ÉNERGIE ET MATIÈRE NOIRES

• Après avoir donné le big bang, la création d'un point de plus à chaque instant donne « l'énergie noire ».
• Quant à la matière connue, elle ne représente que 4 % de la masse universelle. Les 96 % restants sont « noirs », inconnus.

Autant dire que nous avons encore beaucoup de choses à découvrir.

 

« La petite histoire veut que quand quelqu'un venait trouver Niels Bohr avec une idée révolutionnaire visant à résoudre l'une des énigme de la théorie quantique dans les années vingt, il répliquait : "Votre théorie est folle, mais elle ne l'est pas assez pour être vraie". »
(John Gribbin, Le chat de Schrödinger, Le Rocher, 1988)

 

Des géométries pseudos euclidiennes

L'unité 1 de densité oméga de matière dans l'univers correspond à l'équilibre entre d'une part l'attraction gravitationnelle universelle et d'autre part l'énergie cinétique d'expansion universelle. Avec une densité inférieure ou égale à 1, l'expansion continue indéfiniment. Avec une densité supérieure à 1, l'univers se comporte comme une pierre lancée en l'air, « rattrapée » par la gravitation : l'expansion ralentit, stoppe, s'inverse et tout finit par s'écraser en un « big crunch ».

Alors que va-t-il advenir ? Le fond de rayonnement thermique dans lequel baigne l'univers donne des indications sur ce qui se trame, sur ce que l'avenir de l'univers nous réserve.

Après le satellite COBE en 1992, les ballons stratosphériques Boomerang en 1998, Maxima en 2000 et Archeops en 2001, les images de ce fond, captées par la sonde WMAP en 2003, ont constitué par leur précision et leur vaste champ une avancée supplémentaire. Les scientifiques disposent ainsi d'informations de plus en plus fines, depuis la découverte du fond en 1965.

Pourquoi ce fond est-il porteur d'un message ? D'où provient-il ?

Quelque 380 000 ans après le big bang, matière et photons se découplent dans une incandescence générale. À ce moment, la température des régions les plus denses décroît moins vite que celle des moins denses. Un bain cosmique de photons de grande énergie porte ainsi la trace des inhomogénéités primordiales, qui en se condensant, constituent ensuite progressivement les premières galaxies. Puis ce fond se dilue dans l'expansion universelle et il se refroidit.

 

Le rayonnement de fond du ciel
(Document : NASA/WMAP Science Team)

De faibles variations d'intensité, dans ce fond de photons, se présentent typiquement avec un angle (une hauteur ou une largeur apparentes) de un degré. Ces fluctuations correspondent à la distance maximale parcourue par la lumière, lors de la création du fond, dans le cadre d'un univers euclidien, dont l'oméga est très proche de (ou est égal à) 1. Un espace avec une courbure positive (sphérique, la somme des angles d'un triangle est supérieure à 180°) ferait converger les rayons lumineux et un effet de loupe grossirait les taches. Tandis qu'un espace avec une courbure négative (hyperbolique, la somme des angles d'un triangle est inférieure à 180°) ferait diverger les rayons et rapetisserait les taches.

L'observation du fond fossile de rayonnement thermique indique ainsi que la géométrie de l'univers est (ou est presque) euclidienne. C'est-à-dire qu'elle se situe (ou se situe presque) au point d'équilibre entre un univers tôt ou tard en voie d'effondrement sur lui-même, et un univers « hyperbolique » dont l'étendue augmente indéfiniment.

 

Cette particule absolue est équivalente à deux particules relatives :
tout dépend du point de vue adopté

Souvenons-nous maintenant de ce qui se passe quand une observatrice située « dans » une boucle spatiale unidimensionnelle regarde au dessus d'elle. La lumière suit la courbure de l'espace et l'observatrice voit une deuxième particule au bout d'un espace apparemment droit. Dans ces conditions, la « platitude » globale de notre univers « vu de l'intérieur » n'est pas vraiment surprenante. Que notre regard suive une seule, ou un nombre astronomique de boucles spatiales, le résultat est le même : l'espace nous semble globalement euclidien.

Cette « platitude » spatiale dans le relatif est une propriété intrinsèque de la courbure spatiale dans l'absolu. Une équivalence existe ainsi entre espaces « plats » et « courbes » : un espace unidimensionnel est « plat » quand il est considéré « de l'intérieur » et il est « courbe » quand il est considéré « de l'extérieur ». Ce qui n'enlève rien à l'existence de distorsions spatiales locales, quand la gravitation courbe l'espace-temps, par exemple. Mais la gravitation courbe un espace tridimensionnel : les effets de la courbure spatiale sont alors en partie différents de ceux dus à la courbure d'un espace unidimensionnel.

Le nombre de dimensions constitutives d'un espace est lui aussi relatif. Deux espaces 3D comportant chacun une dimension que l'autre ne possède pas se « voient » comme des espaces 2D parce qu'ils ne peuvent pas voir la dimension qu'ils ne possèdent pas. S'ils « voyaient » globalement un espace quadridimensionnel, ils le « verraient » en effet situé « dans » le néant, là où, en l'absence d'espace entre eux, les points sont tous en contact entre eux, là où tout est ratatiné. Par contre n'importe quel espace 1D, ou 2D, ou 3D, se situe « ailleurs » que « dans » le néant, même si c'est dans un espace 4D ratatiné. De tels espaces peuvent donc posséder dans le relatif une géométrie qui ne soit pas en effondrement total. Considérées en pensée comme des composantes de l'espace 4D ratatiné, chacune de ces géométries au plus tridimensionnelles apparaît néanmoins terriblement chiffonnée. Mais vues « de l'intérieur », elles apparaissent globalement euclidiennes parce qu'elles sont fondamentalement unidimensionnelles.

 

L'allongement tendanciel des liens spatiaux se cumule avec la distance

• Soit un diagramme cartésien avec l'espace en abscisse et le temps en ordonnée. Un parcours de un centimètre de plus à chaque seconde de plus donne une diagonale rectiligne, linéaire. Or, dans l'absolu, l'espace-temps gagne un point de plus à chaque instant de plus : la dilatation de l'espace-temps est de la même façon linéaire. Le dernier point créé allonge l'espace-temps à une vitesse constante, égale à celle de la lumière dans le vide.
• Mais dans le relatif, ce point de plus à chaque instant de plus se dédouble 2# - 1 fois. C'est-à-dire que l'espace-temps relatif s'incrémente à chaque instant d'un ensemble de {2# - 1} dédoublements du dernier point créé. Dans le relatif, la dilatation totale de l'espace-temps est donc elle aussi linéaire, mais 2# - 1 fois plus rapide que dans l'absolu.

Imaginons un genre d'élastique qui s'étire spontanément de un centimètre toutes les minutes. En une minute la longueur d'un élastique isolé n'augmente évidemment que de un centimètre. Tandis que la longueur d'une chaîne de cinq de ces élastiques, disposés bout à bout, augmente de cinq centimètres. Dans le même temps, une chaîne de 100 000 élastiques s'allongerait quant à elle de un kilomètre. Un tel effet spatial cumulatif crée l'expansion universelle relative. Selon la taille de l'horizon considéré, l'expansion moyenne va de zéro point de plus à chaque instant de plus, à 2# - 1 points de plus à chaque instant de plus. Plus un volume quelconque d'espace est grand, plus nécessairement il compte un nombre moyen élevé de liens spatiaux qui s'allongent, plus il tend à se dilater vite.

La vitesse d'expansion relative de l'espace augmente ainsi linéairement avec l'augmentation de l'échelle considérée. La « récession des galaxies », comme celle des amas et des superamas, suit la loi de Hubble : les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse relative proportionnelle à leurs distances respectives - soit environ 70 km.s^-1.Mpc. Cette expansion est imperceptible en dessous des échelles des galaxies : la gravitation « l'écrase » et les objets « retombent » en permanence les uns sur les autres. Par contre, elle devient prépondérante à l'échelle des amas et aux échelles supérieures.

Mais un point de plus se crée à chaque instant de plus : les boucles spatiales s'allongent tendanciellement, ce qui rend tendanciellement leur fractionnement de plus en plus probable, donc l'augmentation de leur nombre #. Non seulement le volume de l'univers augmente avec le temps, mais en plus la vitesse de récession des galaxies tend elle aussi à augmenter avec le temps.

Ce que confirme l'observation. Des explosions d'étoiles en fin de vie, les supernovæ, possèdent une luminosité intrinsèque connue, ce qui permet une estimation de la distance qui les sépare de nous. À la lueur lointaine de ces explosions, il semble que l'expansion de l'univers s'accélère avec le temps. La « constante » de Hubble est en fait une variable qui augmente au fil de l'histoire de l'univers.

Cette « énergie noire » crée la deuxième inflation (après celle qui a suivi le big bang).

• Une dilatation générale de l'espace

Aux confins de l'univers visible l'espace se dilate de telle sorte qu'il emporte les amas à des vitesses qui semblent atteindre la vitesse de la lumière. Pour qu'un objet massif atteigne la vitesse de la lumière il lui faudrait une énergie infinie. Mais là, nul besoin d'énergie infinie puisque qu'aucune inertie n'est à vaincre : il ne s'agit pas d'un déplacement dans l'espace, mais d'une dilatation générale de l'espace.

• Aucun « centre de l'univers » n'existe

Le centre de l'univers est partout là où il y a une particule relative. L'expansion universelle s'opère autour de chaque particule relative : il n'existe pas de « centre universel » privilégié. Notre perception de l'expansion de l'univers est universellement banale. L'univers « n'explose » pas et les galaxies ne sont pas des « projectiles » : leur mouvement de fuite ne provient que de la dilatation générale de l'espace cosmique.

 

L'univers visible se distingue de l'univers actuel

La vitesse de un point par instant est une limite infranchissable dans l'absolu. Le relatif ne porte-t-il pas cette limite à 2# - 1 points par instant ? Considérons par exemple une suite de cinq liens spatiaux qui s'allongent individuellement de un point de plus à chaque instant de plus. Elle provoque un allongement global de cinq points à chaque instant, soit cinq fois la vitesse de la lumière.

Chaque particule relative « voit » un horizon dont la longueur varie au plus de un point à chaque instant. Elle reçoit, elle transmet de l'information au plus à cette vitesse. Il existe ainsi autour des 2# particules relatives de l'univers 2# horizons particuliers. Ce qui saucissonne le problème de telle sorte que la vitesse se limite partout au plus à un point par instant, même dans le relatif. Et ce qui correspond à l'absolu, où rien ne dépasse la vitesse d'un point de plus à chaque instant de plus.

C'est pourquoi le rayon de l'univers visible est inférieur à celui de l'univers actuel. Lorsque nous observons une galaxie lointaine, par exemple située à dix milliards d'années-lumière, nous la voyons là où elle était il y a dix milliards d'années. Mais depuis qu'elle a émis cette lumière, qui a mis dix milliards d'années pour nous parvenir, l'expansion universelle a continué de l'entraîner dans sa course.

Les informations qui nous parviennent des confins du cosmos ne sont pas de première fraîcheur, puisqu'elles ont voyagé pendant plusieurs milliards d'années. Les confins actuels de l'univers nous sont ainsi cachés. Par exemple les quasars sont sans doute des galaxies primitives très lumineuses, dont le trou noir central est en train de déchiqueter et d'absorber toutes les étoiles à sa portée : il n'a pas encore fait le vide autour de lui. Plus nous observons des galaxies lointaines, plus nous les voyons dans un état primitif, avec un temps relatif d'autant plus figé que leur vitesse relative est grande par rapport à nous. Mais localement, elles continuent imperturbablement leur mouvement relatif de fuite. Elles ont plus ou moins changé, par rapport à ce que nous en voyons.

Nous ne pouvons recevoir d'informations au plus qu'à la vitesse de la lumière. D'où le cône de lumière causal qui entoure tout événement :

Le cône de lumière de l'événement situé au point 0 : Plus les causes ou les effets d'un événement situé au point 0 sont pour lui éloignés dans le temps, plus ils peuvent être éloignés dans l'espace. « Ailleurs » se situe temporairement au delà d'une zone « couverte » par la vitesse de la lumière.

 

L'information elle aussi se dédouble

Le rayon actuel de l'univers est supérieur à celui de l'univers visible. Pour observer ce qui se passe au delà de notre horizon de visibilité, il nous faudrait donc disposer d'informations qui nous parviennent à des vitesses supérieures à celle de la lumière... ou à une vitesse nulle. Peut-être un jour serons-nous capables de détecter et d'assembler comme des puzzles les fragments dédoublés d'images, qui, via les interactions non séparables, nous parviennent « en direct » de tous les événements de l'univers, quelle que soit la distance qui les sépare de nous. Peut-être un jour promènerons-nous nos caméras virtuelles au cœur de mondes très lointains.

Et réciproquement : les images de la Terre telle qu'elle est actuellement se dédoublent elles aussi partout dans l'univers. Voilà qui pousse l'imagination à des vagabondages cosmiques. Peut-être sommes-nous tous examinés en temps réel par de lointaines civilisations extra-terrestres...

Sur la planète Terre, certains bipèdes enveloppent l'extrémité de chacun de leurs deux membres inférieurs dans un petit sac tissé qu'ils appellent « chaussette » :)

Voyages dans les images de l'espace, donc, mais aussi dans celles du temps :

Tout phénomène génère en permanence une image, qui s'éloigne de sa source à la vitesse de la lumière. Par exemple à 2500 années lumières de nous la Terre apparaît telle qu'elle était il y a 2500 ans. Il est impossible de rattraper cette image, parce qu'il faudrait pour ça aller à une vitesse supérieure à celle de la lumière.

Par contre cette image qui s'éloigne se dédouble et elle provient de partout là où il y a une particule relative. Certes, ces images dédoublées sont mélangées à de multiples autres dédoublements et échos, elles sont extrêmement diffuses. Néanmoins, peut-être parviendra-t-on un jour à détecter, à sélectionner ces dédoublements. À voir des documentaires historiques tournés « naturellement », sans caméra. Si une telle technologie était possible, nous disposerions d'archives auxquelles rien ne manquerait, permettant d'explorer la vie quotidienne, comme les grands événements de l'histoire. Nous ne pourrions cependant rien changer du passé, nous ne pourrions que l'observer.

Je crois que les générations futures vivront dans une totale transparence de l'espace et du temps.

 

Une insaisissable « matière noire » semble mêlée à la matière ordinaire

Lorsqu'une galaxie se forme, c'est d'abord une masse de gaz qui tourne sur elle-même. La force centrifuge tend à l'aplatir comme une crêpe. La gravitation condense ce gaz, qui s'échauffe, des foyers de fusion nucléaire s'allument. Le rayon de la galaxie diminue, ce qui augmente sa vitesse de rotation en raison de la conservation du moment cinétique orbital.

Après s'être ainsi formées, les galaxies primitives locales s'agrègent plus ou moins entre elles. Elles finissent par donner les objets que nous observons maintenant. Elles continuent néanmoins de se transformer, parce qu'elles entrent assez fréquemment en collision entre elles. Par exemple la Voie lactée et la galaxie d'Andromède sont en chute libre l'une vers l'autre ; elles devraient se frôler et se déformer mutuellement dans quelque trois milliards d'années, premier mouvement d'un ballet dans lequel les collisions entre étoiles et planètes sont assez peu probables grâce aux vides immenses qui les séparent - les effets de marée seront bien plus redoutables.

Or la vitesse orbitale du plan des galaxies demeure quasi constante avec l'éloignement du centre de rotation. La courbe de rotation des galaxies, qui exprime la vitesse moyenne de rotation de chaque point du rayon, est quasi horizontale. Alors que, d'après les lois de la gravitation, cette courbe devrait sensiblement baisser, comme les vitesses de révolution des planètes du système solaire baissent avec l'éloignement par rapport au Soleil (à une moindre attraction correspond en effet une moindre vitesse de révolution). À la vitesse à laquelle les objets galactiques tournent, et compte tenu de la masse de leur matière constitutive visible, les galaxies devraient éjecter leur périphérie dans le cosmos et se désagréger. Mais elles demeurent intactes. Le même phénomène se retrouve aux échelles supérieures : celles des amas. Les galaxies tournent les unes autour des autres à des vitesses telles qu'elles devraient se disperser dans le cosmos. Mais les amas conservent eux aussi leur cohésion. La masse réelle des galaxies, comme celle des amas, semble donc supérieure à leur masse apparente. C'est a priori cet excédent caché de masse qui permet aux galaxies et aux amas de retenir leur périphérie.

Un vestige cosmique du cocon primitif dans lequel se sont formées les premières galaxies subsisterait encore sous la forme d'un gaz extrêmement diffus et chaud. Sa forme générale évoquerait celle d'un tissu 3D irrégulier et sa température se situerait entre cent mille et un million de degrés Celsius. La masse de ces nuages expliquerait une partie de la masse manquante. Mais dans l'état actuel des recherches, l'appel à une matière noire indétectable semble toujours nécessaire. Pour sa part la Voie lactée contient de vastes nuages de gaz froid, constitués principalement d'hydrogène, qui enveloppent plutôt les zones denses. Le satellite GLAST, dont le lancement est prévu en 2007, nous permettra d'en savoir plus. Ces nuages, difficilement détectables parce qu'ils sont soit très chauds, soit très froids, expliquent en partie les paradoxes de la rotation des galaxies et des amas - en partie seulement.

Sans la DCU point de salut. Chaque particule de matière connue se dédouble 2# - 1 fois partout dans l'univers. Une matière ordinaire formée baigne ainsi dans ses propres dédoublements, qui constituent un fond de particules relatives très diffus, très homogène, qui ne rayonne pas. Ce fond se concentre plutôt dans et autour des grands amas de matière, sous l'effet de la localité. Mais il existe partout avec une plus ou moins grande densité.

La « matière noire », c'est ainsi au moins en partie des dédoublements plus ou moins locaux de matière. Il s'agit d'un état particulier de la matière ordinaire, qui s'ajoute aux états déjà connus.

 

Des chiffres célèbres

D'après les données en provenance du satellite WMAP en 2003, la récession accélérée des galaxies intervient pour 74 % dans un oméga très proche de l'unité. Cette « antigravitation noire » est une énergie qui possède une équivalence en masse : elle contribue à « écraser » la géométrie de l'univers. Mais ça ne suffit encore pas à former un univers « plat », euclidien. La matière noire contribue pour sa part à 22 % de la masse universelle et la matière ordinaire (baryonique) représente seulement 4 % du total.

 

 

Le contenu de l'univers

 

• L'énergie noire : dédoublement d'un point de plus à chaque instant

• La matière noire : dédoublement des particules relatives