La cosmologie d’aujourd’hui est-elle dans l’impasse ?

Voilà presqu’un siècle, le prêtre et physicien Georges Lemaître formulait son intuition sur le commencement de l’univers. Il fondait ainsi les bases de ce que nous appelons aujourd’hui la théorie du Big Bang. Cette théorie eut beaucoup de détracteurs, y compris Albert Einstein au début, mais finit par s’imposer. Les développements de l’observation et de l’analyse de ces trente dernières années ont apporté des données nouvelles, et des théories diverses ont tenté d’interpréter la singularité du commencement de l’univers. Quelles nouveautés, quelles mises en cause ?

Des piliers théoriques confirmés

La théorie du Big Bang s’appuie principalement sur deux constats reconnus. En premier lieu, l’observation de Hubble prédite par Lemaître [1] : plus les objets célestes sont éloignés de la Terre, plus leur spectre lumineux est décalé vers le rouge. Ce décalage vers le rouge s’interprète comme le son d’avertisseur d’ambulance, qui paraît se décaler vers les graves quand le véhicule s’éloigne. La loi de Hubble-Lemaître conduit à considérer que l’univers est en expansion : plus un objet stellaire est éloigné de nous, plus vite il s’éloigne. En remontant dans le temps, les astrophysiciens ont construit un modèle d’histoire de l’univers, qui certes peut se lire comme un récit fondateur. À l’origine, l’ensemble du contenu de l’univers est concentré sur un espace réduit, et s’étend dans l’espace. Ce n’est que 380 000 ans après cet instant initial que la matière et la lumière se distinguent l’une de l’autre et commencent d’interagir. Cette reconstitution paraît étrangement proche du récit de la Genèse, avec son fameux « fiat lux », succédant à la création « du ciel et de la terre », et nombre de théoriciens se trouvent gênés par cette conformité.

Mais par ailleurs le récit fondateur du Big Bang prévoit que la chaleur élevée de l’univers à ses débuts donne lieu à un rayonnement de fond, caractérisé par une température uniforme, analogue à ces températures de lumière que l’on vous indique sur les ampoules lumineuses récentes. Or ce fond diffus cosmologique est en effet observé.

Le récit du Big Bang consacre comme piliers deux corpus désormais mis en cohérence l’un avec l’autre : la théorie de la gravitation universelle d’Isaac Newton, et la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein qui l’actualise. Désormais, la gravitation s’interprète comme la déformation de l’espace-temps par les masses. Cette déformation peut être comparée à celle d’une toile tendue sur laquelle on pose des boules. La toile se déforme sous le poids des boules, et celles-ci vont se rapprocher les unes des autres. En second lieu, l’interaction entre deux corps n’est pas immédiate, mais retardée par le temps nécessaire à une information pour aller d’un corps à l’autre.

La gravitation et la relativité continuent de démontrer leur fécondité. Ainsi, les référentiels de temps et d’espace développés par la communauté des observatoires astronomiques mondiaux tiennent-ils compte des effets relativistes pour définir le Temps terrestre, temps défini au voisinage immédiat de la Terre, non soumis aux caprices de la rotation terrestre et à son très progressif ralentissement, mais tenant compte de l’effet relativiste de la révolution autour du Soleil. La précision de mesure des temps est indispensable au bon fonctionnement de nos GPS. Dans un autre domaine, les ondes gravitationnelles, prévues par la théorie de la relativité générale, sont désormais observées notamment par une équipe française sous l’égide de Luc Blanchet, de l’Institut d’Astrophysique de Paris. Nous comparions plus haut l’espace-temps à une toile déformée par les masses qui s’y trouvent. On peut dire que les ondes gravitationnelles sont une vibration de cette toile, causée par de fortes secousses en l’un de ses points. Il faut la rencontre de deux corps très massifs, comme deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs, pour créer un tel train sismique.

De nouvelles découvertes défiant le sens commun

Les progrès de l’observation de l’univers et de l’interprétation des données collectées, toujours plus nombreuses, ouvrent des questions nouvelles. Celles-ci sont résumées dans un ouvrage récent, À la recherche de l’univers invisible, de David Elbaz, astrophysicien au laboratoire de cosmologie et d’évolution des galaxies au Commissariat à l’Énergie Atomique, dont je m’inspire largement pour en rendre compte ci-dessous.

L’étude des galaxies, de leurs mouvements propres et de leurs évolutions vient à considérer qu’il existe des éléments non observés et peut-être non observables dans l’univers : de la matière noire, de l’énergie noire et des trous noirs. Par un rapide passage en revue de ces objets, nous réfléchirons avec David Elbaz à la démarche du scientifique pour réduire les incohérences du corpus théorique face aux constats issus des observations.

La matière noire, ou pourquoi les galaxies ne tournent pas rond

C’est en observant l’amas de galaxies de la chevelure de Bérénice que Franck Zwicky a fait des constats qui allaient susciter le concept de « matière noire ». La reconstitution des mouvements de galaxies au sein de ces amas à l’aide des lois de la gravitation nécessite que l’on ajoute à la masse visible une part très importante de masse « cachée », seule capable d’expliquer pourquoi les galaxies restent proches les unes des autres. Cette masse cachée explique aussi pourquoi les étoiles extérieures de la galaxie d’Andromède, la galaxie la plus proche de nous, se meuvent à une vitesse plus faible que ne le prévoit leur distance par rapport au centre de galaxie.

Une partie de cette masse invisible aux instruments optiques a pu être observée sur d’autres canaux d’observation, notamment les rayons X. Mais à ce jour, il resterait dans les galaxies au moins 6 fois plus de matière noire que de matière observée d’une manière ou d’une autre. D’autres études conduisent à s’interroger sur la constitution même de cette matière noire. Est-elle faite d’atomes relevant de la table périodique des éléments, ou de composants totalement inconnus de notre chimie terrestre ?

Quoi qu’il en soit, l’hypothèse de la matière noire relève de ce que David Elbaz appelle « l’illusion uranienne », que je baptiserai plutôt « paradigme uranien ». Ce modèle consiste à répondre à l’observation d’une différence entre une trajectoire observée et celle prévue par les calculs en supposant l’existence de corps non observés. Ainsi, Urbain Le Verrier a proposé en 1846 l’existence d’une huitième planète, qui s’avéra être Neptune, sur la base des irrégularités de la trajectoire d’Uranus découverte fortuitement par Herschel en 1781. En l’espèce, ce paradigme a été fécond, au sens où l’observation a confirmé les calculs. Mais la matière noire, même si elle paraît de mieux en mieux approchée, n’est toujours pas directement observée.

Une alternative à la matière noire : la dynamique newtonienne modifiée

Certains théoriciens réfutent toutefois la matière noire, suivant là une autre démarche que nous pourrions appeler le « paradigme mercurien », deuxième illusion mentionnée par David Elbaz. Ce même Urbain Le Verrier, qui avait découvert Neptune à partir des irrégularités de trajectoire d’Uranus, s’est intéressé aux irrégularités de l’orbite de Mercure, la planète la plus proche du Soleil. Il a postulé l’existence d’une nouvelle planète, baptisée Vulcain, pour expliquer ces irrégularités. Nous savons aujourd’hui que la part relativiste de la théorie de la gravité explique totalement l’orbite de Mercure. Le paradigme mercurien consiste ainsi à rechercher une nouvelle théorie ou une extension de la théorie existante pour expliquer les phénomènes non conformes.

En juillet 1983, le physicien Mordelhai Milgrom, de l’Institut Weizmann en Israël, proposait une modification de la dynamique newtonienne. Cette théorie, baptisée MOND pour MOdified Newtonian Dynamics [2], postule un changement de la théorie de gravitation applicable quand les corps en attraction mutuelle sont à de très grandes distances les uns des autres. Pour faire très simple, la force d’attraction aurait une composante proportionnelle à l’inverse de la distance. La formule de Newton postule une force d’attraction proportionnelle à l’inverse du carré de la distance. Cette composante est largement prédominante pour les distances terrestres et même planétaires. Aux distances intergalactiques, la composante en 1/r deviendrait prédominante, et expliquerait l’attraction entre galaxies plus importante qu’avec la seule composante en 1/r².

Cette théorie a connu quelques aménagements, et notamment paraît s’accommoder d’un peu de matière noire, sous forme de neutrinos, particules connues mais très difficiles à observer. Une autre piste, suivie notamment par Luc Blanchet (Institut d’Astrophysique de Paris) et Françoise Combes (Observatoire de Paris), consiste à faire intervenir une matière noire constituée de dipôles gravitationnels, par analogie aux dipôles électriques. La relativité générale reste alors la loi gravitationnelle de référence, mais il faut accepter le concept de « masse négative », ce qui pose d’autres problèmes théoriques. À ce jour, on se trouve devant deux théories permettant de rendre compte de manière satisfaisante des observations, mais qui s’opposent sur le plan métaphysique.

L’énergie noire, ou pourquoi l’expansion s’accélère

Notre connaissance de la loi de gravitation universelle nous suggère que le mouvement d’éloignement relatif des galaxies entre elles, sous la poussée de l’énergie du Big Bang initial, est compensé par leur attraction mutuelle, qui a tendance à ralentir cet éloignement.

Dans les années 1990, les équipes de Saul Perlmutter à l’université de Berkeley et de Bob Kirshner à Harvard s’intéressèrent à la relation entre la vitesse d’éloignement et la distance des galaxies, en s’appuyant sur un certain type de supernovæ. Ces phénomènes explosifs qui résultent de l’effondrement d’une étoile dégagent pendant seulement quelques jours une lumière extrêmement puissante, de l’ordre de grandeur de celle de toute une galaxie. L’évolution de l’intensité de la lumière produite suit une même loi, quelle que soit la supernova. En conséquence, la quantité de lumière que nous percevons dépend uniquement de la distance à laquelle elle se trouve, ou plutôt se trouvait au moment de l’explosion. Voilà donc un moyen de mesurer finement la relation entre la distance d’un astre et sa vitesse d’éloignement. Or voici ce que les deux équipes découvrirent. Bien loin de se ralentir, l’expansion s’accélère. L’observation de dizaines de supernovæ au cours des années 1990 et 2000 ne put que confirmer cette accélération.

L’interprétation standard d’aujourd’hui consiste à postuler une nouvelle énergie jusqu’ici inconnue, « l’énergie noire ». Alors que la gravité a tendance à ralentir l’expansion par l’attraction mutuelle des galaxies, l’énergie noire l’accélère depuis 6,2 milliards d’années sur les quelque 13,8 milliards d’années de notre univers.

La variante de la « bulle de Hubble »

Il existe toutefois une autre interprétation de cette apparente irrégularité de l’expansion. David Elbaz la rapproche de ce qu’il appelle l’« illusion martienne ». Voici en quoi cela consiste. Si nous observons la planète Mars de notre Terre, nous constatons qu’à certaines époques, elle semble progresser sur l’écliptique en mouvement rétrograde par rapport au sens général des planètes. Ce mouvement était interprété par certaines civilisations comme un mauvais présage pour les lieux ou les populations que ce mouvement inversé désignait. Depuis que Copernic a remis la Terre à sa place dans le système solaire, nous comprenons que cet effet de perspective n’est dû qu’aux positions respectives de la Terre et de Mars dans le système solaire. Antérieurement à cela, notre position particulière dans l’univers perceptible, c’est-à-dire dans le système solaire, induisait de notre part une interprétation erronée du mouvement de Mars.

Or, serait-il possible que nous occupions une position particulière dans la distribution des galaxies qui viendrait à perturber la vision que nous avons de l’expansion de l’univers ? Idit Zehavi, Adam Riess et Robert Kirshner ont émis cette hypothèse dans un article de 1998. Ils se fondent sur 44 supernovæ de type 1a, celles que nous avons évoquées plus haut. Ils en concluent que le système solaire se trouve dans une sorte de bulle, baptisée « bulle de Hubble » (Hubble bubble), relativement plus vide que l’espace stellaire qui l’entoure. Les galaxies à l’intérieur de cette bulle sont attirées par la matière périphérique. La mesure de l’expansion de l’univers à partir d’objets de cette bulle ne rend donc pas compte de l’expansion générale de l’univers. Toutefois, des observations et études plus récentes (Conley, 2007 ; Moss, 2010) concluent à une très faible probabilité que notre Terre se trouve dans une zone de vide stellaire telle que nous surestimions le taux d’expansion de l’univers.

Les trous noirs : Graal ou fausse piste ?

Certains cosmologues ont cherché à justifier l’excédent de matière noire avec les trous noirs. Le concept de trou noir est reconnu et permet de comprendre de nombreuses observations. Il a été formulé dès le XVIII^e siècle par le géologue John Michell et le mathématicien et physicien Pierre-Simon de Laplace, mais a été repris et précisé dans le cadre de la Relativité générale. À l’origine du concept, le constat suivant : plus grande est une planète de densité fixée, plus importante est la vitesse de libération, c’est-à-dire la vitesse que doit acquérir un astronef situé à la surface de la planète pour échapper à son attraction [3]. Il en résulte qu’un objet ne peut plus s’échapper de l’attraction de la Terre si le rayon de celle-ci dépasse 174 millions de kilomètres (soit dit en passant, une valeur supérieure à la distance entre le Soleil et la Terre !) Cependant, les calculs de Michell et Laplace, basés sur la mécanique classique, ne permettent pas d’envisager la capture de la lumière par un trou noir.

La Relativité générale, qui postule que la gravitation imputable à un objet massif se manifeste par une déformation de l’espace-temps autour de cet objet, prévoit qu’une concentration de masse telle que la vitesse de libération nécessaire soit supérieure à la vitesse de la lumière ne laisse échapper aucun objet ni aucune lumière qui s’aventurerait trop près. En une telle région, l’espace-temps s’effondre comme en un puits dont aucun objet ni aucune lumière ne peut sortir. C’est un trou noir. Il n’émet ni ne réfléchit aucune lumière, mais on peut détecter sa présence par les vitesses d’évolution des corps qui l’entourent et les effets de lentille cosmologique déformant les images des objets situés dans son arrière-plan.

Il est admis aujourd’hui que le centre de nombreuses galaxies, y compris la Voie Lactée, est occupé par un trou noir supermassif, de plusieurs millions de masses solaires. Les trous noirs les plus petits prévus par la théorie et confirmés par l’observation résultent de l’évolution d’étoiles d’au moins 3,3 masses solaires. Ces catégories de trous noirs résultent de l’évolution d’étoiles ou de galaxies.

Or certains théoriciens se sont appuyés sur les trous noirs pour avancer des théories explicatives de la matière noire ou de l’énergie noire. Ils suivaient en cela un quatrième type de paradigme, que David Elbaz appelle la maya cosmique. Elle consiste à remettre en question les notions qui nous paraissent les plus fondamentales, par exemple d’espace physique à trois dimensions ou la structure de la matière.

Ainsi les physiciens Stephen Hawking et Bernard Carr ont proposé, dans les années 1970, l’existence de trous noirs « primordiaux », formés peu après le Big Bang. Ce mécanisme aurait créé une profusion de mini trous noirs, composés d’éléments de matière plus denses que les plus denses des particules élémentaires connues, les quarks. Ces trous noirs primordiaux constitueraient la matière noire non observée jusqu’à présent.

Les trous noirs pourraient également expliquer l’énergie noire, en ceci : à une densité moyenne de 1,6 atome par mètre cube, y compris la matière noire induite par les observations, l’univers assimilé à une boule de 25 milliards d’années-lumière de rayon peut être considéré comme un trou noir. Il obéit toutefois à la métrique dite de Robertson-Walker, différente de celle de Schwarzschild utilisée pour mesurer ce qui se passe autour d’un trou noir localisé. Appliquant le principe d’augmentation de l’entropie à cet univers trou noir, des physiciens comme Damien Easson, Paul Frampton et George Smoot exhibent une force expliquant l’accélération de l’expansion de l’univers, ce qui permet de se passer du concept d’énergie noire.

Ces deux théories filles du paradigme de la maya cosmique ne sont aujourd’hui pas reconnues par la communauté des scientifiques. Pour la première, les observations les plus récentes d’effets induits par les hypothétiques trous noirs primordiaux tendent à démontrer que, à supposer qu’ils existent, ils seraient en trop petite quantité pour expliquer la quantité de matière noire attendue. La seconde se heurte à un obstacle plutôt théorique, celui d’un objet qui, à la fois, s’étend et se comporte comme un trou noir.

La tentation narcissique

Résoudre l’apparente impasse dans laquelle se trouvent les théoriciens de la cosmologie conduit à remettre en question les principes mêmes qui conduisent peut-être inconsciemment à la construction de théories insatisfaisantes. On atteint ainsi le paradigme narcissique. Les théoriciens cherchent le Graal du principe unique, remplaçant les théories multiples. Certains invoquent un principe de permanence antinomique avec l’idée d’un fait initial, qui serait trop anthropomorphique. Pour ces derniers la création continue de matière ou d’énergie leur paraît plus admissible que celle d’une singularité initiale. D’autres réduisent cette singularité initiale en postulant l’existence de multiples univers en tous points semblables au nôtre, les « multivers ». À ce jour on ne voit pas comment on pourrait démontrer ou réfuter l’existence d’univers tiers puisque ceux-ci n’ont aucun point d’échange observable directement ou indirectement à partir de notre univers. On peut considérer qu’il s’agit de pure spéculation, même si cette spéculation est appuyée par des formules.

Dans l’état actuel, les théories des cordes et leurs divers avatars, extrêmement puissantes sur le plan de l’outillage mathématique, ont échoué à prédire des événements observables. Elles peuvent certes servir de matrices à la conception d’univers multiples ou d’autres théories, mais l’absence voire l’impossibilité de constats, mêmes indirects, attribuables à ces théories, affaiblit singulièrement leur fondement.

Progresser sans parti pris

Qualifiant de noirs cette matière, cette énergie et ces trous qu’elle invoque pour tenter de donner une explication au monde, la cosmologie moderne trahit son désarroi face à l’impossibilité de résoudre par la seule science la question existentielle. Certains scientifiques ont beau jeu de critiquer les récits fondateurs, et notamment le récit de la Genèse, comme non scientifiques. Ils entendent simultanément asseoir une histoire des origines ou de l’éternité du monde, alors qu’une telle histoire ne relève pas de la démarche scientifique. À supposer que l’on puisse démontrer par exemple l’existence d’univers multiples, on ne voit pas comment ces objets nouveaux résoudraient la question existentielle. La course à la cause première paraît sans fin.

Nous avons peut-être devant nos yeux quelque chose que nous ne voyons pas, pétris que nous sommes de nos habitudes et préjugés. Le chercheur qui fera progresser les choses déploiera vraisemblablement des directions nouvelles en s’inspirant de la démarche de l’artiste, du poète ou du philosophe, sans cesser de s’appuyer sur l’édifice scientifique qui le guide.

Parmi ses sources, le chercheur n’a pas de raison d’écarter un récit fondateur comme la Genèse, pour autant qu’il n’y cherche pas une matrice scientifiquement explicative, mais au contraire qu’il prenne conscience de la rupture qu’un tel texte imposait à ses premiers auditeurs. On omet trop souvent de rappeler à quel point la Genèse était inadmissible pour les traditions religieuses de la haute Antiquité. La lumière, première avant la matière ? Le soleil et la lune, non pas des divinités fondatrices mais de simples objets lumineux dont les mouvements indiquent les jours et les saisons ? La flore et la faune qui se développent, non pas créés espèce par espèce comme l’imaginaire populaire veut parfois le rappeler, mais foisonnant spontanément ?

Semblable remise en question pourra aider les scientifiques à aller plus loin. On peut douter toutefois que la science seule puisse aller au bout.