Mesurer l’univers

Depuis près de 100 ans, la théorie du Big Bang conditionne notre compréhension de l’Univers. Mais derrière cette expression simpliste se cachent de nombreux concepts complexes et vertigineux. Le documentaire Horizon, présenté actuellement au Planétarium, tente de faire la lumière.

Les gens derrière la théorie du Big Bang

Tout a débuté par les travaux d’une astronome qui a calculé pour la première fois la distance nous séparant des étoiles. Puis deux astrophysiciens ont compris que l’Univers était en expansion. Le documentaire japonais Horizon, adapté en français par l’équipe du Planétarium de Montréal, revient sur la naissance de notre compréhension des débuts de l’Univers.

Des étoiles clignotantes

Henrietta Leavitt faisait partie des « calculatrices ». Celles-ci cataloguaient la luminosité des étoiles sur les plaques photographiques de l’observatoire de l’Université Harvard, à partir de la fin du XIX^e siècle. Vers 1910, M^me Leavitt s’est intéressée de plus près aux « céphéides », une catégorie d’étoiles qui clignotent et sont plus lumineuses que notre Soleil. La loi de Leavitt permet de calculer le lien entre la vitesse de clignotement et la luminosité intrinsèque des céphéides. Et donc de calculer leur distance relative, puisque la luminosité apparente décroît avec la distance. Henrietta Leavitt savait que sa découverte allait mener au calcul de la distance entre la Terre et d’autres étoiles, mais elle est morte du cancer à 53 ans, avant d’être témoin de cette grande avancée de l’astronomie.

D’autres galaxies que la Voie lactée

« Et pourtant, elle tourne », aurait dit Galilée après que le pape lui eut défendu d’affirmer que la Terre tournait autour du Soleil et non l’inverse, au début du XVII^e siècle. Mais il a fallu attendre un siècle de plus pour que les astronomes réalisent que le Soleil n’était pas au centre de l’Univers, qu’on estimait à cette époque limité à la Voie lactée. Edwin Hubble, un astronome américain, a par la suite réalisé que notre Voie lactée n’était pas la seule galaxie de l’Univers. « Hubble a déterminé dans les années 20 que les nébuleuses ne faisaient pas partie de la Voie lactée, en se servant de la méthode de calcul de luminosité de Leavitt », explique Olivier Hernandez, directeur du Planétarium de Montréal. « Chaque fois qu’on a commencé à franchir les limites de l’Univers observable, on a réalisé que la dimension dans laquelle on imaginait l’Univers n’était pas la bonne. En fait, il n’y a pas de centre proprement dit de l’Univers. Les étoiles s’éloignent toutes les unes des autres. »

La naissance du Big Bang

Parallèlement aux travaux d’Edwin Hubble, le jésuite belge Georges Lemaître a constaté dans les années 20 à l’Université de Louvain que les étoiles s’éloignaient de la Terre et les unes des autres. Il en a conclu que l’Univers était en expansion. « Lemaître n’a pas utilisé le terme “Big Bang”, mais il a imaginé le concept d’un atome primitif dont tout l’Univers est issu », dit M. Hernandez. À noter, le narrateur du film Horizon est Eiichiro Komatsu, qui dirige l’Institut d’astrophysique Max-Planck à Munich et s’intéresse au début et à la fin de l’Univers.

Le bruit de fond

Prochaine étape dans la compréhension des débuts de l’Univers : la détection du « bruit de fond de l’Univers » dans les années 60. Deux astronomes travaillant sur un nouveau type d’antenne aux laboratoires Bell au New Jersey pensaient au départ entendre un bruit parasite – notamment attribuable à des fientes de pigeon. Mais ils ont plutôt découvert la plus vieille image électromagnétique du début de l’Univers. « C’était une preuve de ce qui s’était passé après le Big Bang, dit M. Hernandez. Lemaître a pu apprendre cette découverte avant de mourir en 1966. »

Les femmes en astronomie

Une seule femme figure parmi les astronomes du film Horizon. Mais plusieurs femmes ont joué un rôle important dans notre compréhension de l’Univers. Le Planétarium accueille en ce moment une exposition sur les femmes en astronomie. Olivier Hernandez a dressé pour La Presse une liste de huit astrophysiciennes célèbres, outre Henrietta Leavitt.

Les premières secondes du Big Bang

Les avancées des théories et des mesures astrophysiques ont permis de mieux comprendre ce qui s’est produit immédiatement après le Big Bang. En 2014, des astrophysiciens américains ont utilisé un télescope en Antarctique pour confirmer la « théorie de l’inflation cosmique ». Cette théorie avait été proposée en 1979 par l’astrophysicien Alan Guth, du MIT, pour expliquer ce qui s’est produit dans les secondes ayant suivi le Big Bang. Résumé en une image.

Inflation

La taille de l’Univers passe de celle d’un atome à celle d’un pamplemousse en une fraction de seconde

Formation de protons

La température diminue rapidement, et quand elle descend à environ 1 million de milliards de degrés Celsius, les premiers protons sont formés à partir de particules plus petites, comme des électrons et des quarks.

Début de la fusion nucléaire

Une minute après le Big Bang, formation de deutérons, un proton et un neutron ; la température de l’Univers est d’environ 1 milliard de degrés Celsius.

Fin de la fusion nucléaire

Quelques dizaines de milliers d’années après le Big Bang, la température devient assez basse, 10 000 degrés Celsius, pour que des atomes soient créés.

Formation de l’hydrogène neutre

380 000 ans après le Big Bang, la température a encore baissé, à 3000 degrés Celsius, et l’apparition de l’hydrogène neutre permet à la lumière de circuler.

Sources  :  Harvard, UCLA, NASA

La question des élèves

Regardez la question posée par le groupe de secondaire 1 de l’enseignante de sciences Julie Martin à l’école Beaurivage, sur la Rive-Sud de Québec.

Question : Comment l’univers s’est-il créé ?

Réponse : Les astrophysiciens ont développé une théorie pour expliquer l’histoire de l’Univers qui remonte jusqu’à un moment où toute la matière était contenue dans un point très massif, mais gros comme un atome. Il y a 13,8 milliards d’années, une explosion est survenue et a provoqué la naissance de l’univers à partir de ce moment. Grosso modo, après le « Big Bang », les blocs de base de notre univers, des électrons, des protons et des neutrons, sont apparus. Au fur et à mesure que l’Univers prenait de l’expansion après ce « grand boum », sa température diminuait. Quand la température a été assez basse, 380 000 ans après le début de l’expansion de l’Univers, la matière a commencé à être visible. Ensuite ont été créées les premières étoiles, puis les premières galaxies.

Le terme « Big Bang » est contesté par certains chercheurs. La semaine dernière, à un souper en l’honneur des Prix Nobel américains à l’ambassade de Suède à Washington, l’astrophysicien James Peebles a affirmé qu’il détestait le terme « Big Bang ». Pour ce professeur émérite de l’Université Princeton qui a reçu le Nobel de physique en octobre, cela suppose qu’il n’y avait rien avant celui-ci.

« Selon Peebles, il n’y a pas forcément d’avant le “Big Bang” », dit Olivier Hernandez, directeur du Planétarium. Essentiellement nous voyons les limites de l’univers visible. « On n’a pas de théorie pour ce qu’on n’est pas capable de voir. Il est difficile d’imaginer ce qui existait avant l’explosion primordiale de cet atome primitif. » Seulement 5 % de la matière de l’Univers est visible.

M. Peebles, qui est né et a grandi au Manitoba, a reçu le Nobel en raison de ses travaux sur les « ondes gravitationnelles » qui sont le vestige des premières secondes après le « Big Bang ». Il a admis, en entrevue avec l’AFP, ne pas avoir de meilleur terme que « Big Bang » à proposer et donc continue à l’utiliser.

Le « Big Bang » est parfois appelé « singularité » parce que toute la masse de l’Univers était contenue dans l’espace d’un seul atome actuel. Le mystère qui entoure ce qui précédait le « Big Bang » et cette notion de « singularité » amènent certains croyants à l’expliquer par une intervention divine.

Dans le film Horizon, l’astrophysicien Eiichiro Komatsu évoque à un certain point le concept de « détermisme » pour parler de l’évolution de l’Univers à partir de ce qui existait au moment du « Big Bang ». Ce concept de déterminisme est souvent associé à une intervention divine.

Mais M. Hernandez connaît bien la pensée de M. Komatsu et est certain qu’il ne croit pas que Dieu a causé le « Big Bang » voilà 13,8 milliards d’années. « À première vue, on se dit, ouh, il parle de déterminisme, dit M. Hernandez. Mais ce qu’il dit en fait, c’est qu’on pose la question dans le mauvais sens. L’Univers a créé des choses et, une de ces évolutions lointaines, c’est l’apparition de l’homme et de sa pensée critique qui analyse tout ça. Mais en fait, il n’y a pas de lien de cause à effet dans tout ça. »

Dans le cadre d’un projet spécial, des écoles québécoises ont soumis des questions scientifiques à notre journaliste, qui y répondra d’ici à la fin de l’année scolaire. Si votre école désire participer au projet, où que vous soyez au Québec, écrivez à mperreault@lapresse.ca