développement de la vie est immédiatement menacé. La valeur réelle de l'interaction faible est des millions de fois inférieure à celle de la forte, grâce à laquelle le Soleil brûle son hydrogène lentement et naturellement, ce qui est nécessaire à l'évolution de la vie sur Terre.

Ensuite, considérons les planètes - les plus petits objets astrophysiques nécessaires à la vie. La formation des planètes impose à l'Univers de produire des éléments lourds et, par conséquent, les mêmes contraintes nucléaires déjà décrites ci-dessus. De plus, l'existence des planètes exige 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'il ne l'est maintenant, 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 chaud, 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 dès 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 conduirait à 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 ou éjecter complètement la Terre du système solaire. Dans tous les cas, un tel cataclysme signifierait la fin de la vie. Heureusement, dans notre galaxie, le temps estimé pour que notre système solaire survive à une collision modifiant sa trajectoire dépasse de loin le temps nécessaire à la vie pour se développer.

Nous voyons que l'Univers à vie longue, qui contient des galaxies, des étoiles et des planètes, nécessite un ensemble assez spécial de constantes fondamentales qui déterminent les valeurs des forces principales. Cette mise au point nécessaire soulève donc une question fondamentale : pourquoi notre univers a-t-il ces propriétés spécifiques qui donnent finalement naissance à la vie ? Car le fait que les lois physiques soient telles qu'elles permettent notre existence est une coïncidence vraiment remarquable. Il semble que l'Univers était au courant de notre apparition imminente. Bien sûr, si les conditions étaient quelque peu différentes, 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 pas.

Comprendre que Pourquoi lois physiques telles qu'elles sont, nous amène à la limite du développement de la science moderne. Des explications préliminaires ont déjà été avancées, mais la question reste encore ouverte. Depuis le vingtième siècle, la science a fourni une bonne compréhension pratique de Quel sont nos lois de la physique, nous pouvons espérer que la science du XXIe siècle nous permettra de comprendre ce que Pourquoi les lois physiques sont juste comme ça. Quelques indices dans ce sens commencent déjà à émerger, comme nous le verrons dans un instant.

Complexité éternelle

Cette coïncidence apparente (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 des innombrables autres univers. En d'autres termes, notre univers n'est qu'une petite partie multivers- un vaste ensemble d'univers, dont chacun a ses propres versions des lois de la physique. Dans ce cas, la totalité des univers mettrait en œuvre toutes les nombreuses variantes possibles des lois de la physique. La vie, cependant, ne se développera que dans ces univers particuliers qui ont la bonne version des lois physiques. Alors le fait que nous vivions dans l'Univers avec les propriétés nécessaires à la vie devient évident.

Clarifions la différence entre "autres univers" et "autres parties" de notre univers. La géométrie à grande échelle de l'espace-temps peut être très complexe. À l'heure actuelle, nous vivons dans un morceau homogène de l'univers, dont le diamètre 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 moment donné. Au fur et à mesure que l'univers se déplace dans le futur, la zone d'espace-temps qui peut nous affecter augmentera. En ce sens, à mesure que nous vieillissons, notre univers contiendra plus d'espace-temps. Cependant, il peut y avoir d'autres régions de l'espace-temps qui jamais ne sera pas dans une relation causale avec notre partie de l'Univers, peu importe combien de temps nous attendons et quel que soit l'âge de notre Univers. Ces autres domaines grandissent et évoluent tout à fait indépendamment des événements physiques qui se déroulent dans notre univers. De telles régions appartiennent à d'autres univers.

Une fois que nous admettons la possibilité d'autres univers, l'ensemble des coïncidences qui existe dans notre univers semble beaucoup plus agréable. Mais ce concept de l'existence d'autres univers a-t-il vraiment un tel sens ? Est-il possible d'accueillir naturellement plusieurs univers dans la théorie du Big Bang, par exemple, ou du moins ses extensions raisonnables ? Étonnamment, la réponse est un oui retentissant.

Andrey Linde, un éminent cosmologiste russe actuellement à Stanford, a introduit la notion 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 inflationniste d'expansion. Selon ce scénario, l'écume de l'espace-temps, par le mécanisme de l'inflation, crée continuellement de nouveaux univers (comme déjà discuté dans le premier chapitre). Certaines de ces régions en expansion inflationniste évolueront vers des univers intéressants comme notre propre tranche locale d'espace-temps. Ils ont des lois physiques régissant la formation des galaxies, des étoiles et des planètes. Certains de ces domaines peuvent même développer une vie intelligente.

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

Cette image de l'évolution cosmique élude parfaitement l'une des questions les plus troublantes qui se soit posée dans la cosmologie du XXe siècle : si l'univers a commencé dans un big bang il y a à peine dix milliards d'années, que s'est-il passé avant ce big bang ? Cette question difficile de « ce qui était quand il n'y avait encore rien » sert de frontière entre la science et la philosophie, entre la physique et la métaphysique. Nous pouvons extrapoler la loi physique à l'époque où l'univers n'était que de 10 à 43 secondes, bien qu'à mesure que nous approchons de ce point, l'incertitude de nos connaissances augmentera et les époques antérieures sont généralement inaccessibles aux méthodes scientifiques modernes. Cependant, la science ne s'arrête pas là et certains progrès commencent déjà à apparaître dans ce domaine. Dans le contexte plus large fourni par 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, il y a une dizaine de milliards d'années, est né notre propre Univers, qui continue d'évoluer aujourd'hui. De même, d'autres univers naissent constamment, et ce processus peut se poursuivre indéfiniment. Certes, cette réponse reste un peu floue et peut-être quelque 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 obtenons le 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, notre univers n'a pas de place particulière dans le gigantesque mélange cosmique d'univers qui composent le multivers.

Vision darwinienne des univers

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 uniforme. De telles conditions initiales étaient nécessaires pour que l'univers évolue vers sa forme actuelle. Cependant, à mesure que l'Univers évolue, à la suite de processus galactiques et stellaires, des trous noirs se forment, pénétrant l'espace-temps avec leurs singularités internes. Ainsi, les trous noirs créent ce que l'on peut considérer comme des trous dans l'espace-temps. En principe, ces singularités pourraient également fournir un lien vers d'autres univers. Il peut aussi arriver que de nouveaux univers naissent dans la singularité d'un trou noir - les univers enfants dont nous avons parlé au chapitre 5. Dans ce cas, notre univers peut donner naissance à un nouvel univers relié au nôtre par un trou noir.

Si cette chaîne de raisonnement est suivie jusqu'à sa fin logique, un scénario extrêmement intéressant de l'évolution des univers dans le multivers se présente. Si les univers peuvent donner naissance à de nouveaux univers, alors les concepts d'hérédité, de mutation et même de sélection naturelle peuvent 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 des 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. Au fur et à mesure qu'ils évoluent, ces autres univers perdent généralement leur causalité à partir de notre propre univers. Cependant, ces nouveaux univers restent connectés au nôtre par une singularité située au centre du trou noir. - Supposons maintenant que les lois de la physique dans ces nouveaux univers soient similaires aux lois de la physique dans notre univers, mais pas absolument. En pratique, cette affirmation signifie que les constantes physiques, les forces 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 parent, mais ces lois peuvent être légèrement différentes, ce qui est très similaire aux mutations génétiques lors de la reproduction de la flore et de la faune de la Terre. Dans ce cadre cosmologique, la croissance et le comportement du nouvel univers ressembleront, mais pas exactement, à l'évolution de l'univers parent d'origine. Ainsi, cette image de l'hérédité des univers est complètement analogue à l'image des formes biologiques de la vie.

Avec l'hérédité et la mutation, cet écosystème d'univers acquiert la passionnante possibilité 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. Parce que les trous noirs sont créés par la formation et la mort d'étoiles et de galaxies, ces univers réussis doivent contenir un grand nombre d'étoiles et de galaxies. De plus, la formation de trous noirs prend beaucoup de temps. Les galaxies de notre univers se forment de l'ordre d'un milliard d'années ; les étoiles massives vivent et meurent dans des périodes plus courtes de 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 des étoiles, des galaxies et une longue durée de vie, l'univers pourrait bien permettre à la vie d'évoluer. En d'autres termes, les univers réussis ont automatiquement presque les bonnes caractéristiques pour l'émergence de formes de vie biologiques.

L'évolution d'un ensemble complexe d'univers dans son ensemble est similaire à 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 "enfants" astronomiques héritent des univers mères de divers types de lois physiques avec des modifications mineures. Ces mutations qui conduisent à la formation d'encore plus de trous noirs conduisent à la production de plus "d'enfants". Au fur et à mesure que cet écosystème d'univers évolue, les univers sont le plus souvent rencontrés, formant un nombre incroyable de trous noirs, d'étoiles et de galaxies. Ces mêmes univers ont les plus grandes chances pour l'origine de la vie. Notre univers, pour une raison quelconque, possède exactement les caractéristiques qui permettent de vivre longtemps et de former de nombreuses étoiles et galaxies : selon ce vaste schéma darwinien, notre propre univers est réussi. Vu sous cet angle élargi, notre univers n'est ni inhabituel ni finement réglé ; c'est plutôt l'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 devant vous, nous avons retracé l'évolution de l'univers depuis son début scintillant et singulier, à travers les cieux chauds et familiers des temps modernes, à travers d'étranges déserts gelés, jusqu'à la destruction finale éventuelle dans les ténèbres éternelles. Lorsque nous essayons de scruter encore plus profondément dans l'abîme obscur, nos capacités de prédiction se détériorent considérablement. Par conséquent, nos voyages hypothétiques à travers l'espace-temps doivent se terminer, ou du moins devenir horriblement incomplets, à une époque future. Dans ce livre, nous avons construit une échelle de temps couvrant des centaines de décennies cosmologiques. Certains lecteurs auront sans doute le sentiment que nous sommes allés trop loin dans notre histoire, 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.

D'une chose nous pouvons être sûrs. Sur son chemin vers les ténèbres du futur, l'Univers montre une merveilleuse combinaison de fugacité et d'immuabilité, étroitement liées. Et tandis que 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 la façon dont nous regardons les plus grandes échelles. Parce que l'univers change constamment, nous devons essayer de comprendre l'époque cosmologique actuelle, l'année en cours et même aujourd'hui. Chaque instant de l'histoire qui se déroule dans le cosmos offre une opportunité unique, une chance d'atteindre la grandeur, une aventure à vivre. Selon le principe temporel de Copernic, chaque ère future regorge de nouvelles opportunités.

Cependant, il ne suffit pas de faire une affirmation passive sur le caractère inévitable des événements et "sans s'affliger, laissez arriver ce qui doit arriver". Un passage souvent attribué à Huxley dit que "si six singes sont placés derrière des machines à écrire et autorisés à taper ce qu'ils veulent pendant des millions d'années, avec le temps, ils écriront tous les livres qui se trouvent au British Museum". Ces singes imaginaires ont longtemps été cités en exemple chaque fois qu'une pensée obscure ou insoutenable est évoquée, comme une confirmation d'événements improbables, ou même comme un euphémisme implicite des grandes réalisations des mains humaines, avec l'allusion qu'ils ne sont rien de plus qu'un coup de chance parmi les nombreux échecs. Après tout, si quelque chose peut arriver, cela arrivera certainement, n'est-ce pas ?

Cependant, même notre compréhension de l'avenir du cosmos, qui en est encore à ses balbutiements, révèle la pure absurdité de cette vision. Un simple calcul suggère qu'il faudrait à des singes choisis au hasard près d'un demi-million de décennies cosmologiques (beaucoup plus d'années que le nombre de protons dans l'univers) pour créer au hasard un seul livre.

L'univers est destiné à changer complètement de caractère, et plus d'une fois, avant que ces mêmes singes ne commencent au moins 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 une géante rouge, brûlera la Terre, et avec elle 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 aura perdu son intégrité, et les singes auront une chance très réelle d'être avalés 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 la fin de quarante décennies cosmologiques : encore une fois, bien avant que leur travail herculéen ne soit même allé assez loin. Mais même si les singes pouvaient survivre à cette catastrophe et continuer 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 avaient survécu à cette catastrophe et auraient survécu, disons, jusqu'à la cent cinquantième décennie cosmologique, ils n'auraient obtenu que l'opportunité de faire face au danger ultime de la transition de phase cosmologique.

Et bien que d'ici la cent cinquantième décennie cosmologique du singe, les machines à écrire et les feuilles imprimées soient détruites plus d'une fois, le temps lui-même, bien sûr, ne se terminera pas. En regardant dans les ténèbres du futur, nous sommes plus limités par un manque d'imagination et peut-être une insuffisance de compréhension physique que par un très petit ensemble de détails. Les niveaux d'énergie inférieurs 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 un avenir incertain avec optimisme. Et bien que notre monde confortable soit destiné à disparaître, un grand nombre des événements physiques, astronomiques, biologiques et peut-être même intellectuels les plus intéressants attendent toujours dans les coulisses, alors que notre Univers continue son chemin vers les ténèbres éternelles.

Capsule espace-temps

Plusieurs fois au cours de cette biographie de l'univers, nous avons rencontré la possibilité d'envoyer des signaux vers d'autres univers. Si nous pouvions, par exemple, créer un univers en laboratoire, un signal crypté pourrait lui être transmis avant qu'il ne perde son lien causal avec notre propre univers. Mais si vous pouviez envoyer un tel message, qu'écririez-vous dedans ?

Peut-être aimeriez-vous 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. Alors que chacun aurait sa propre opinion à ce sujet, nous agirions très malhonnêtement si nous ne faisions pas au moins une proposition pour archiver une partie de notre culture. A 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 importants pourraient figurer les suivants :

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

À courte distance, les particules présentent les propriétés d'une onde.

La nature est gouvernée 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 d'énergie inférieure et de désordre croissant.

Ces six points, dont le rôle universel devrait maintenant 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 jusqu'à présent. Mais si ces concepts sont des trésors, alors la méthode scientifique doit sans doute être considérée comme leur couronnement. S'il existe une méthode scientifique, alors 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 réalisations intellectuelles de notre culture, alors le message le plus valable serait la méthode scientifique.

Cependant, les équations de la théorie de la relativité permettent également une autre possibilité - la compression. Est-il important que l'univers soit en expansion et ne se contracte pas ?

Supposons que notre L'univers se rétrécit. Qu'est-ce qui va changer dans ce cas 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, émettant en moyenne approximativement la même quantité de lumière, alors, qu'ils soient regroupés dans une galaxie ou non, ils couvriraient toute la sphère céleste avec leurs disques. Après tout, l'univers est composé de plusieurs milliards d'étoiles, et partout où nous dirigeons notre regard, il se heurtera presque certainement, tôt ou tard, à 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. Du ciel, un flux de lumière aveuglant et chaud tomberait sur nous, correspondant à une température d'environ 6 000 degrés, 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 ici?

Ce n'est que dans la théorie de l'expansion de l'Univers que le paradoxe photométrique est automatiquement éliminé. Lorsque les galaxies s'éloignent, leurs spectres sont décalés vers le rouge. En conséquence, la fréquence, et donc l'énergie de chaque photon, diminue. Après tout, le redshift 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 recul conduit au fait que chaque photon suivant est obligé de parcourir un chemin légèrement plus long que le précédent. De ce fait, les photons pénètrent moins souvent dans le récepteur qu'ils ne sont émis par la source. Par conséquent, le nombre de photons arrivant par unité de temps diminue également. Cela conduit également à une diminution de la quantité d'énergie provenant par unité de temps. C'est pourquoi le ciel nocturne reste noir.

Par conséquent, si nous imaginons que l'Univers se rétrécit 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 éblouissant et chaud tomberait sur nous, correspondant à une température très élevée.

Dans de telles conditions sur Terre, la vie ne pourrait probablement pas exister. Cela signifie que ce n'est en aucun cas par hasard que nous vivons dans un univers en expansion.

Supposons que nous vivions dans un univers sans fin. Avec un temps infini, tout ce qui peut arriver arrivera avec une probabilité de 100% (selon la théorie de Poincaré). Le même paradoxe se produira si vous vivez éternellement. Vous vivez indéfiniment, 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 confondu de nombreux calculs qui tentaient de prédire la fin de notre univers, les scientifiques ont suggéré autre chose : le temps lui-même doit un jour s'arrêter.

Disons que vous êtes en vie pour en faire l'expérience (des milliards d'années après la fin de la Terre), mais vous ne pourrez pas comprendre que quelque chose s'est mal passé. Le temps s'arrêtera simplement et tout se figera, comme un instantané, comme un moule, pour toujours. Mais ce ne sera pas pour toujours non plus, car le temps n'avancera tout simplement pas. Ce ne sera qu'un moment dans le temps. Vous ne mourrez jamais ni ne vieillirez. C'est une sorte de pseudo-immortalité, mais vous ne le saurez jamais.

Grand 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 contraction pourrait être suffisante pour déclencher une autre explosion et l'univers recommencerait. Rien n'est détruit, mais redistribué.

Les physiciens n'aiment pas cette explication, alors 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 Rebound est très similaire au Big Bang à cet égard et pourrait théoriquement donner naissance à un nouvel univers. Dans ce cycle oscillant, notre univers pourrait être le premier univers de la série, ou le 400e. Personne ne le saura.

Grand écart

Quelle que soit la fin des choses, 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'accélérerait tellement comme l'Enterprise avec un facteur de distorsion de neuf que l'univers n'aurait plus rien d'autre à faire que d'exploser dans le néant.

La partie la plus effrayante de cette théorie est que 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 peut la brûler vive, l'arracher à tout et la nourrir des lions cosmiques qui vivent entre les univers. On ne sait pas ce qui va se passer. Mais cette mort est nettement plus brutale que la mort lente par la chaleur.

Événement de métastabilité sous vide

Cette théorie repose sur l'idée que l'univers existe dans un état fondamentalement instable. Si vous regardez 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 qu'après des milliards d'années, l'univers tombera simplement de ce bord. Lorsque cela se produit, à un moment donné, une bulle apparaît dans l'univers. Cette bulle se dilatera dans toutes les directions à la vitesse de la lumière et détruira tout ce qu'elle touchera. 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 une autre vie. Mais il n'y aura rien dans l'univers que nous ne puissions comprendre.

Barrière horaire

Si nous essayons de calculer les probabilités dans le multivers (qui a un nombre infini d'univers), nous revenons au problème mentionné ci-dessus : tout peut arriver avec 100 % de probabilité. Pour contourner ce problème, les scientifiques prennent simplement une section de l'univers et en calculent les probabilités. Cela fonctionne, mais les frontières qu'ils tracent coupent inévitablement le site du reste du monde.

Puisque les lois de la physique n'ont pas de sens dans un univers infini, la seule conclusion qui peut être tirée est qu'il existe une limite physique, une limite qui ne peut être dépassée. Et selon les physiciens, dans les 3,7 milliards d'années à venir, nous traverserons cette barrière temporelle, et pour nous, l'univers prendra fin. 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)

Selon le scénario du multivers avec un nombre infini d'univers, ces univers peuvent surgir même au cours de notre existence. Ils pourraient commencer à émerger même avec le Big Bang. Un univers se retrouvera avec un Big Crunch, un autre avec un heat death, un troisième avec un Big Rip, et ainsi de suite. Mais peu importe : 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 grand « univers » restera. Et puisqu'il y aura un autre univers et 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 était, est et sera toujours. C'est l'un des premiers concepts que les gens ont créés sur la nature de l'univers, mais récemment cette théorie a reçu un nouvel élan, déjà sérieusement renforcé 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 pourrait exister plus tôt (l'infini avant), et la singularité et l'explosion qui en résulte pourraient être le résultat d'une collision de deux branes (structures spatio-temporelles d'un niveau d'être supérieur). Dans ce modèle, l'univers est cyclique et continuera de s'étendre et de se contracter indéfiniment.

Soit dit en passant, nous pourrons le découvrir dans les 20 prochaines années - nous avons exploré l'espace à la recherche de motifs de fond micro-ondes qui nous diront quelque chose sur l'origine de l'univers. C'est un long processus, mais il nous fournira des connaissances sur la façon dont notre univers a commencé, et peut-être nous dira-t-il comment il se terminera.

EXPANSION OU COMPRESSION DE L'UNIVERS ?!

L'éloignement des galaxies les unes des autres s'explique actuellement par l'expansion de l'Univers, qui a commencé en raison du soi-disant "Big Bang".

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

1. Les galaxies tournent autour du centre de la métagalaxie, faisant une révolution autour du centre de la métagalaxie en 100 trillions d'années.

Par conséquent, la métagalaxie est une 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 permis 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, sur la base 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 une augmentation de la masse de 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 qualifié à tort d'expansion de l'Univers.

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

L'univers n'est pas en expansion, mais plutôt en spirale ou en contraction.

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

Lorsque les galaxies tournent autour du centre de la métagalaxie sur une orbite inférieure, la vitesse du 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.

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

Au stade initial de l'apparition de la torsion cosmique, celle-ci doit être à l'état de trou noir (voir Chap. 3.1). Pendant cette période, la torsion cosmique maximise sa masse relative. Par conséquent, l'amplitude et le vecteur vitesse de cette torsion (BH) présentent également des variations maximales. Autrement dit, les trous noirs ont un caractère de mouvement qui ne correspond pas de manière significative au mouvement des corps cosmiques voisins.

Un trou noir vient d'être découvert 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, le système (l'Univers), laissé à lui-même (après l'explosion) se transforme en chaos et en désordre.

En fait, l'harmonie et l'ordre observés dans l'univers sont contraires à cette loi,

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

La rotation générale dans l'espace extra-atmosphérique 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 spatiaux obtenus à partir de l'explosion. Par conséquent, la source du mouvement de tous les objets spatiaux ne peut pas être une explosion.

• - Comment d'énormes vides intergalactiques ont-ils pu se former dans l'espace après le « Big Bang » ?!
• - selon le modèle généralement accepté de Friedman, la cause du "Big Bang" était la compression de l'univers à la taille du système solaire. À la suite de ce compactage trop géant de matière cosmique, le "Big Bang" s'est produit.

Les partisans de l'idée du Big Bang sont silencieux sur l'absurdité évidente de cette hypothèse - comment l'Univers infini pourrait-il se rétrécir et s'adapter à un volume limité égal à la taille du système solaire ! ?

Nous traitons quotidiennement la compression sous une forme ou une autre. Lorsque nous pressons l'eau d'une éponge, nous emballons une valise avant les vacances, en essayant de remplir tout l'espace vide avec les choses nécessaires, nous compressons les fichiers avant de les envoyer par e-mail. 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 l'espace principal. Et pourtant, il est extrêmement surprenant de voir à quel point cette affirmation est vraie ! Lorsque le Dr Caleb A. Scharf de l'Université de Columbia (États-Unis) écrivait son nouveau livre "Zoomable Universe", il, de son propre aveu, prévoyait de l'utiliser pour un effet dramatique.

Et si nous pouvions en quelque sorte collecter toutes les étoiles de la Voie lactée et les empiler les unes à côté des autres comme des pommes bien emballées dans une grande boîte ? Bien sûr, la nature ne permettra jamais à une personne de maîtriser la gravité, et les étoiles fusionneront très probablement en un 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. En supposant qu'il pourrait y avoir environ 200 milliards d'étoiles dans la Voie lactée, et 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 assembler en un cube dont la longueur des faces correspond à deux distances de Neptune au Soleil.

« Il y a énormément d'espace vide dans l'espace. Et cela m'amène au prochain niveau de folie », écrit le Dr Scharf. Selon l'univers observable, défini par l'horizon cosmique du mouvement de la lumière depuis le Big Bang, les estimations actuelles suggèrent qu'il existerait entre 200 milliards et 2 trillions de galaxies. Bien que ce grand nombre comprenne toutes les petites "proto-galaxies" qui finiront par fusionner en grandes galaxies.

Soyons audacieux et prenons le plus grand nombre d'entre eux, puis emballons toutes les étoiles dans toutes ces galaxies. Pour être incroyablement généreux, supposons qu'ils aient tous la taille de la Voie lactée (bien que la plupart soient en fait beaucoup plus petits que notre galaxie). Nous obtiendrons 2 billions de cubes dont les faces mesureront 10 13 mètres. Placez ces cubes dans un cube plus grand et nous nous retrouvons avec un mégacube d'une longueur de côté d'environ 1017 mètres.

Assez gros, non ? Mais pas à l'échelle cosmique. Le diamètre de la Voie lactée est d'environ 1021 mètres, donc un cube de 1017 mètres n'occupe encore que 1/10 000 de la taille de la Galaxie. En fait, 10 17 mètres équivaut à environ 10 années-lumière !

Naturellement, ce n'est qu'une petite astuce. Mais cela indique effectivement à quel point le volume de l'univers réellement occupé par la matière dense est petit par rapport au vide de l'espace, magnifiquement décrit par Douglas Adams : « Le cosmos est grand. Vraiment gros. Vous ne croirez tout simplement pas à quel point le cosmos est vaste, vaste, à couper le souffle. Voici ce que nous voulons dire : vous pourriez penser que le restaurant le plus proche est loin, mais dans l'espace, cela ne signifie rien. ("Le Guide du voyageur galactique").