Tandis que la mécanique classique considère des points qui se déplacent dans l'espace en fonction du temps la relativité considère des événements (repérés donc dans l'espace et dans le temps) et établit des liens entre eux.
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Est-il légitime de mentionner l'espace et le temps comme deux entités distinctes dans le cadre d'une théorie, dite « de la relativité », qui se propose précisément d'unifier l'un et l'autre dans le concept unique d'espace-temps ?
À l'origine, il s'agit bien de deux notions différentes. La différence la plus radicale réside peut-être dans le caractère irréversible du temps, une propriété qui, à l'évidence, éveille chez l'Homme des résonances affectives profondes. Le temps coule inexorablement sans que l'on puisse le remonter ou lui faire faire marche arrière. L'Homme sait qu'il se rapproche ainsi de sa mort sans pouvoir s'arrêter en chemin. Les rêves d'une jouvence retrouvée ne sont que fantasmatiques. En revanche, rien ne lui interdit d'effectuer un demi-tour dans l'espace en voiture ou en fusée pour retourner en un lieu déjà visité.
Du coup, le temps révèle une distinction essentielle entre le passé d'un événement donné et son futur. Une dissymétrie inéluctable l'accompagne : on peut agir sur le futur, pas sur le passé. Si rien ne s'oppose, en théorie, et même en pratique, à ce que nous parlions à nos descendants lointains, en leur transmettant par exemple un message sur cassette vidéo ou un testament écrit, il nous est à jamais impossible d'en obtenir une réponse. De même ne pouvons-nous rien communiquer à nos ancêtres morts, quelque influence que nous subissions de leur part à travers les objets ou paroles qui nous seraient parvenus d'eux.
Il n'est pas toujours possible d'établir entre deux événements ce lien causal qui nous permet de les distinguer en qualifiant l'un d'antérieur à l'autre. Il se peut que deux événements se révèlent indépendants, sans que l'un soit à même d'exercer un quelconque effet sur l'autre. C'est à ce stade qu'intervient l'espace : celui qu'il faut franchir pour passer d'un lieu à l'autre.
Imaginons d'une part un condamné à mort devant être exécuté en tel lieu, à telle heure, et d'autre part le président du pays, se trouvant sur une autre planète et ayant pris à telle autre heure, antérieure, la décision de gracier le coupable. Pour que la grâce accordée puisse être suivi de l'effet escompté, il est nécessaire que les signaux envoyés par le président, transmis par radio à la vitesse de la lumière, vitesse la plus rapide qui soit, aient le temps d'arriver avant l'heure fatidique.
Ce qu'il faut comparer, c'est le temps nécessaire pour parcourir la distance qui sépare le bureau présidentiel de la prison et le temps disponible entre l'heure d'émission du message et l'heure prévue pour l'exécution capitale. Deux cas se présentent. Si le temps nécessaire est trop grand devant le temps disponible, l'événement « grâce accordée » ne pourra pas agir sur l'événement « exécution ». Au contraire, si le temps disponible est assez grand devant le temps minimum nécessaire, la grâce agira sur l'exécution prévue pour la bonne fortune du condamné.
On constate que distance spatiale et distance temporelle se contrarient mutuellement en agissant en sens inverse sur la connexion envisagée. Ainsi cet exemple nous permet-il de mettre en évidence une autre différence entre espace et temps : le temps rapproche deux événements puisqu'un temps plus grand favorise la connexion causale alors que l'espace les éloigne puisqu'une plus grande distance joue en défaveur de cette connexion. D'ailleurs dans le premier cas - lorsque les événements sont indépendants - on dit que l'« intervalle » qui les sépare (une notion que nous allons définir) est du genre « espace » alors que dans le second cas d'événements liés causalement l'intervalle est du genre « temps ».
Ces considérations nous conduisent directement aux postulats de base de la théorie de la relativité restreinte (on la qualifie de « restreinte » car elle ne traite pas encore de la gravitation). Celle-ci se fonde sur la définition de ce que l'on nomme l'intervalle entre deux événements, définition qui reproduit fidèlement le raisonnement relatif à la comparaison entre temps nécessaire (temps qu'il faut à la lumière pour parcourir la distance spatiale entre les deux lieux considérés) et temps disponible. Le seul détail technique à signaler est que le formalisme opère sur les carrés des durées, non sur les durées elles-mêmes, ce qui est tout à fait normal car, étant des grandeurs physiques, ces durées sont mesurées par un nombre « physique », et donc en particulier forcément positif. Or, algébriquement parlant, traiter un nombre positif revient à manipuler son carré.
Toute la théorie de la relativité restreinte repose sur l'affirmation que l'intervalle est une grandeur intrinsèque, de caractère absolu. C'est quelque chose qui ne change pas lorsqu'on mesure dans un autre repère (à bord d'une fusée par exemple) les diverses quantités (durées, longueurs) entrant en ligne de compte. Et alors que la théorie nie tout caractère absolu à la mesure d'une distance seule ou d'un temps seul (ces quantités varient selon le repère utilisé), il est remarquable qu'elle ne remette pas en question la notion de causalité puisque la valeur de l'intervalle, qui traduit comme nous l'avons dit plus haut le caractère de dépendance ou d'indépendance entre deux événements, n'est pas affecté par les changements de repère. Ce n'est pas en voyageant en fusée que nous pourrons remonter dans le passé et le modifier à notre guise !
Physiquement parlant, c'est bien parce que la vitesse de la lumière ne peut pas être dépassée qu'il est impossible d'établir un lien causal entre deux événements séparés par une distance spatiale trop grande. Cette vitesse va précisément nous servir à établir une correspondance entre ces deux notions, espace et temps, que nous avons d'abord opposées l'une à l'autre.
La théorie de la relativité restreinte dote la lumière d'un statut tout spécial en en faisant le message idéal, le lien privilégié, entre les points de l'espace. Sa vitesse de propagation, posée comme donnée première, indépendante des moyens concrets de mesure et des repères utilisés, permet de passer facilement d'une distance à un temps, ou d'un temps à une distance. Telle distance entre deux points fixes l'un par rapport à l'autre pourra se caractériser simplement par le temps que mettrait la lumière à la parcourir et se mesurera donc très commodément en unité de temps. Ne soyons pas étonnés par cette façon de procéder : nous disons bien couramment que Marseille est à huit heures de Paris, en faisant allusion au temps que prend le voyage pour aller d'une ville à l'autre.
De même un temps peut se mesurer par une distance, donc en mètres, à ceci près, toutefois, qu'il est peu courant d'entendre dire que la cuisson d'un oeuf à la coque réclame 54 millions de kilomètres - distance couverte par la lumière en trois minutes !
Cette correspondance entre espace et temps est maintenant si bien établie que (comme évoqué dans un chapitre antérieur) la définition du mètre, l'unité de longueur, s'appuie dorénavant sur celle de la seconde, l'unité de temps. Le facteur de conversion ente les deux est fixé par convention à la valeur arbitraire (et exacte !) de 299 792 458 mètres par seconde. Cette quantité n'est autre, bien sûr, que la vitesse de la lumière et sa valeur a été choisie pour s'adapter au mieux aux unités anciennes.
Ce choix implique un profond changement de point de vue. Alors qu'auparavant on définissait le mètre d'une part et la seconde de l'autre pour mesurer la vitesse de la lumière on préfère maintenant partir d'une définition (arbitraire) de la seconde et de la donnée (arbitraire elle aussi) de la vitesse de la lumière pour définir alors, de façon presque accessoire, le mètre comme la distance parcourue par la lumière en (1/299 792 458) seconde.
On notera l'énormité du facteur de conversion entre la seconde et le mètre, bien que ces unités soient l'une et l'autre caractéristiques de phénomènes à échelle humaine. Concrètement, cela signifie que les vitesses auxquelles nous sommes habitués sont considérablement plus petites que la vitesse de la lumière. On peut dire aussi que, par rapport à l'espace parcouru ordinairement, nous avançons follement vite dans le temps (puisqu'une seconde représente près de 300 000 kilomètres). Comme quoi, quand la sagesse populaire dit que le temps passe vite, elle ne se trompe pas !
Miracle de la création, ou plutôt signe de l'adéquation de la théorie de la relativité à la description du monde : cette dissymétrie entre espace et temps n'existe plus à l'échelle de l'Univers. Dans ce royaume de la lumière par excellence il est logique et commode de mesurer les distances en minutes, années, milliers, millions ou milliards d'années... de lumière. Cette façon de faire traduit une réalité : les distances cosmiques sont du même ordre de grandeur que les temps cosmiques lorsqu'on les exprime en unités de lumière.
Enfin j'ai expliqué ailleurs l'étonnante symétrie entre le temps et l'espace universels qui veut qu'un univers fermé en expansion se dévoile entièrement aux yeux d'un observateur au moment où cet univers a atteint sa taille maximale, juste avant d'entamer la phase de recontraction. Dans notre Univers cet événement pourrait se produire dans une vingtaine de milliards d'années...
Impossible de nous situer dans notre Univers ! La relativité nous apprend que les différents points ne peuvent se repérer que les uns par rapport aux autres. En quelque sorte, chacun est comme au centre du monde, mais aucun n'est privilégié.
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Comment la science nous situe-t-elle dans l'Univers ? Où sommes-nous ? La théorie de la relativité répond que nous sommes... là où nous sommes ! Ce résumé lapidaire peut sembler grossièrement insuffisant et caricatural ; en vérité, la formule est infiniment plus riche et profonde qu'elle ne le laisse paraître. Dire que « nous sommes là où nous sommes » revient à affirmer que nous n'avons aucun moyen, aux yeux de la science, de nous référer à un repère extérieur. Nous ne pouvons que partir de là où nous sommes : l'exploration de l'Univers commence ici. La théorie nous replace pour ainsi dire au « centre » du monde, après nous en avoir délogés, comme on le sait, au siècle de Copernic. À ceci près cependant qu'elle ne nous place au centre d'aucune structure, « centre » ne signifiant ici que point de départ, origine choisie pour mesurer les distances, non centre d'un certain volume préétabli.
La théorie de la relativité nous commande l'abandon définitif de tout cadre, de toute armature de référence, à laquelle nous pourrions nous raccrocher et où nous pourrions nous situer. Cette renonciation à la donnée d'un repère absolu nous plonge dans le relatif le plus total et justifie pleinement le nom de « relativité » donné à la théorie.
Relativité, encore : la même théorie reconnaît à chaque observateur potentiel, situé ailleurs, vivant à une autre époque, se déplaçant par rapport à nous, peu importe, le droit d'agir comme nous, en faisant sa physique par rapport à l'endroit où il se trouve lui-même, en rapportant ses mesures à son propre repère, en se constituant à son tour comme origine de ces mesures. La théorie de la relativité érige ce droit en principe - chacun est autorisé à tenir son propre langage - en énonçant qu'aucun observateur n'est « privilégié », qu'aucun ne peut se targuer d'être le point de référence universel. Et elle se fonde sur ce principe pour se construire.
Cette théorie s'est constituée en deux étapes. La relativité « restreinte » affirma dans un premier temps qu'un observateur pouvait conduire ses expériences de physique sans se soucier de son propre état de mouvement, de sa propre vitesse. Il pouvait formuler ses expériences dans ce laboratoire comme si ce dernier était immobile (la seule condition étant qu'il ne soit soumis à aucune force de freinage ou de poussée, c'est-à-dire, techniquement parlant, à aucune accélération). Dans une deuxième étape, et alors que cette relativité restreinte supposait aussi une absence de champ de gravitation, la relativité « générale » a étendu le raisonnement à tout système flottant librement dans l'espace, qu'il soit ou non en présence d'une masse attractive (c'est la théorie de la gravitation).
A priori, le point de vue de la relativité, ou plutôt la pluralité des points de vue qu'elle permet, présente des avantages. Et notamment celui de pouvoir énoncer et formuler toutes les lois physiques sans se préoccuper de sa propre position, de la présence éventuelle de tel corps céleste et sans avoir à effectuer de quelconques corrections pour tenir compte de tel ou tel mouvement.
Mais ces avantages se paient. En effet Einstein a montré que l'adoption des principes précédents entraînait la remise en question radicale des notions de longueur et de temps auxquelles nous étions habitués, les mesures de ces grandeurs devenant fonction de l'observateur qui les effectuait, deux observateurs pouvant très bien mesurer une même distance ou une même durée (c'est-à-dire l'intervalle spatial ou l'intervalle temporel entre deux mêmes événements) par des quantités différentes. Le fait frappe particulièrement l'imagination en ce qui concerne la mesure du temps. Il est étonnant d'apprendre que celui-ci s'écoule plus ou moins vite, autrement dit que les horloges battent à un rythme différent selon l'état de mouvement du repère considéré : une horloge ralentit si le système qui l'emporte augmente sa vitesse. Le phénomène est cependant bien réel et est illustré par la fameuse histoire des jumeaux d'âges différents.
Le temps s'écoule moins vite à l'intérieur d'une fusée ultra-rapide. À son retour de voyage interplanétaire, Delphine se retrouvera plus jeune que sa soeur jumelle Marinette restée à Terre !
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Remarque : on pourra consulter avec profit l'article de wikipédia sur ce sujet dans une version archivée (depuis, l'article est devenu n'importe quoi sous la plume de rédacteurs égocentriques et prétentieux et je me suis retiré de cette pétaudière wikipédienne qui me rendait malade)
La théorie de la relativité prévoit un phénomène spectaculaire, qu'on pourrait désigner sous le nom de « ralentissement du temps dans un repère en mouvement ». De quoi s'agit-il ?
Imaginons un voyage en fusée au cours duquel les passagers observeraient les battements réguliers d'un de ces objets étranges découverts dans le ciel en 1967 : les pulsars. Ce sont des étoiles qui, à l'image d'un phare, tournent sur elles-mêmes à des vitesses fantastiques (cent mille fois plus vite que notre Terre) en dirigeant vers nous à intervalles réguliers un faisceau de lumière collimatée. Choisissons un pulsar particulier : par ses éclairs périodiques, ce corps céleste jouera le rôle d'une horloge cosmique, à l'image d'un métronome battant imperturbablement son tempo.
Supposons que de la Terre nous voyions les éclairs se succéder toutes les secondes. Nous dirons que notre pulsar bat la seconde terrestre. Or, de la fusée supposée se déplacer à une vitesse ultra-rapide, on constatera que le même pulsar clignote à une cadence plus rapide. Par exemple, en 100 secondes lues sur les cadrans de la fusée, on comptera non pas les 100 éclairs attendus mais 101. Comme le pulsar n'a évidemment pas modifié son rythme intrinsèque du seul fait du déplacement de la fusée, nous en concluons qu'en sens inverse ce sont les horloges embarquées qui, en quelque sorte, se sont mises à battre plus lentement : à 101 éclairs du pulsar correspondent non pas 101 secondes lues (comme à Terre) mais seulement 100. Autrement dit, à un certain temps en fusée mesuré avec les appareils embarqués (100 secondes) correspond un temps terrestre plus long (101 secondes).
Notons que les passagers de la fusée ne ressentent rien d'anormal car ce sont tous les phénomènes physiques qui sont affectés et qui ralentissent en même temps (rythme cardiaque, montre, etc.) de sorte que les rapports temporels entre ces phénomènes restent inchangés. Mais l'effet de ralentissement du temps, quoique heurtant le bon sens, est bien réel. Si Delphine, soeur jumelle de Marinette, occupe la fusée, elle comptabilisera une durée de voyage plus courte que sa soeur restée à Terre et se retrouvera donc plus jeune qu'elle.
Le phénomène est connu sous le nom de paradoxe des jumeaux ou paradoxe de Langevin. Entendons-nous sur ce terme (assez malencontreux) de « paradoxe ». On pourrait croire que le résultat énoncé, à savoir que la jumelle restée à Terre va se retrouver plus vieille que sa soeur à l'issue du voyage, est un non-sens, sous le prétexte qu'en relativité, une vitesse n'ayant qu'un caractère... relatif, le raisonnement serait susceptible d'être renversé, en conduisant à la conclusion contraire, et donc à une contradiction insoluble.
En effet, si on estime que les mouvements sont relatifs, en appliquant les mêmes arguments à sa soeur voyageant « par rapport à elle » dans l'espace (la Terre, donc sa soeur, s'éloigne puis se rapproche), Delphine pourrait en conclure que c'est Marinette, et non elle-même, qui serait la plus jeune lors des retrouvailles. Elle aurait tort. En réalité l'aventure n'a rien de symétrique : c'est bien la fusée de Delphine qui doit effectuer un demi-tour pour revenir sur Terre, manoeuvre entraînant freinages et accélérations, et surtout changement de direction. Il n'est pas question de faire subir la même opération à la Terre !
Techniquement parlant, la fusée n'est pas un repère inertiel ou galiléen tandis que la Terre en est un (au moins dans le cadre de discussion de cette expérience). En effet, la fusée est soumise à des forces imprimées par des moteurs alors qu'un repère inertiel, par définition, reste libre de toute action sur lui exercée et conserve de ce fait une vitesse constante, sans changement possible de direction. Si Delphine, en fusée, subit accélérations et changement de direction, rien ne vient troubler la quiétude de Marinette à Terre, ce qui montre bien que leurs histoires ne sont pas symétriques. Autrement dit encore, si un seul système de référence galiléen, c'est-à-dire en mouvement uniforme, à savoir celui de la Terre, peut être choisi pour Marinette de façon à ce qu'elle y soit constamment au repos, il en faut impérativement au moins deux pour assurer à Delphine, successivement, le même état de repos.
Indépendamment des phases de changement de direction, supposons pour faire comprendre le problème que la vitesse de la fusée soit constante pendant chacun des deux parties du trajet (le raisonnement peut être généralisé, la difficulté n'est pas à ce niveau). Pendant le voyage aller, la fusée sera au repos par rapport à tel système en mouvement uniforme convenablement choisi, puis, au retour, se trouvera au repos par rapport à un autre système en mouvement uniforme se déplaçant en sens inverse. Si Delphine en fusée veut rester au repos dans chacun de ces deux repères successifs, il faudra impérativement qu'elle change de système de référence, car son propre système n'est pas galiléen, n'est pas en mouvement uniforme. À l'aller, elle n'est pas au repos par rapport au système inertiel de retour et, au retour, elle n'est pas au repos par rapport au système inertiel de l'aller.
Pour en revenir à l'horloge que constitue le pulsar, Delphine et Marinette auront (évidemment, puisqu'elles se retrouvent au même endroit) compté le même nombres d'éclairs. Comment se fait-il alors que Delphine se retrouve plus jeune que Marinette ? Tout simplement parce qu'elle aura vu l'objet pulser plus rapidement dans un laps de temps plus court. Ceci compense cela.
Pour terminer, empressons-nous de préciser que cette expérience n'est qu'une image. Les différences d'âge, pour être mesurables sur des êtres vivants, sont tout simplement inconcevables. Elles impliquent (sur le papier !) l'utilisation de vitesses proches de celle de la lumière que l'on est bien incapable à l'heure actuelle (et sans doute avant longtemps) de communiquer à une fusée. Mais si l'histoire des jumeaux ou jumelles est irréalisable sur le plan pratique, l'expérience a été conduite sur des horloges ultra-précises embarquées en avion. Les décalages observés, de quelques milliardièmes de seconde pour une durée de vol de l'ordre de quatre-vingt-dix heures, sont conformes à la prédiction de la théorie.
Le calcul de cet effet de ralentissement est présenté dans une annexe.
Il est difficile de se faire une image d'un univers courbe fermé. Sa courbure interdit en effet d'en dresser une cartographie globale à trois dimensions sans déformation grossière. Si le modèle réduit présente un bord, l'espace réel n'en possède pas.
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
- SECTIONS
- Notre Univers est propre à illustrer la notion d'univers courbe fermé
- Comment repérer les galaxies ?
- Une surprise nous attend
- Le bout du monde ?
Notre Univers est propre à illustrer la notion d'univers courbe fermé
La théorie de la relativité générale d'Einstein a permis à la pensée humaine de forger un concept révolutionnaire, celui d'espace « courbe ». Des équations de la gravitation a surgi en effet l'image d'un univers se contenant lui-même sans référence à un extérieur absolu : univers fini et néanmoins sans frontière. Il est difficile de se faire une idée d'un tel objet car, ainsi que nous allons voir, la propriété de « courbure » décrit l'impossibilité d'en créer une représentation en réduction dans notre espace ordinaire sans introduire de déformations grossières.
Par nature, toute image globale d'un univers courbe ne peut être que faussée.
Pour illustrer cette notion d'univers courbe fermé, je choisis de me référer à notre propre Univers. Est-ce légitime ? Sans vouloir impliquer que notre monde soit véritablement identique au modèle théorique d'univers courbe fermé à décrire, la discussion montre que ce dernier est le seul à pouvoir prétendre avoir quelque rapport avec la réalité. En outre, une bonne justification de prendre notre Univers comme exemple est qu'il est impensable de vouloir contempler de l'extérieur un univers fermé, pour la bonne raison qu'il n'a pas d'extérieur, et qu'il est donc préférable de décrire le nôtre de l'intérieur en y restant immergé.
Comment repérer les galaxies ?
De quoi se compose notre Univers ? À l'échelle à nous nous plaçons, celle du « grand tout », ce sont les galaxies qui, bien que représentant chacune des dizaines de milliards d'étoiles, constituent les unités matérielles élémentaires peuplant le cosmos. Nous les considèrerons donc comme des points matériels dénués de structure interne.
Mais avant de poursuivre, procédons à une simplification. L'une des conséquences majeures de la relativité a été d'unir le temps et l'espace dans une entité qui englobe l'un et l'autre : l'espace-temps. Cependant, pour mieux comprendre les choses, séparons l'espace du temps et considérons-les l'un après l'autre. Nous oublierons donc momentanément l'évolution dynamique de l'univers, c'est-à-dire son expansion, pour envisager un monde statique où les galaxies resteraient immobiles les unes par rapport aux autres.
Comment représenter un tel univers statique ?
Depuis l'avènement de la théorie de la relativité générale, un système de repérage ne peut être que relatif puisque la nouvelle théorie d'Einstein s'interdit (au contraire de la description de Newton) de parler d'une quelconque « armature » contenant la matière et préexistant à celle-ci. Dans ces conditions, la description la plus simple à adopter est de tout rapporter à l'endroit où nous nous trouvons pour rayonner vers nos galaxies-soeurs.
Figurons chaque galaxie par une petite boule portant un nom (ou un numéro d'inventaire) et fixée à l'extrémité d'une tige fichée au coeur de notre propre Galaxie, tige orientée dans la direction de la galaxie considérée et dont la longueur reflètera la distance à laquelle elle se trouve, selon un facteur de réduction convenable qui donnera l'échelle de notre modèle. Travaillons par exemple à l'échelle de 1 centimètre pour 1 million d'années de lumière : la galaxie d'Andromède, notre proche voisine, se retrouvera ainsi à 2 centimètres environ du « centre » que nous occupons. Puis bâtissons peu à peu ce modèle réduit à trois dimensions en ajoutant les unes après les autres toutes les galaxies dûment répertoriées en tenant compte de leur direction (celle de la tige qui la porte) et de leur distance (représentée à l'échelle par la longueur de cette tige).
Une surprise nous attend
Et la notion de courbure dans tout cela ?
Pour isoler ce concept, considérons l'univers le plus simple que nous puissions imaginer, à savoir homogène, c'est-à-dire uniformément peuplé de galaxies. Autrement dit, si dans un tel univers nous nous transportions dans une autre galaxie (à n'importe quelle distance), nous observerions là-bas une répartition locale des galaxies identique à celle que nous observons au voisinage de la nôtre. Dans ces conditions, la courbure, c'est la surprise de constater que dans notre modèle réduit les galaxies ne se répartissent pas de façon uniforme. Alors que dans deux volumes égaux nous nous attendrions à trouver le même nombre d'objets, puisque par hypothèse notre univers de démonstration est homogène, nous notons au contraire une différence qui va en s'accusant au fur et à mesure que nous nous éloignons de l'origine. Tandis qu'au voisinage de celle-ci nous avons une vingtaine de galaxies par cube de 30 centimètres de côté, plus loin, l'univers semble moins peuplé. À une distance de 150 mètres par exemple sur notre modèle réduit, nous ne trouverons que 8 galaxies dans le même cube de référence de 30 centimètres de côté.
Pour expliquer l'anomalie que représente la raréfaction apparente des galaxies, nous ne pouvons pas alléguer le fait que nous occuperions une position « privilégiée » dans l'univers, position où la densité de matière serait plus forte qu'ailleurs. En effet, dans notre univers homogène de démonstration, tous les observateurs se valent de sorte que chacun pour sa part construisant son modèle réduit de tiges et de boules à partir de sa propre position constaterait le même « défaut », à savoir la décroissance apparente du degré d'occupation de l'espace par les galaxies à grande distance.
La « courbure de l'Univers » se manifeste précisément dans ce désaccord entre ses propriétés réelles, celles que l'on mesure localement au voisinage d'un point - il faut s'y transporter pour réaliser l'opération - et celles qui se reflètent dans l'image que nous nous en faisons depuis la Terre. Dans le cas présent, l'origine du désaccord réside dans une déformation des volumes mesurés directement sur notre modèle réduit comparativement aux volumes réels de l'espace. En effet, un cube de 30 centimètres de côté sur notre modèle ne représente pas le même volume réel selon qu'il est situé loin ou près de l'origine. Pour calculer en fonction de cette distance à l'origine le volume véritable qui correspond à un certain volume-image, il est nécessaire d'employer de nouvelles formules relatives à des univers courbes et montrant que plus un certain volume représentatif est éloigné du centre, moins il représente de volume réel, et donc moins il contient de galaxies.
Mais la courbure de notre univers de démonstration se traduit d'une autre façon encore plus spectaculaire.
Le bout du monde ?
Continuons à placer les galaxies sur le modèle réduit que nous construisons. Supposons en particulier que nous puissions toutes les détecter (ce qui n'est d'ailleurs pas le cas dans notre monde réel). La densité d'objets représentés sur le modèle réduit ne cesse de décroître. À 300 mètres de l'origine, l'univers semble vide, au point que nous avons du mal à localiser les dernières galaxies, qui paraissent se diluer dans un volume de plus en plus grand pour elles. Nous atteignons là une sorte de limite car nous avons épuisé le contenu en galaxies de l'univers. Il n'y a rien « au-delà ». Nous avons bien mesuré la distance des galaxies les plus reculées : elles sont montées sur des tiges d'un peu plus de 300 mètres de long. En tout, nous avons peut-être épinglé une quinzaine de milliards d'objets (de galaxies), qui constituent toute la matière stellaire présente dans l'espace.
Est-ce à dire que nous avons rejoint les bornes de cet univers, que nous sommes là à une frontière bornant l'espace ? Certainement pas. Encore faut-il comprendre pourquoi : le bord de notre modèle réduit, à quoi correspond-il s'il n'est pas le « bout du monde » ?
Selon la théorie d'Einstein, la gravitation est indétectable localement. Elle ne se manifeste que par les différences de mouvements entre points voisins.
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Quelle est l'origine de la courbure de l'espace, courbure qui fait en quelque sorte replier cet espace sur lui-même ? Réponse : la masse et l'énergie de l'Univers.
Dans une vision classique newtonienne les masses engendrent des « forces de gravité » qui les font s'attirer mutuellement. Dans la vision einsteinienne les masses engendrent une courbure de l'espace. Nous avons décrit cette courbure en explorant l'Univers dans son ensemble (en rencontrant notamment la notion d'univers fermé), mais qu'en est-il localement, à l'échelle humaine par exemple ?
La conception de la théorie de la relativité générale d'Einstein est déroutante : la gravitation n'existe tout simplement pas en un point donné, comme existe une force, mais ne se manifeste que si, ayant considéré plusieurs points, on étudie leurs trajets relatifs.
La relativité restreinte avait déclaré, comme nous le disions ailleurs, qu'un physicien n'avait pas à se soucier de son état de mouvement, en particulier de sa vitesse, pour conduire ses expériences et écrire ses lois, la forme de ces dernières étant insensible au déplacement (à condition toutefois que le mouvement se produise sans accélération). Ce fait relève d'ailleurs de l'expérience courante : dans un voyage en avion, un passager est bien incapable de ressentir et d'apprécier la vitesse de l'appareil une fois que celui-ci navigue à sa vitesse de croisière; il continuera à voir tomber les objets verticalement et son corps ne subira aucune « force » révélatrice de mouvement (sauf secousse due à un trou d'air !).
Avec Einstein, la théorie étend cette affirmation d'insensibilité au mouvement en prétendant que l'expérimentateur peut aussi ignorer le voisinage d'une masse et donc le mouvement qui existe forcément par rapport à cette masse. Autrement dit, la théorie affirme que la gravitation ne peut pas être mise en évidence par expérience physique dans un repère isolé donné - si toutefois ce repère est « libre », c'est-à-dire si le système expérimental « flotte » dans l'espace sans être soumis à quelque poussée que ce soit. Dans cette vision des choses, si nous ressentons (indéniablement !) la gravitation dans la vie de tous les jours, alors que selon notre affirmation nous ne devrions pas la percevoir, c'est que nous sommes retenus au sol et que celui-ci exerce sur nous une force. C'est ce même sol qui mettra en morceaux un verre tombant par terre alors qu'avant le choc le verre reste intact !
Une précision avant de poursuivre : pour que les expériences de physique soient insensibles à la gravitation, il y a, outre l'absence de poussée, une condition sur la taille du laboratoire, que nous préciserons à la fin.
En cette époque d'exploration de l'espace, inaugurée par le lancement le 4 octobre 1957 du premier satellite artificiel de la Terre, il est très facile d'illustrer ces notions sur la gravitation. En effet, une fois en orbite autour de la Terre, tous moteurs coupés, un satellite constitue un exemple idéal de ce repère libre de la théorie : il n'accélère pas, ne freine pas, ne manoeuvre pas et ne tourne pas sur lui-même. Eh bien, pour la relativité générale, l'intérieur de ce vaisseau n'est pas soumis à la gravitation, alors même qu'il se trouve au voisinage de la Terre. Et c'est bien ce que nous constatons sur les images merveilleuses de l'espace montrant les objets flotter sans contraintes. D'ailleurs, en dehors de la capsule, l'absence de pesanteur est tout aussi flagrante : quoi de plus libre qu'un cosmonaute effectuant une sortie dans l'espace ?
Cette conception est des plus révolutionnaires par rapport aux vues antérieures qui, toutes, conduisaient à modifier les lois physiques, notamment celles de la dynamique, en présence d'une masse attractive. Or, ce qu'affirme la nouvelle théorie d'Einstein - et ce que vérifie l'expérience ! - c'est que les occupants peuvent conduire à l'intérieur de leur satellite toute expérience de dynamique sans se soucier de la gravitation : cette dernière ne se manifeste pas dans leur capsule et n'intervient pas dans les formules servant à décrire les expériences. Comme on dit justement - et l'expression prend ici tout son sens - les occupants du satellite sont en état d'« impesanteur ». Ils peuvent se livrer à des jeux de fléchettes et constater que les projectiles suivent immanquablement des parcours rectilignes, sans « tomber », sans que leur trajectoire montre de courbure. De même un corps abandonné dans l'espace de la cabine spatiale et initialement au repos restera en place sans tomber lui non plus. D'ailleurs, on ne distingue à bord ni « haut » ni « bas ».
Bref, dans le satellite les corps semblent ne pas subir de forces.
Est-ce à dire que la gravitation n'existe pas ? Selon la théorie, elle n'existe pas localement mais elle existe autrement. La gravitation ne se manifeste que si l'on procède à une comparaison entre deux systèmes, en étudiant le mouvement de l'un par rapport à l'autre. C'est ainsi que deux satellites situés sur des orbites différentes voisines et ignorant chacun pour son propre compte la gravitation ne pourraient que constater dans leur mouvement relatif des anomalies par rapport à la dynamique prévalant dans un espace éloigné de toute masse, ces anomalies indiquant justement la présence d'une masse attractive.
En effet, en l'absence de masse perturbatrice, deux sondes spatiales voisines lancés dans des directions à peine différentes verraient leur distance mutuelle augmenter de façon tout à fait régulière au cours du temps, à taux constant, c'est-à-dire de façon linéaire : leurs trajectoires seraient rectilignes. Au contraire ces mêmes satellites placés autour de la Terre notent immédiatement une certaine périodicité, tantôt se rapprochant, tantôt s'éloignant l'un de l'autre, selon un comportement franchement différent d'une allure linéaire. Leurs trajectoires manifestent la présence d'une « courbure », elle-même engendrée par la masse attractive centrale que constitue la Terre.
Dans cette optique la gravitation devient affaire de précision de mesures car il s'agit d'effectuer la comparaison entre les mouvements de deux mobiles. Une fois donnée la taille (dans l'espace et dans le temps) du champ d'expérience, il faudra voir si la gravitation qui y règne est suffisante pour produire un effet mesurable sur les positions des corps étudiés, mesurable avec les appareils dont on dispose. Nous avons dit plus haut que dans un satellite en mouvement libre ne se manifestait aucun phénomène gravitationnel : cela n'est pas tout à fait exact, et il est temps de nuancer. À l'intérieur de la cabine, il est bien possible de mettre en évidence l'accélération d'un corps par rapport à l'autre, c'est-à-dire un écart à la linéarité des trajectoires, c'est-à-dire une gravitation, en étudiant la variation de la distance des deux objets en fonction du temps. Toutefois, pour que la détection soit effective, il faudra que l'écart à mesurer ne soit pas trop petit eu égard aux instruments utilisés.
Quels sont les ordres de grandeur des effets attendus dans le cas d'un satellite terrestre ? Deux billes flottant librement dans le vaisseau spatial, initialement au repos l'une par rapport à l'autre et distantes de 1 mètre le long d'une « verticale » (c'est-à-dire, comme il n'y a ni haut ni bas, situées le long d'une droite passant par le centre de la Terre), verraient leur distance mutuelle s'accroître d'un dixième de millimètre en 10 secondes, l'accroissement augmentant par ailleurs comme le carré du temps.
C'est ce phénomène (que l'on pourra qualifier de petit ou de grand selon le degré de précision des mesures dont on dispose) qui est le signe d'une courbure de l'espace-temps à l'intérieur du satellite, courbure elle-même équivalente à une « force » de gravitation et engendrée par la proximité de la Terre. Vue sous cet angle, la gravitation s'apparente à un effet de marée. En effet, on sait que les marées sur Terre résultent de l'inégalité des forces d'attraction gravitationnelle (pour revenir à la description newtonienne !) exercées par la Lune (et dans une moindre mesure par le Soleil) sur deux côtés opposés de le Terre, celui qui fait face à la Lune et celui qui en est le plus éloigné. Cette inégalité engendre une accélération d'un côté par rapport à l'autre. Et cette accélération d'une masse par rapport à une masse voisine est bien l'essence de la gravitation selon la théorie d'Einstein.
Que les âmes sensibles me pardonnent l'image suivante : si nous avions le malheur de tomber dans un trou noir (suffisamment massif à vrai dire, donc aussi de taille suffisamment grande) nous ne nous apercevrions pas tout de suite de la présence du champ gravitationnel, malgré sa surpuissance. L'issue fatale ne se produirait que lorsque les forces de marée nous écartèleraient, car le bas du corps (c'est-à-dire le côté situé le plus près du centre du tour noir) tomberait plus vite que le haut. Nous serions mis en morceaux, victimes non de la chute elle-même mais des effets différentiels de cette chute, les diverses parties du corps évoluant selon des trajectoires différentes et se déchirant mutuellement.
Selon la théorie de la relativité générale les galaxies sont au repos alors que l'Univers entier est en expansion. Explications...
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Comme il est impossible d'empêcher le temps de s'écouler, c'est artificiellement, par souci de pédagogie, que nous avons laissé de côté ce temps dans la description de la courbure de l'Univers. Mais cette courbure affecte bien l'ensemble « espace-temps » dans sa globalité et non l'espace tout seul. Considérons donc maintenant la composante temporelle de la courbure, qui va se traduire par le phénomène d'expansion de l'Univers.
Nous parcourons continuellement l'espace-temps même si nous ne bougeons pas dans l'espace. En effet, nous avons indiqué que la théorie de la relativité ne considérait pas séparément des lieux et des temps mais des événements, chacun se composant d'un emplacement et d'une date à la fois. Or, lorsque nous étudions un corps, qu'il soit ou non au repos, la date qui lui est assignée avance inexorablement. On parle d'ailleurs à ce sujet d'une « ligne d'Univers » attachée à un corps pour désigner la courbe que l'événement qui lui est lié parcourt dans l'espace-temps.
Ainsi lorsque nous considérions deux billes immobiles dans un satellite, l'immobilité dans l'espace n'impliquait pas l'immobilité dans le temps. Les billes traversaient l'espace-temps à la vitesse fantastique de la lumière en parcourant trois millions de kilomètres pendant les dix secondes que durait l'expérience. D'ailleurs, ce n'est qu'à cette échelle, l'échelle de la lumière, que se manifeste la courbure de l'espace-temps dans la vie courante. En effet, sur Terre et en son voisinage, la courbure de l'espace seul est tout à fait négligeable : cet espace n'a aucune des propriétés bizarres qui caractérisent l'Univers dans son ensemble et les mesures de distances, d'angles, de densités ou de volumes s'y font comme à l'ordinaire, dans une géométrie euclidienne.
Passons à la dynamique de l'Univers. Comme nous l'avons fait jusqu'à présent, oublions la structure fine des galaxies et des systèmes stellaires et considérons que le contenu matériel du monde se réduit à un ensemble de masses ponctuelles. L'espace-temps qui les baigne leur est indissociablement lié et porte en lui, dans sa courbure, la trace de leur présence. La composante temporelle de cette courbure réside dans le mouvement des galaxies ou, plus précisément, dans l'évolution en fonction du temps de leurs distances mutuelles.
Or, on a découvert que ces distances mutuelles augmentent au cours de temps. Les galaxies ne cessent de s'éloigner les unes des autres. Nous disons que l'Univers est en expansion. Mais que cela signifie-t-il profondément ?
Expliquons-nous d'abord sur un point qui pourrait tracasser un lecteur perspicace. Pourquoi les galaxies s'éloignent-elles les unes des autres alors qu'agissent entre elles des forces d'attraction qui ont tendance à les faire se rapprocher ? Réponse : ce sont les conditions initiales du mouvement qui déterminent la direction des mouvements. Dans notre Univers c'est la formidable poussée liée à l'explosion primordiale ayant présidé à la naissance de notre Univers, c'est-à-dire le big bang, qui commande pour l'instant la direction du mouvement des galaxies. Mais si l'expansion domine actuellement, la gravitation agit bien en sens opposé, en « retenant » ces galaxies. Ce freinage ralentit l'expansion au point d'être capable, dans le cadre théorique du modèle d'univers fermé, d'en inverser la direction pour conduire plus tard le monde à une contraction (dans peut-être 20 à 30 milliards d'années...).
La théorie de la relativité soulève une contradiction qu'il est bon de saisir pour apprécier le dénouement que cette même théorie va opérer. Une galaxie quelconque, la nôtre par exemple, n'est dans notre vision « relative » des choses soumise à aucune force. Nous pouvons ignorer les autres galaxies et déclarer que nous sommes « au repos ». Cependant, dans un même temps notre Galaxie subit bien une accélération par rapport à n'importe quelle galaxie voisine, accélération qui a tendance à la faire « tomber » sur celle-ci.
Comment soutenir qu'une galaxie est au repos et néanmoins en mouvement par rapport à toutes les autres ?
La réponse de la théorie de la relativité générale est proprement inconcevable, au sens où elle n'était même pas envisageable dans le cadre de pensée des doctrines antérieures. Pour Einstein, les galaxies ne possèdent pas à proprement parler de vitesse de déplacement ni par rapport à un substrat ni par rapport à un quelconque repère. Leurs mouvements d'éloignement respectifs proviennent du changement des dimensions de l'espace lui-même ! Les galaxies ne se déplacent pas dans l'espace : c'est l'espace qui se dilate en donnant l'illusion de ces vitesses de déplacement que nous appelons « expansion ».
Une image classique nous aidera à visualiser cette fuite réciproque des galaxies. Préparons un cake avec une pâte qui contient, comme il se doit, de la levure. À la cuisson le gâteau se met à gonfler de sorte que la distance mutuelle de deux raisins secs quelconques croît. Mais on comprend bien que ce phénomène d'écartement mutuel n'est pas dû à un véritable « déplacement » des fruits. En effet, si tout se passe bien, les grains restent distribués de façon homogène, ce qui implique qu'ils demeurent au repos dans la pâte. En revanche, un ensemble de déplacements individuels pourrait avoir des effets indésirables. Si par exemple le mouvement les dirigeait tous vers le bas, il pourrait conduire les raisins (et autres morceaux de fruits confits) à se tasser au fond du moule (1).
La comparaison vaut pour l'Univers : la pâte représente l'espace-temps et les raisins secs, les galaxies. L'espace-temps gonflant, les galaxies, même au repos, s'éloignent les unes des autres. Et si ces galaxies sont en outre animées de vitesses locales particulières, ce phénomène est à distinguer de l'effet global de l'expansion.
Le phénomène d'expansion peut apparaître à première vue comme un non-sens. En effet, si tout y est soumis, la Terre, le Soleil, les unités de longueur, l'atome, etc., si nous grandissons à la mesure de tout ce qui nous entoure, comment cette expansion peut-elle être mise en évidence ?
Une autre image répond à cette objection. En supprimant une des dimensions de l'espace pour les besoins de la présentation, l'expansion d'un univers qui n'aurait que deux dimensions spatiales est correctement représentée par la surface d'un ballon dont on augmenterait la taille en le gonflant. Supposons que des pièces de monnaie représentant les galaxies soient fixées sur cette surface par un point de colle. Alors deux pièces verraient augmenter la distance qui les sépare mais sans qu'aucune pièce ne subisse elle-même de dilatation.
Ainsi de l'Univers. La distance Terre-Soleil est constante; la longueur d'un mètre-étalon ne change pas; les dimensions d'un atome n'augmentent pas. Notre Galaxie ne grossit pas. Seule la distance des amas de galaxies et les distances supérieures subissent l'expansion universelle. Quelle en est la raison ? L'expansion de l'espace-temps est avant tout la solution d'une équation : l'équation de la gravitation d'Einstein. Toutefois cette solution est obtenue grâce à l'hypothèse que l'univers soit homogène, qualité qu'il n'atteint, en moyenne, que sur des échelles suffisamment grandes.
À l'échelle d'une galaxie, l'Univers perd tout souvenir de son homogénéité réelle ou supposée car la densité de matière d'une galaxie est très supérieure à la densité moyenne de l'Univers dans sa globalité. Une galaxie dont on aurait homogénéisé toute la matière (en ne modifiant pas le volume total) contiendrait environ l'équivalent d'un million d'atomes d'hydrogène par mètre cube alors que l'Univers homogénéisé verrait environ un million de fois moins de matière dans le même volume, avec en moyenne un atome par mètre cube. Par conséquent les équations qui conviennent à un univers homogène, ces équations dont l'expansion est la solution, ne s'appliquent pas aux constituants élémentaires de cet univers. Autrement dit, une galaxie n'est pas soumise à la loi de l'expansion universelle.
Les réfractaires aux maths (très élémentaires) peuvent ignorer la fin suivante :
On peut apporter une information plus complète, au prix d'une petite formule de relativité générale. À toute masse M, la théorie de la gravitation à la Einstein associe un rayonR = G M / c 2 , baptisé « rayon de Schwarzschild », qui donne en ordre de grandeur l'échelle de distance sur laquelle la courbure de l'espace-temps se fait sentir. Pour l'Univers entier, ce rayon calculé est précisément égal au rayon réel, ce qui confirme que notre Univers est ostensiblement courbe et que sa description réclame l'usage de la théorie de la relativité générale. Le même calcul effectué dans le cas d'une galaxie fournit un rayon de Schwarzschild de l'ordre de quelques jours de lumière, lequel est dix milliards de fois plus petit que la taille de la galaxie (taille de l'ordre de la centaine de millions d'années de lumière). Dans de telles conditions, cette galaxie voit sa structure décrite convenablement hors de la relativité générale par la théorie de Newton, qui ne prévoit pas d'expansion.
Autre exemple : un trou noir est précisément un objet dont la taille est égale à son rayon de Schwarzschild, et on sait que sa structure relève de la relativité générale, laquelle prédit d'ailleurs dans ce cas un effondrement dynamique auquel l'objet ne peut pas échapper.
On peut apporter une information plus complète, au prix d'une petite formule de relativité générale. À toute masse M, la théorie de la gravitation à la Einstein associe un rayon
Autre exemple : un trou noir est précisément un objet dont la taille est égale à son rayon de Schwarzschild, et on sait que sa structure relève de la relativité générale, laquelle prédit d'ailleurs dans ce cas un effondrement dynamique auquel l'objet ne peut pas échapper.
Conclusion en forme de citation, empruntée à un article paru dans des « FAQ » de relativité (en anglais)
Il y a quelque soixante-dix ans seulement, l'une des plus grandes découvertes de tous les temps révolutionnait l'idée que nous nous faisions de notre Univers : notre monde est en expansion. Histoire vraie...
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
L'expansion de l'Univers est observable. Quand on l'analyse précisément, on trouve que la lumière des galaxies présente une modification par rapport aux spectres obtenus en laboratoire. Au laboratoire, les signatures - les raies - des différents éléments chimiques tels que l'hydrogène, l'azote, le fer, etc., sont situées à des places bien déterminées. Or les raies des spectres des galaxies ne sont pas à leur bonne place, les couleurs visibles se trouvant décalées vers le rouge. Plus précisément, les longueurs d'onde observées sont plus grandes que celles du laboratoire.
L'effet brut (indépendamment de son explication, nous allons y venir) est très courant en astronomie : un tel décalage est observé pour de nombreuses étoiles et autres objets célestes. Il s'interprète comme un effet dû à la vitesse que l'objet émetteur possède par rapport à la Terre. Si cet objet s'éloigne, le spectre est décalé vers le rouge; s'il se rapproche, il est décalé dans l'autre sens, vers le violet. En astrophysique l'importance de cet effet, connu sous le nom d'effet Doppler, est considérable à cause des diagnostics de vitesses (microscopiques ou macroscopiques) qu'il permet.
Il est écrit en maints endroits que le décalage spectral des galaxies est dû à cet effet Doppler, mais la vérité est autre. Comme nous l'avons vu précédemment, les galaxies ne sont pas animées de vitesse de déplacement. L'expansion n'est donc pas justiciable d'un traitement de type « effet Doppler ». Par chance, la formule qui concerne l'expansion est considérablement plus simple. L'analogie suivante va nous le montrer.
Imaginons un élastique sur lequel deux fourmis se déplacent à la même vitesse. L'effet de base à considérer est que la distance entre les fourmis, qui resterait constante en l'absence de variation de longueur de l'élastique, va suivre fidèlement l'allongement ou le rétrécissement éventuel du support. Si l'élastique est deux fois plus étendu, la distance mutuelle doublera; s'il l'est trois fois, elle triplera. De ce fait la distance mutuelle des fourmis constitue une mesure (relative) des dimensions de l'élastique.
L'élastique symbolise l'espace, susceptible comme son image de se dilater ou de se contracter. Les fourmis symbolisent les crêtes successives d'un signal lumineux se propageant dans l'espace. On peut trouver la comparaison très élémentaire, mais il se trouve qu'elle est quantitativement valable. La distance entre deux crêtes successives est ce que l'on appelle la longueur d'onde du rayonnement (par exemple de 0,4 à 0,8 microns pour le rayonnement visible; 3 mètres pour un station de la bande FM; 50 centimètres pour un signal de télévision). C'est cette longueur d'onde qui va s'accorder aux dimensions, à la taille, de l'espace.
En guise d'illustration, imaginons que les émissions de telle station de radio émettant sur Terre à 1829 mètres de longueur d'onde soient reçues sur une planète très lointaine. Si l'Univers, par suite de son expansion, était devenu deux ou trois fois plus grand entre le moment de l'émission et le moment de la réception, la station serait reçue non plus sur 1829 mètres mais sur 3658 m (2 fois 1829 m) ou sur 5487 m (3 fois 1829 m).
Les astronomes ne passent naturellement pas leur temps à capter les émissions radios diffusées par les habitants de galaxies hyper-lointaines, et pour cause (encore que certains semblent croire aux messages venus de l'espace...). En revanche, ils reçoivent et étudient les émissions lumineuses de la matière constituant les galaxies, émissions qui sont de même nature physique que ces ondes (dites électro-magnétiques) perçues par nos récepteurs de radio ou de télévision. Ainsi par exemple vont-ils observer l'émission H
aisément identifiable pour un spécialiste et dont la longueur d'onde initiale de 0,6563 micron à l'émission est bien connue puisqu'elle a fait l'objet d'une mesure de laboratoire.
Supposons alors que l'astronome mesure la position de cette raie dans le spectre et trouve une longueur d'onde de 0,6628 micron, plus grande que le 0,6562 annoncé. Que va-t-il déduire, s'il décide, pour des tas de bonnes raisons, que le décalage est dû à la dilatation de l'espace ? C'est tout simple. À l'aide de sa calculette il constate que la longueur d'onde observée de la raie H est 1% plus grande que la longueur d'onde du laboratoire. Comme il sait aussi que cette longueur d'onde reflète les dimensions de l'Univers, il en conclut que cet Univers est maintenant, à la réception du rayonnement, 1% plus grand qu'il ne l'était à l'époque où l'émission s'était produite1.
N'est-ce pas merveilleusement simple ?
Il nous manque cependant une information précieuse concernant la chronologie des événements. Dans notre exemple, nous disons que l'Univers était 1% plus petit, mais à quelle époque ? C'est la réponse à cette question qui nous fournira le taux d'expansion de l'Univers, c'est-à-dire la mesure de la rapidité avec laquelle le monde se dilate.
Nous sommes confrontés du même coup à une mesure de distance. En effet pour connaître le temps que la lumière a mis pour nous parvenir, il faut évaluer la distance totale qu'elle avait à parcourir, entre la Terre et la galaxie émettrice.
C'est à l'astronome américain Edwin Hubble que revient le mérite d'avoir accompli les premiers sondages en profondeur de l'Univers à une échelle qui allait se révéler... extra-galactique. Il a prouvé (en 1924) que certains objets célestes d'apparence nébulaire, comme la fameuse nébuleuse d'Andromède, étaient situées en dehors de notre propre Galaxie, étendant d'emblée de façon considérable l'échelle du monde. Il reculait les limites de l'Univers en montrant que celui-ci ne se limitait pas à notre seule Galaxie mais qu'il était au contraire constitué d'une myriade de galaxies, d'autres galaxies, dont les distances se comptaient en millions d'années de lumière.
Puis tout en poursuivant ses études systématiques sur la morphologie, la classification et le dénombrement de ces nouveaux « univers-îles » composant notre monde, Hubble affina ses mesures de distance. En combinant mesures de distances et dilatations (ou décalages) des longueurs d'onde mentionnées plus haut, Hubble découvrit un fait extraordinaire : plus la distance des galaxies observées était grande, plus la dilatation en longueur d'onde était grande. Cette proportionnalité entre décalage et distance constitue la fameuse « loi de Hubble ». À cette époque la découverte apparaissait complètement révolutionnaire car elle mettait les astronomes sur la voie d'une interprétation à première vue contraire au bon sens et que seuls quelques théoriciens, comme Einstein, Friedmann et Lemaître, pouvaient commençaient à oser envisager : l'expansion de l'Univers.
De nos jours nous sommes habitués à cette idée que l'Univers se dilate et l'explication de la loi de Hubble peut paraître toute naturelle. Elle est même dans ses grandes lignes d'une simplicité presque élémentaire. Plus nous observons des objets lointains, plus nous remontons dans le temps, puisque la lumière met plus de temps à parcourir une distance plus grande. Mais puisque l'Univers ne cesse de grandir, cela implique que plus nous remontons dans le temps, plus l'Univers était petit à l'époque où le rayonnement que nous recevons de ces objets lointains avait été émis. Nous souvenant que la dilatation des longueurs d'onde suit fidèlement la dilatation de l'espace (la distance entre les fourmis suit l'allongement de l'élastique) nous concluons que, dans un univers en expansion, plus nous voyons loin, plus la dilatation des longueurs d'ondes est grande. C'est exactement l'effet que remarquait Hubble, avec un décalage spectral proportionnel à la distance.
Dans le détail les choses sont beaucoup moins simples pour plusieurs raisons. D'abord le taux d'expansion de l'univers subit un ralentissement et ne peut donc être supposé constant que dans un intervalle de temps suffisamment court. Ensuite, par suite de l'expansion la notion même de « distance » est difficile à définir proprement. En effet lorsqu'un signal lumineux en provenance d'une galaxie vise à atteindre la Terre, celle-ci recule au fur et à mesure que la lumière avance. On a affaire à une véritable course entre la lumière et l'expansion de sorte que la relation entre distance spatiale et distance temporelle est difficile à démêler. Le lecteur intéressé trouvera sur ce site un encadré mathématique assez complet sur la question.
Quelle est la valeur du taux d'expansion de l'Univers ? D'après les estimations actuelles, notre Univers verrait croître ses dimensions au rythme de 1% en 100 ou 200 millions d'années.
L'incertitude d'un facteur 2 (faut-il parler de 100 ou 200 millions ?) dans le résultat peut paraître énorme alors que l'astronomie a - du moins dans le domaine de la mécanique céleste - la réputation d'une précision diabolique. Cette incertitude reflète plusieurs difficultés réelles, qu'il est utile de préciser.
D'abord nous atteignons avec l'observation d'objets extrêmement lointains et de ce fait très peu lumineux les limites de la technique. Ensuite l'arpentage de l'Univers nécessite le changement des méthodes d'analyse au fur et à mesure que la distance des galaxies augmente et on peut facilement comprendre que le raccordement des mesures successives emboîtées les unes aux autres entraîne des erreurs inévitables. De plus dans chaque étape les mesures de distance sont basées sur des relations plus ou moins empiriques qui n'ont que valeur statistique et qui ne peuvent donc pas prétendre à la précision. Les seules déterminations directes de distance sont les mesures géométriques basées sur le déplacement des étoiles proches par rapport aux astres lointains lorsque la Terre change de position sur son orbite autour du Soleil. Mais ces mesures de parallaxe (ainsi que se nomme l'écart de position d'une étoile dû au changement de perspective) sont limitées aux étoiles proches car l'effet est extrêmement petit. Le satellite Hipparcos a réalisé avec une précision inégalée la mesure de la distance de dizaines de milliers d'étoiles mais il est peu probable, pour des raisons de principe (car les étoiles vues avec un pouvoir de résolution trop fort cessent d'être ponctuelles) que l'on puisse étendre de beaucoup ces résultats.
La dernière difficulté est de l'ordre du principe. Il n'est pas évident que la mesure précise du taux d'expansion ait une signification. Je m'explique. Le modèle mathématique qui prévoit une expansion uniforme, bien définie et justiciable d'une mesure sans ambiguïté est un univers de densité homogène et partout identique à elle-même. Or le monde est plus complexe que ce schéma simpliste. Après tout, on n'a pas, à ma connaissance, résolu le problème d'un univers composé, comme le nôtre, de galaxies plus ou moins régulièrement réparties et animées, qui plus est, de vitesses particulières les faisant continuellement interagir. Dans un tel univers, il n'est pas évident que l'on verrait apparaître un taux d'expansion universellement reconnaissable et mesurable en tout point.
Ces réserves sur la signification limitée des modèles standards homogènes ont déjà été faites dans un autre contexte.
Mais quoiqu'il en soit, l'expansion est un phénomène indéniable, et l'ordre de grandeur de sa rapidité est connu. Alors, si l'univers grossit de 1% en un million d'années, quelle était sa taille il y a des milliards d'années ? D'où vient notre monde ?
1. Une précision pourra se révéler utile : quand je parle des « dimensions » de l'espace, qui augmentent dans telle proportion, il s'agit des dimensions linéaires, relatives aux mesures de distances. En volume, la taille de l'Univers augmente comme le cube de cette proportion. Si je dis que les dimensions de l'Univers sont multipliées par 2, j'entends que toutes les distances sont multipliées par 2, mais les volumes sont, eux, multipliés par 2×2×2, soit 8.
La confusion a été faite dans la presse lors de la récente éclipse totale de Soleil du 11 août 1999. Une éclipse totale peut se produire grâce à un hasard tout à fait exceptionnel (peut-être unique au monde !) : le diamètre apparent de la Lune est le même que celui du Soleil, bien que le premier astre soit plus petit que le second. Simplement la Lune a un diamètre 400 fois plus petit que celui du Soleil, mais elle est située aussi 400 fois plus près de la Terre que le Soleil. Ainsi la Lune plus petite mais plus proche apparaît aussi grosse que le Soleil, plus gros mais plus lointain. Cependant, si le Soleil a un diamètre 400 fois plus grand que celui de la Lune, le Soleil est, en volume, 400×400×400 fois, soit 64 millions de fois plus volumineux que la Lune.
La confusion a été faite dans la presse lors de la récente éclipse totale de Soleil du 11 août 1999. Une éclipse totale peut se produire grâce à un hasard tout à fait exceptionnel (peut-être unique au monde !) : le diamètre apparent de la Lune est le même que celui du Soleil, bien que le premier astre soit plus petit que le second. Simplement la Lune a un diamètre 400 fois plus petit que celui du Soleil, mais elle est située aussi 400 fois plus près de la Terre que le Soleil. Ainsi la Lune plus petite mais plus proche apparaît aussi grosse que le Soleil, plus gros mais plus lointain. Cependant, si le Soleil a un diamètre 400 fois plus grand que celui de la Lune, le Soleil est, en volume, 400×400×400 fois, soit 64 millions de fois plus volumineux que la Lune.
Prodigieux : formant une même entité indivisible naissaient il y a une quinzaine de milliards d'années le temps, l'espace, la matière et l'énergie. Dans un cosmos originellement réduit à une taille microscopique mais soumis à une expansion foudroyante allaient apparaître des centaines de milliards de galaxies... Comment imaginer l'inimaginable ?
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Notre Univers est en expansion au taux d'environ 1% en 150 millions d'années (le 150 est une moyenne entre 100 et 200 millions d'années, assez arbitrairement choisie pour continuer à illustrer numériquement l'histoire de notre monde). Faisons alors un rapide calcul. Le taux indiqué signifie qu'il y a 150 millions d'années l'échelle de distance de cet Univers était 1% plus petite. Il y a 1,5 milliards d'années (10 fois plus tôt), ses dimensions étaient réduites de 10%. À ce rythme, supposé constant (cette hypothèse, bien que fausse, n'affecte pas l'ordre de grandeur des nombres qui suivent), cela implique qu'il y a 15 milliards d'années l'Univers était réduit de 100%, c'est-à-dire réduit... à un point. Nous expliquons ailleurs la signification profonde de cette singularité, qui pose un problème puisque le zéro ne correspond à aucun concept physique. Contentons-nous ici de ce résultat proprement stupéfiant : notre Univers existait bien il y a 10 ou 20 milliards d'années mais sous une forme hyper-condensée. Il entamait alors une prodigieuse phase d'expansion, ce que l'anglais nomme « Big-Bang », la grande explosion primordiale.
Il ne faut pas prendre le terme d'explosion dans un sens littéral, en pensant notamment à une explosion soudaine « quelque part » ou dans quelque chose car (faut-il le redire ?) l'Univers n'est pas (et n'était pas) immergé dans « quelque chose ». C'est l'espace lui-même, tout l'espace, qui apparaît d'un coup en voyant augmenter ses dimensions internes. En revanche, le mot d'explosion traduit assez bien le caractère extrêmement brutal et rapide de la détente initiale. Selon les équations qui le décrivent, le taux d'expansion était dans les tout premiers instants inconcevablement plus grand que le taux actuel, au point que la distance entre deux points voisins augmentait à une « vitesse » supérieure à celle de la lumière. Cela ne contredit pas la théorie de la relativité selon laquelle aucune vitesse ne peut dépasser celle de la lumière car il ne s'agit pas ici d'une vitesse ordinaire de déplacement à travers la « pâte cosmologique » (pour reprendre l'analogie connue du gâteau qui gonfle en cuisant) mais d'une vitesse apparente traduisant le gonflement de la pâte elle-même.
L'une des conséquences de la rapidité fulgurante de l'expansion primordiale est que les signaux lumineux issus d'une région donnée de l'espace étaient incapables (le calcul le montre) d'atteindre les régions les plus voisines, empêchant en cela la connexion lumineuse entre différents points de l'Univers de s'établir. Ce résultat est à l'origine d'une des grandes énigmes de la science actuelle car il signifie que les différentes parties de l'Univers étaient au moment de leur création totalement indépendantes les unes des autres. Aucune n'avait pu agir ou réagir sur d'autres. Notamment aucune homogénéisation des propriétés physiques de ces différentes portions n'avait pu s'établir. Or, l'exploration des régions qui nous entourent révèle un aspect inattendu des choses : quoique déconnectées au départ, les différentes parties de l'Univers semblent posséder des propriétés tout à fait identiques en moyenne. Comment se fait-il que des régions entre lesquelles n'existait au départ aucun lien de cause à effet puissent se révéler identiques ? D'où l'Univers tient-il son « identité » ?
Énigme totale ! La science ne sait même pas poser le problème car elle ne dispose pas du cadre théorique dans lequel le formuler. Tout au plus d'autres chapitres de ce livre pourront nous aider à comprendre comment la création du monde se situe nécessairement dans un contexte où les notions de temps, d'espace et donc de causalité au sens classique n'ont plus cours. Mais cela ne fera que reculer la question car nous sommes bien incapables de dire par quoi remplacer des notions reconnues caduques !
Quasi-infinie au début, l'expansion s'est ralentie. Cela a permis aux rayons lumineux émis aux premiers âges d'aller explorer l'espace alentour. Ainsi nous parvient sur Terre la lumière de galaxies de plus en plus reculées, que nous découvrons au fur et à mesure que le temps s'écoule. Notre Univers observable ne cesse de s'étendre : en 10 millions d'années supplémentaires par exemple nous sonderons une profondeur supplémentaire de 10 millions d'années de lumière contenant des millions de galaxies nouvelles. Et ainsi de suite.
Quand l'exploration de notre Univers sera-t-elle complète ? Quand découvrirons-nous les galaxies les plus éloignées, à l'endroit que l'on appelle « anticentre » et constituant une sorte de bout du monde ? C'est une des caractéristiques de l'Univers d'Einstein (lequel nous sert ici de modèle de référence) d'achever son exploration totale au moment même où il atteint son état de dilatation maximum (juste avant d'entamer la phase de recontraction). Il y a là une profonde symétrie, l'achèvement de la connaissance de l'Univers pour tous les observateurs potentiels coïncidant avec l'instant médian séparant les deux phases inverses de dilatation et de compression. Dans un tel modèle, donc, une source (notre Galaxie par exemple) émettant des photons de lumière au tout début de l'expansion (pour les besoins du raisonnement, la galaxie en question est supposée déjà exister à cette époque) achèvera de remplir le monde de sa lumière au moment où l'Univers atteindra sa taille maximum. Incidemment, ce fait illustre parfaitement l'identité entre échelle spatiale et échelle temporelle de l'Univers tout comme l'indivisibilité foncière de l'espace-temps.
Penser que des portions de l'Univers existent tout en étant inaccessibles à notre vue a quelque chose de vertigineux. C'est pourtant une réalité incontestable, qui a d'ailleurs une conséquence elle bien visible : le noir du ciel nocturne.
Si notre Univers était illimité et rempli uniformément de galaxies , nous en rencontrerions forcément une au bout de n'importe quelle direction et le ciel serait uniformément brillant. Le fait que le ciel soit noir prouve que la partie visible de notre monde est finie dans le temps et dans l'espace...
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Nous ne pouvons pas voir la totalité de l'Univers existant pour la bonne raison que les rayons lumineux émis aux premiers âges par des galaxies trop lointaines n'ont pas eu le temps suffisant pour parvenir jusqu'à nous. Si donc une portion de l'Univers nous est accessible en principe, l'autre ne l'est pas. La partie invisible se découvre peu à peu à nos yeux mais il faudra encore peut-être une bonne dizaine de milliards d'années pour qu'elle se révèle entièrement. La partie observable s'étend sur 12 à 15 milliards d'années de lumière, le nombre correspondant à l'âge présumé de notre Univers.
Même si nous ne pouvons pas en distinguer tous les objets, la lumière des points intérieurs à ce volume visible nous parvient bien. Quoique faible, elle produit une sorte de nébulosité diffuse constituant ce que l'on baptise le « fond de ciel » pour signifier que c'est sur ce fond que peuvent se détacher les objets individuels les plus brillants. Les objets très faibles (étoiles peu brillantes de notre propre Galaxie ou galaxies lointaines) se trouvent noyés dans le fond de ciel (qui constitue au sens technique du terme un « bruit », limitant par sa présence le seuil de détection d'un signal). Nous sommes face à une sorte d'immense voie lactée non résolue en éléments distincts et constituée non plus d'étoiles (comme dans le cas de notre « vraie » Voie Lactée) mais de milliards de galaxies jeunes (jeunes, car il s'agit d'objets formés vers le début de l'Univers). En comparaison de notre Voie Lactée qui dessine aux cieux la bande lumineuse que nous connaissons, ce fond lacté est réparti beaucoup plus régulièrement dans l'espace. Cette isotropie reflète une énigme.
La luminosité du ciel nocturne a préoccupé les savants depuis longtemps, bien avant la théorie, admise maintenant, de l'expansion de l'Univers. Pour résumer la discussion, le fond du ciel est beaucoup plus sombre que ne le prévoiraient des calculs basés sur des hypothèses à première vue acceptables. Si en particulier l'Univers était « plat » (euclidien), c'est-à-dire sans courbure appréciable (et, avant Einstein, il n'était pas question d'envisager d'autres cas de figures), et uniformément peuplé de galaxies depuis « toujours » (un « toujours » qui d'ailleurs par l'infini qu'il implique n'a pas grand sens physique), alors ces galaxies recouvriraient tout le ciel sans laisser entre elles le moindre trou. Dans de telles conditions, la luminosité du ciel serait énorme puisqu'elle correspondrait en chaque point à celle d'une galaxie. Grossièrement, ce serait celle d'un ciel tapissé de pleines lunes ! Or, le ciel est noir. Le paradoxe est connu sous le nom de « paradoxe d'Olbers ».
La discussion n'est pas anodine. Aussi étonnant que cela puisse paraître, le fait que le ciel soit noir témoigne de la structure de l'Univers. En effet, cette noirceur du ciel nocturne montre que les hypothèses simplistes antérieures à Einstein ne sont pas tenables. Elle prouve qu'il existe une coupure, une limite, au-delà de laquelle nous ne voyons plus rien. Les calculs montrent que la distance critique en question est de l'ordre de la dizaine de milliards d'années de lumière. La raison de cette coupure ? Aujourd'hui, dans le cadre du modèle d'Einstein, nous la connaissons : cette limite est celle qu'impose l'âge de l'Univers (entre 12 et 15 milliards d'années), un âge qui détermine la taille, forcément finie et réduite, de la portion d'univers observable. Le calcul montre en effet qu'à l'intérieur du volume visible le ciel est suffisamment peu peuplé pour que les galaxies laissent entre elles de grands vides, de sorte que la luminosité totale moyenne que nous observons est bien inférieure à celle qui résulterait du remplissage complet de la sphère céleste.
Le ciel est noir la nuit car nous ne sondons l'Univers que sur une profondeur réduite à environ 12 milliards d'années de lumière, valeur égale en ordre de grandeur à l'âge de l'Univers. En effet les particules de lumière n'ont pas pu disposer d'une durée de trajet supérieure à cet âge et n'ont donc pas pu parcourir des distances plus grandes.
Nous baignons dans une lumière diffuse émise il y a une douzaine de milliards d'années, alors que l'Univers était trois milliards de fois plus petit qu'aujourd'hui. C'est l'une des preuves les plus solides de la justesse de la théorie du big bang...
| Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II |
Notre oeil ne perçoit que les rayonnement « visibles », c'est-à-dire ceux dont la longueur d'onde se situe en gros entre 0,4 et 0,8 micron. De ce fait nous avons tendance à penser que nous pourrions connaître l'Univers en nous en tenant à ce seul domaine spectral. Mais les techniques de ce siècle nous ont permis d'accéder de façon courante à d'autres classes de longueur d'onde, soit plus courtes (au-delà du violet, dans l'ultraviolet et plus loin), soit plus longues (en deçà du rouge, dans l'infrarouge et plus loin), et cette ouverture sur d'autres fenêtres nous a fait réaliser des découvertes marquantes. Ainsi nous détectons actuellement dans l'infrarouge une lumière diffuse émise peu après la naissance de l'Univers mais avant la formation des étoiles et des galaxies, à une époque où le monde devait consister en une masse gazeuse plus ou moins indifférenciée. Expliquons ce qu'il en est.
Selon la théorie du big bang, elle-même issue des équations de la théorie de la gravitation d'Einstein, l'Univers était à l'origine dans un état de température et de densité si élevées que le rayonnement était hautement prépondérant sur la matière. Celle-ci n'a pu se former que par la suite, lorsque la température fut devenue suffisamment basse (si l'on peut dire !), de l'ordre du milliard de degrés. Puis a débuté une phase au cours de laquelle les échanges ont contribué à maintenir un équilibre entre l'une et l'autre forme d'énergie.
Enfin, au bout de quelques centaines de milliers d'années, se produisit un événement qui explique la présence actuelle d'un rayonnement diffus : le milieu universel ne cessant sous l'effet de l'expansion de se diluer dans un volume de plus en plus vaste se trouva s'éclaircir assez brutalement en libérant d'un seul coup la lumière que la matière retenait prisonnière. Alors qu'auparavant la densité de matière était si forte que les photons, sans cesse absorbés dès qu'ils étaient émis, n'avaient pas pu nous parvenir, au contraire, une fois établie la transparence du monde à l'échelle universelle, la lumière se propagea librement sans rencontrer d'obstacle.
Lors du découplage entre matière et rayonnement qui donna lieu à cet éclaircissement de l'Univers, la température commune de ces deux constituants était d'environ 4500 degrés. C'est dans ces conditions que fut émis le rayonnement que nous pouvons qualifier de « primordial » et qui, depuis quelque douze milliards d'années, poursuit sa route à travers le monde. Nous recevons aujourd'hui ceux de ses photons que la Terre intercepte. Seulement le rayonnement a changé d'aspect.
Rappelons-nous : la longueur d'onde d'un rayonnement suit fidèlement l'étirement de l'espace (comme l'intervalle entre les deux fourmis suivait l'allongement de l'élastique). Par conséquent, les différentes radiations constituant la lumière fossile ont vu leur longueur d'onde augmenter en accompagnant l'espace dans son expansion. Plus précisément l'Univers aurait grossi dans ses dimensions linéaires d'un facteur 1500 environ (auquel correspond un facteur 1500×1500×1500, soit plus de 3 milliards en volume) entre l'époque où le rayonnement a été émis et celle où nous le recevons. Les longueurs d'onde sont donc toutes 1500 fois plus grandes qu'à l'origine : au départ exprimées en fractions de microns elles appartiennent aujourd'hui au domaine millimétrique.
Corrélativement - car qui dit longueur d'onde plus grande dit énergie plus petite et donc aussi température plus petite, dans la même proportion - le rayonnement observé correspond de nos jours à une température de trois degrés (2,7 si on tient à être précis), ce nombre trois provenant, d'après le raisonnement, de la réduction par le facteur 1500 (représentant l'effet de l'expansion) des 4500 degrés de départ.
Vieux de douze milliards d'années puisque s'étant propagé pendant ce laps de temps mais aussi étonnamment jeune puisque témoin de phases fort précoces de l'histoire du monde, ce rayonnement fossile diffus constitue l'une des preuves éclatantes de la justesse de l'idée connue sous le nom de « big bang » selon laquelle notre monde est né dans un état de compression extrême pour entamer une prodigieuse expansion. Bien que le soubassement théorique de cette vision du monde soit fourni par la théorie de la relativité d'Einstein, l'invention du big bang est à porter au crédit de Alexandre Friedmann (1888-1925) et Georges Lemaître (1894-1966).
Pour avoir découvert ce rayonnement fossile en 1963, de façon fortuite d'ailleurs, Penzias et Wilson reçurent le prix Nobel. Ils projetaient d'utiliser pour des observations de radioastronomie une antenne chargée à l'origine de capter les signaux des satellites Echo et Telstar. L'instrument avait été conçu selon des caractéristiques spéciales qui le rendaient particulièrement apte à observer de très faibles émissions radio à des longueurs d'onde relativement peu courantes, de l'ordre de quelques centimètres, alors que les grands radio-télescopes classiques étaient prévus pour observer des longueurs d'onde plus grandes. Procédant au réglage et au calibrage de leur instrument ils s'aperçurent de la présence d'un bruit de fond radio parasite dont ils ne parvenaient pas à se débarrasser. Bien leur a pris de s'acharner sur la difficulté et de faire confiance à leur savoir-faire technique. Bien leur a pris aussi de faire part de leur problème à d'autres chercheurs qui, eux, pour les raisons théoriques exposées ci-dessus, pouvaient s'attendre plus ou moins à l'existence d'une telle émission dans cette région de longueur d'onde. S'il pouvait subsister quelques doutes dans l'identification du rayonnement à l'époque même où il fut découvert, ceux-ci sont dorénavant complètement levés. Étant donné l'importance de l'étude du fond diffus cosmologique, un satellite, COBE, lui a été entièrement consacré.
Le rayonnement cosmique fossile possède deux caractéristiques tout à fait exceptionnelles, que voici.
La première est l'extrême degré de précision avec laquelle la répartition de son intensité lumineuse en fonction de la couleur suit la loi théorique connue sous le nom de loi du « corps noir ». C'est même le seul rayonnement de corps noir qu'on trouve dans la nature. Cette loi de corps noir, appelée aussi loi de Planck est valable lorsque le rayonnement est emprisonné par la matière (d'où le nom de corps noir) et que de ce fait il se trouve en équilibre avec elle. Le caractère de corps noir du rayonnement cosmologique montre que les conditions nécessaires à la réalisation de cet équilibre (appelé équilibre thermodynamique) régnaient dans la mixture cosmique d'où provient ce rayonnement, à la manière décrite plus haut. Dans un état d'équilibre thermodynamique, le rayonnement est entièrement défini par un seul paramètre, à savoir sa température (qui se trouve alors justement la même que celle de la matière), ici de 2,7 degrés.
Le deuxième trait exceptionnel du rayonnement cosmologique est son haut degré d'isotropie. Cela est incompréhensible dans le cadre de nos théories actuelles. En effet dans les modèles homogènes satisfaisant aux équations d'Einstein (modèles de Friedmann-Robertson-Walker) il se trouve que l'expansion est tellement rapide à l'origine que les différents points composant l'Univers n'ont pas eu le temps d'établir un lien causal entre eux, la lumière ne parvenant pas à rattraper l'expansion. Autrement dit, les différents points se comportent de façon indépendante et dans ces conditions on ne comprend pas comment a pu se réaliser l'isotropie constatée. Je pense personnellement qu'en tentant d'analyser l'origine de l'Univers nous touchons aux limites de validité de nos théories actuelles, lesquelles sont, sans surprise, insuffisantes sur certains points - comme est insuffisante n'importe quelle théorie au-delà de son domaine possible d'application. Pour avancer, il faut d'autres théories, que nous ne possédons pas.
Le rayonnement fossile occupe de ce point de vue une situation centrale en cosmologie : il est à la fois la confirmation éclatante et l'infirmation définitive de notre théorie. Nul doute que notre monde soit né de façon singulière et qu'il est en expansion, comme le prévoit le modèle du big bang, mais la description de la singularité originelle est impossible (à mon sens) sans un renouvellement théorique complet de nos idées.
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