La naissance de l’univers, les trois premières minutes

L’univers serait-il né en trois minutes ? Ces trois premières minutes, sont le fruit de modèles et d’observations de physiciens, mathématiciens, chimistes, astrophysiciens extraordinaires qui ont tous collaboré au fil du temps, en se connaissant ou pas, à la question que soulève la naissance de l’univers. Ces hommes dans leur génie ont su rendre accessible leurs théories, à tel point qu’ils savent les expliquer comme une histoire qui pourrait-être entendue par un enfant.

Ici, face à l’immensité, placé devant la double interrogation de l’infiniment petit et de l’infiniment grand, une fascination nous étreint mais également un enthousiasme nous envahit : l’homme grâce à son intelligence et à son intuition peut concevoir une histoire de l’univers. Certes, dans son ensemble elle s’appuie sur les yeux scrutateurs des télescopes mais pour ce qui concerne les trois premières minutes de l’univers, ils deviennent aveugles, ils ne sont plus assez puissants ; un gigantesque monument souterrain prend le relais, l’accélérateur de particules du Centre européen de recherche nucléaire (CERN) en Suisse (1). En son sein les équations mathématiques peuvent de nouveau s’observer pour continuer l’histoire. Celle-ci est tellement belle, qu’elle peut se lire et se dire comme une histoire que l’on raconte au coin du feu pour émerveiller petits et grands.

Il était une fois…

Il était une fois alors que le temps et l’espace venaient à peine de naître et qu’ils étaient encore repliés sur eux-mêmes, il eut lieu une grande explosion que la science physique nomme Big Bang (2). La genèse de l’univers vue par la science commence… non pas par une explosion comme celle que l’on peut voir sur la terre partant d’un centre déterminé et s’étendant en englobant un volume croissant de l’air environnant, mais par une explosion qui eut lieu partout simultanément, remplissant tout l’espace depuis le début ; chaque particule fuyant toutes les autres. Sommes-nous certains de cette explosion ? Non, disent les physiciens et les astrophysiciens, c’est un modèle, une théorie à laquelle nous conduit la relativité générale d’Einstein (3).

Une fraction de seconde après l’explosion

En fait, l’univers entame son histoire une fraction de seconde après ladite explosion, pour être exact à 10^-43 secondes, soit le temps de Planck. Pour nous donner une idée de ce temps : la durée d’un flash photographique occuperait un milliard de milliards de fois plus de temps dans l’histoire entière de l’univers que 10^-43 secondes n’occuperait dans une seconde. C’est vertigineux.
À ce moment, l’univers avec une température de 10³² degrés Celsius est plus brûlant que n’importe quel enfer mythologique. Sa dimension de 10^-33 centimètres de diamètre est 10 millions de milliards de milliards de fois plus petite qu’un atome et sa densité 10⁹⁶ fois la densité de l’eau. Nous avons du mal à établir une représentation d’une telle densité ; imaginons un troupeau d’éléphants et faisons-le contenir dans une tête d’épingle, nous commençons à entrevoir un début de réalité.

À ce moment, l’univers est tellement jeune que la lumière ne peut voyager bien loin, son horizon cosmologique est proche, alors qu’aujourd’hui il est de 47 milliards années-lumière. L’énergie est incommensurablement grande. L’univers est contenu tout entier dans une sphère des centaines de milliards de milliards de fois plus petites qu’un noyau d’un atome. Le vide règne.
Il ne s’agit pas de vide calme et temporel dépourvu de substance et d’activité mais d’un vide vivant, bouillonnant de toute l’énergie que l’explosion primordiale y a injectée.

La première sonnerie de l’horloge cosmique

Arrive la première sonnerie de l’horloge cosmique. Nous voilà à 10^-32 secondes après le Big Bang. L’univers grâce à une fantastique dilatation appelée « inflation » devient un peu moins dense et moins chaud. Cette période d’inflation se passe dans une fourchette infinitésimale entre 10^-35 et 10^-32 secondes. Dans cet intervalle de temps, l’univers grandit d’un facteur de 10⁵⁰. Il passe d’une tête d’épingle à une orange, c’est l’état inflationnaire ou l’univers orange.
Les premières particules élémentaires font leur apparition, de ce vide bouillonnant d’énergie surgit une purée de quarks (les « briques » de la matière) (4), d’électrons (les « grains » d’électricité) (5) et de neutrinos (particules fantomatiques sans masse ni charge) (6). Cette purée de quarks, d’électrons, et de neutrinos émergeant du vide se mêle à un bain de photons (7).
En même temps que la matière fait son apparition l’antimatière rentre en jeu. Celle-ci est composée d’antiparticules ayant les mêmes propriétés mais dont la charge électrique est de signe opposé. Parce que l’univers est électriquement neutre, la présence de l’antimatière est nécessaire pour contrebalancer les charges de la matière.
Particules et antiparticules s’étreignent pour devenir lumière. Électrons et positrons (les « grains » d’électricité de charge positive) (8) se neutralisent.
Aujourd’hui les positrons, de masse identique à celle de l’électron, ne se trouvent que dans les laboratoires ou dans des phénomènes astronomiques violents tels que les rayons cosmiques et les supernovæ.
À leur tour, les photons se métamorphosent en paires particule-antiparticule. Matière, antimatière et lumière disparaissent dans des cycles infernaux de vie et mort. C’est le principe de création et d’annihilation. Mais voilà, s’il y avait eu autant de particules que d’antiparticules l’histoire de l’univers et par la même notre histoire s’arrêterait là.
Face à cette balance cosmique la Nature fait son choix, elle opte pour la matière et un des plateaux penche sous le poids des particules. Ainsi pour chaque milliard d’antiparticules qui vont surgir du vide, il y aura un milliard plus une particule qui apparaîtront. Pour chaque milliard de particules et antiparticules qui s’annihileront pour se métamorphoser en un milliard de photons, une particule de matière survivra.

La seconde sonnerie cosmique

Puis, au milieu de ce ballet de particules élémentaires qui donne vie à un décor que seul Kandinsky (9) saurait immortaliser avec ses pinceaux, se fait entendre une deuxième sonnerie à l’horloge cosmique. Son carillon sonne à 10^-6secondes soit un millionième de seconde après le Big Bang (la première a retenti à 10^-32 secondes).
L’univers s’est refroidi à 10 000 milliards de degrés et le mouvement des quarks a terriblement diminué. La sonnerie se fait entendre un peu plus longtemps, à 10^-2 secondes soit une centième de seconde après le Big Bang. L’univers atteint la température de 100 milliards de degrés. C’est le moment le plus ancien dont nous puissions parler avec une certaine assurance nous dit le physicien Steven Weinberg (10). À ce moment, le mouvement des quarks a considérablement ralenti, leur permettant de se combiner trois par trois pour engendrer proton (11) et neutron (12).
Mais voilà, cette trinité de quarks a besoin d’une colle très forte ou une sorte de ciment à prise rapide, et intervient la force nucléaire forte (13) qui soude les quarks trois par trois. Quelques trois minutes plus tard, de nouveau la force nucléaire forte interfère pour rassembler protons et neutrons et former les noyaux d’hydrogène et d’hélium. La précision est telle, qu’elle défie les lois du hasard. Après trois minutes, 98% de la masse de l’univers est constituée avec 75% de noyau d’hydrogène, et 23% de noyau d’hélium. À ce point, l’univers est arrivé au maximum de ce qu’il peut faire, il ne parvient pas à fabriquer des structures plus complexes.
Baigné dans une soupe de noyaux d’hydrogène et d’hélium, d’électrons, de photons et de neutrinos l’univers poursuit son expansion. Il semble se reposer de son accouchement.

380 000 ans plus tard…

Il faut attendre 380 000 ans pour qu’il se passe de nouveau quelque chose. La température de l’univers baisse considérablement et atteint 3000 degrés. Un nouvel acteur, tapi dans l’ombre de l’arrière des coulisses de l’univers, depuis 10^-10 seconde après le Big Bang, rentre en scène. La force électromagnétique (14) fait son entrée sur le plateau du théâtre cosmique. Elle permet de construire la matière atomique en poussant chaque proton de s’unir à un électron et à deux protons de se marier avec deux électrons. Nous assistons à un nouvel enfantement, la naissance des deux titans de l’univers scientifique, l’atome d’hydrogène et l’atome d’hélium.
Enfin, après 380 000 ans d’expansion, la lumière peut se libérer du monde opaque dans lequel elle était emprisonnée.
Alors commence une autre histoire, en quelque sorte l’acte de II de l’histoire de l’univers. C’est un autre récit qui débute en l’an – 380 000.

Depuis 2013, il est raconté en détail par le satellite Planck, qui avec son œil de cyclope 30 à 20 fois plus précis que ses prédécesseurs (Cobe 1992, WMAP 2001) nous fait rêver sur ce monde qui nous a enfanter, celui des galaxies et des étoiles.

« L’histoire de l’univers, c’est notre histoire car nous sommes tous des poussières d’étoiles. » Trinh Xuan Thuan

(1) Accélérateur de particules mis en fonction en 2008, le plus puissant construit à ce jour et présenté comme étant le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques. 10^-12 seconde est le temps le plus proche du Big Bang qui peut être reproduit au sein de l’accélérateur
(2) Terme inventé en 1950 par son principal détracteur Fred Hoyle (1915-2001) qui défendait la théorie d’un univers stationnaire, en opposition à l’univers standard (théorie du Big Bang)
(3) Physicien théoricien helvetico-américain (1879-1955) découvreur de la théorie générale (1915). Il propose un modèle sur lequel repose la théorie du Big Bang. Aujourd’hui, ce modèle trouve sa validité dans les observations de l’expansion de l’univers, l’abondance d’hydrogène et d’hélium dans l’univers, et le rayonnement fossile, découvert en 1964. Le rayonnement fossile est le rayonnement électromagnétique très homogène observé dans toutes les directions du ciel et à l’émission d’un rayonnement thermique à l’époque de l’univers primordial
(4) Particule découverte par le physicien américain Murray Gell-Mann (1929-2019) dans les années soixante, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1969
(5) Particule découverte par le physicien britannique Joseph John Thomson (1856-1940) en 1897
(6) Particule découverte par le physicien autrichien Wolfgang Pauli (1900-1958) en 1930, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1945
(7) Particule révélée à la lumière en 1923 par le physicien américain nobélisé Arthur Holly Compton (1892-1962) grâce à l’effet électromagnétique qui porte son nom. Cela lui valut le prix Nobel de physique en 1927
(8) Particule prédite par le mathématicien et physicien britannique Paul Dirac (1902-1984) et révélée en 1933 par le physicien américain Carl-David Anderson (1905-1991) qui pour cette découverte reçut le prix Nobel de physique en 1936
(9) Peintre russe naturalisé allemand puis français (1866-1944) souvent considéré comme l’auteur de la première œuvre d’art abstrait, auteur du livre le spirituel dans l’art
(10) Physicien américain (né en 1933), prix Nobel de physique en 1979 avec Abdus Salam et Sheldon Glashow pour la théorie de l’interaction faible
(11) Particule découverte par le physicien et chimiste néo-zélandais Ernest Rutherford (1871-1937) en 1920. Prix Nobel de chimie en 1908
(12) Particule découverte par le physicien britannique James Chadwick (1891-1974) en 1932. Disciple de Rutherford, il reçut pour sa découverte le prix Nobel de physique en 1935
(13) Elle doit ses équations grâce au physicien japonais Hideki Yukawa (1907-1981). Il reçut le prix Nobel de physique en 1949 pour sa découverte du méson
(14) La force électromagnétique ou force de Lorentz voit définitivement le jour grâce au physicien néerlandais Hendrik Lorentz (1853-1928). Il partage le prix Nobel de physique en 1902 avec son collègue néerlandais le physicien Pieter Zeeman (1865-1943) pour leurs travaux de l’influence du magnétisme sur les phénomènes radioactifs.

Quelques chiffres importants à retenir

 . 10^-43 seconde temps de Planck – 10^-33 centimètres dimension de l’univers au temps de Planck – 10⁹⁶ fois la densité de l’eau, la densité de l’univers au temps de Planck
. 10^-35 à 10^-32 secondes : La période de l’inflation où l’univers grandit de 10⁵⁰ dans ce laps de temps infinitésimal. Apparition du vide d’une purée de quarks, d’électrons, de neutrinos et de photons
. 10^-6 à 10^-2 secondes : Les quarks s’unissent trois par trois pour former protons et neutrons.
. 3 minutes : 98% de la masse de l’univers est constituée (75% de noyau d’hydrogène, 23% de noyau d’Hélium)
. 380 000 ans : Naissance des atomes d’hydrogène et d’hélium – La lumière se libère

Bibliographie :
– Le destin de l’univers, le Big Bang et après, TRINH XUAN Thuan, Éditions Gallimard, 1992
– Les trois premières minutes de l’univers, Steven WEINBERG, Édition Points, collection Sciences, 1978

par Olivier LARRÈGLE