Le destin de l'Univers - Partie 2

univers fermé : Le Big Crunch

« Il faut vivre avec la volonté que l’instant présent se répètera un nombre infini de fois. »

Cette maxime de Nietzsche n’a bien sûr rien de scientifique, mais c’est une intéressante philosophie de la vie …
Nous partirons ici du principe que l’univers est fermé, que sa courbure est positive, et donc que la matière sombre contenue dans l’univers est suffisamment importante pour stopper le phénomène d’expansion de l’univers. Précisons immédiatement que cette théorie est de moins en moins prise au sérieux, voire déjà obsolète … Néanmoins nous tenons à en détailler les évènements dans un souci de culture et d’ouverture d’esprit.

L'expansion s'arrête, et l'Univers s'effondre

Que se passera-t-il concrètement lorsque l’univers cessera, d’ici 50 milliards d’années, de s’étendre ? Eh bien la force d’attraction de la matière fera se réduire les distances petit à petit, en fait nous assisterons aux mêmes évènements pendant la phase de contraction que pendant la phase d’expansion, à la différence près que la détente gravitationnelle n’existera plus et que les trous noirs joueront un rôle prédominant.
Dans 50 milliards d’années, lorsque l’univers sera figé, la température sera tombée à 1°k. Le rayon réel de l’univers s’étendra à 10²⁵ années lumière. Naturellement, plus la matière est dense et plus la force d’attraction est forte : la matière attire la matière avec une force inversement proportionnelle au carré de sa distance. La taille de l’univers diminuera alors selon un rythme inversement proportionnel à sa température. Evidemment, 50 milliards d’années après le début de la contraction, l’univers sera redevenu ce qu’il est aujourd’hui, avec une température de -273.15°c, et avec un paysage cosmique identique. La seule différence, c’est que les objets présenterons une raie spectrale allant vers le bleu et non vers le rouge (puisqu’elles se rapprocheront), avec de plus courtes longueurs d’ondes … Ce sera donc un anti effet Doppler.
De fait, les astres donneront sûrement l’illusion d’être plus brillants qu’ils ne le seront en réalité. Des étoiles renaîtront lorsque les nuages de gaz se seront suffisamment re-condensés. Mais le temps passant, leur durée de vie deviendra très courte car le combustible sera devenu bien trop dense et donc trop lourd, en outre les collisions interstellaires deviendront de plus en plus fréquentes … La température sera alors de 173°k.
Les galaxies entreront elles aussi en collision lorsque la bulle de l’univers visible aura la taille de 10 milliards d’années lumière. Elles fusionneront, comme cela peut aujourd’hui être le cas, pour former d’énormes structures stellaires maintenues par la gravitation. La température grimpera alors à 300°k. Si la Terre existait encore, nous verrions le ciel scintiller en plein jour !

100 millions d’années avant le Big Crunch, l’univers aura un diamètre d’1/1000ème par rapport à aujourd’hui, il règnera déjà un enfer de 3000 K.
Il reste désormais 900 000 ans, il fait 10 000 K. Les premiers atomes d’hydrogène se ioniseront car l’énergie de l’univers atteindra alors les 13.6eV. Déjà, la matière changera de forme … Les molécules commenceront à se dissocier de la matière, séparant protons et électrons. Comme avant l’époque du rayonnement fossile, l’univers redeviendra opaque du fait de sa densité très élevée, il deviendra aveuglant de lumière.

800 000 ans plus tard, la température atteint le chiffre effrayant de 10 millions de Kelvins. Les étoiles se désagrègeront en un plasma bouillonnant. L’énergie arrivant à ½ million d’électronvolts ; les atomes éjecteront leurs neutrons et se désintègreront en particules élémentaires, en libérant des photons. Les trous noirs avaleront alors des galaxies entières … L’hydrogène libéré sera étiré en filaments par la vitesse de contraction de l’univers. Les trous noirs seront tellement massifs qu’ils éjecteront des ondes gravitationnelles titanesques. Au fur et à mesure que l’univers se rétrécira, le rayonnement qui se décalait jusqu’à présent vers le bleu, se décalera alors vers l’ultraviolet, puis les rayons x et enfin les rayons gamma.

longueur d'onde lumière

1 an avant la fin, les trous noirs devenus trop massifs et trop rapprochés fusionneront comme plus tôt les galaxies …
1 mois avant le grand effondrement, la température devient astronomique : 10 milliards de Kelvins. La matière survivante sera constituée de neutrinos, de protons et de neutrons. L’énergie et la température ambiante verront se recréer des antiparticules, comme au commencement de l’univers. A 10 000 milliards de Kelvins, les protons et neutrons disparaîtront à leur tour, libérant les quarks dans l’espace.
Il arrivera à un moment donné un instant où le rayonnement abandonné dans l’espace en quelques millions d’années sera englouti par les trous noirs.
Trois minutes avant le Big Crunch, les trous noirs fusionnent.

Arrive l’apocalypse : La taille de l’univers passe d’1 million de milliard d’années lumière (10¹⁵) à quelques millions de kilomètres (sorte d’anti inflation), puis il continuera à se contracter jusqu’à redevenir une singularité.

structure de l'univers
Ci-dessus : Simulation de la structure de l' Univers. La gravité ordonne la matière le long de fins filaments. Les fortes densités sont en jaune, créant un effondrement qui engendre des étoiles. Ces flots de galaxies le long des filaments (rouge indique une densité moyenne) se rencontrent dans les nœuds causant le développement des galaxies. Les zones bleues sont de densité faible. A l’inverse, nous pouvons reprendre cette image pour décrire l’univers lors de la phase de contraction (dans le cas d’un Big Crunch), lorsque l’hydrogène libéré des étoiles et des galaxies reprendra cette forme de filaments.

Le cycle reprend

L’univers aura disparu … Mais que se passera-t-il après ?? De la même façon qu’on ne peut pas poser la question de l’avant Big Bang, ne pouvons-nous pas nous demander ce qui se passera après ? Puisque la matière et l’espace ne seront plus, alors le temps sera devenu lui aussi caduque … Sera-ce la fin de tout ? Ou sera-ce une façon de reculer pour mieux sauter ? Si on reprend la phrase citée par Nietzsche en début de paragraphe, on peut penser que tout se répète, et donc extrapoler un modèle d’univers dit « oscillant ». En effet, Friedmann (1922), Lemaître (1927) et enfin Tolman (1934) exposèrent un modèle d’univers rebondissant de Big Crunch en Big Bang, puis en Big Crunch, etc, etc … Il pourrait alors mourir puis renaître pour recréer le monde tel qu’il était finalement. Georges Lemaître donna le nom d’univers « phoenix » à cette idée. Cette notion d’univers réincarné s’exprime plus dans la philosophie que dans la science, et dénote surtout la volonté irrépressible de l’homme à vouloir perpétuer la vie. Ainsi, cette notion est surtout présente dans les philosophies et religions orientales, ou le concept de réincarnation est bien ancré dans les mœurs. Dans l’antiquité déjà, Platon avait émis l’hypothèse d’un univers cyclique, comme étant une « conséquence naturelle du règne de « Chronos » (dieu grec du temps).

Le Big Crunch : un scenario fictif

Comme dit précédemment, cette théorie d’effondrement universel n’est plus réellement d’actualité, car il est facilement démontrable que l’univers ne se contractera pas.
Des télescopes (ISO) et spectrographes orbitaux, voyant dans l’infra rouge, de l’ESA (Agence Spatiale Européenne) viennent de déterminer l’abondance de deutérium dans la pouponnière d’étoile de la nébuleuse d’Orion, réputée pour être une zone très représentative de l’univers. La valeur calculée semble démontrer que l’univers ne contient pas assez de matière baryonique pour stopper l’expansion.
Le deutérium, isotope de l’hydrogène et indicateur le plus fiable pour mesurer la quantité de matière de l’univers, est donc de première importance pour les chercheurs. Lors de la nucléosynthèse primordiale, peu après le Big Bang, le deutérium a été tour à tour créé puis détruit, le reste de matière dépendant de l’équilibre entre ces mécanismes antagonistes. Il est important de noter que le nombre de deutérium est fortement lié au nombre de baryons, protons et électrons. Plus la densité de baryons est importante, et moins le deutérium pourra se former. On sait que le sort de l’univers est lié à la densité critique de matière, qui engendrera soit une expansion infinie, soit un effondrement gravitationnel. C’est pourquoi il est nécessaire de connaître le nombre total d’atomes de deutérium dans l’univers : afin de déterminer la quantité de baryons.
L’abondance de deutérium a été récemment déterminée dans un région d’intense activité stellaire (une pouponnière d’étoile) située dans la ceinture d’Orion, à 1 500 années lumière de la Terre. Le satellite ISO, armé de son spectromètre à grande longueur d’ondes a rapporté un résultat d’un atome de deutérium pour 100 000 atomes d’hydrogène. Si la matière avait été suffisamment importante pour provoquer un Big Crunch, alors ce rapport aurait été bien plus grand : 1 atome de deutérium pour 1 million d’atomes d’hydrogène.
Le Big Crunch n’aura donc pas lieu !

Univers ouvert : Expansion infinie

Il est donc désormais établit que l’univers ne subira pas de Big Crunch, car la matière présente en son sein semble ne pas être en suffisante quantité pour que sa masse perturbe la force répulsive de l’énergie sombre, force qui provoque l’expansion. Que deviendra alors l’univers si l’espace est destiné à se dilater encore et encore ? Quel est donc, à terme, l’avenir de la matière et donc de la vie ?
Habitués que nous sommes de voir un ciel étoilé, nous ne nous rendons pas compte de la chance que nous avons … Pour nous, cela va de soi, nous évoluons dans une galaxie remplie d’une centaine de milliard d’étoiles, alors quoi de plus logique ? Eh bien nous avons tort de penser que cela va de soi justement. Nous savons déjà que l’univers n’a pas toujours été dans la configuration actuelle, et nous devons nous attendre à ce qu’il change encore de visage. Nous ne reviendrons pas en détail sur la période du Big Bang, seulement pour rappeler qu’à cet instant a commencé la fantastique aventure de l’espace, de l’énergie et de la matière. Matière qui s’est organisée, se condensant et formant nuages de gaz, étoiles et galaxies … L’espace, quant à lui, s’est d’abord dilaté avec un facteur énorme, puis son expansion a continuée jusqu’à aujourd’hui, on s’est même aperçu qu’elle accélérait sous l’effet de la poussé de l’énergie sombre.

A l’avenir, l’espace sera donc de plus en plus dilaté et froid. Néanmoins, cette évolution va s’étendre sur une durée interminable … Autrement dit, la matière ne dira pas son dernier mot de sitôt.

Le règne des étoiles et des galaxies

Pour commencer, les prochaines dizaines de milliards d’années à venir seront encore soumises au règne des étoiles et galaxies. Ce sera plus précisément une époque de grande collision intergalactique. Par exemple, notre Voie Lactée entrera prochainement en collision avec M31, la galaxie d’Andromède. Les étoiles n’entreront quant à elles pas en collision comme on pourrait le supposer, puisque les espaces les séparants resteront bien évidemment énormes. Donc plutôt que dire parler de collision, le terme fusion est plus approprié. Par contre la fusion de deux galaxies entraîne la collision de leurs nuages de gaz respectifs qui, eux, se percutent et forment de nouvelles étoiles. La grosse galaxie elliptique résultante entrera à son tour en collision avec les autres supergalaxies voisines.
Malgré ces naissances d‘étoiles, le processus ne cessera de diminuer, car la matière en suspension s’atténuera au fil du temps … C’est déjà le cas aujourd’hui, la naissance d’une étoile est un fait bien plus rare que par le passé : seulement une à deux étoiles naissent chaque année dans notre galaxie. Alors bien sûr, la matière stellaire faite de gaz et poussières est bien souvent rejetée dans l’espace lorsqu’une étoile meurt (supernova ou nébuleuse planétaire), mais celle-ci n’est jamais recyclée intégralement, ce qui explique sa raréfaction.

collisions intergalactiques

En fait, les étoiles ayant le plus de chance de survivre longtemps, sont les naines brunes. Bien qu’elles soient les plus modestes parmi les étoiles, elles sont les plus nombreuses : environ 80% des étoiles sont des naines brunes. La particularité de ces étoiles, c’est que leur durée de vie, de part leur constitution, est bien plus élevée que les autres, et de plus leur état change à la fin de leur existence … On dit qu’elle s’épanouit. C'est-à-dire qu’à la fin de leur vie, sur une période de 5 à 6 milliards d’années, elles se mettent à briller avec le même rayonnement que notre Soleil.

L'Univers s'éteint

Au fil des milliards d’années qui s’écouleront, les étoiles se mettront à s’éteindre, et le renouvellement des générations ne s’effectuera plus, faute de carburant … La dernière étoile s’éteindra vers 10 000 milliards d’années. Il restera néanmoins des naines brunes, blanches, des étoiles à neutrons, des trous noirs, etc … Elle représenteront alors l’intégralité de la matière engendrée par l’instant zéro.
L’univers est-il alors figé dans une torpeur infinie ? La réponse est non, l’univers n’est pas encore à l’agonie …

naine brune

Disparition des galaxies

Vers 10¹⁹ années, les galaxies organisent encore leur matière et les étoiles qui se rapprochent entre elles sont parfois accélérées par la force de leur voisine. Il arrive alors que certaines s’échappent de leur galaxie pour aller nourrir un trou noir situé au cœur d’une autre galaxie. De plus, ces voyages intempestifs provoqueront dans une minorité des cas des collions entre deux naines brunes qui rallumeront la flamme pendant un cours instant … Une galaxie standard pourra alors espérer compter entre 10 et 100 étoiles actives en son sein. Mais plus intéressante est la collision entre deux naines blanches, collision qui provoque une supernova, illuminant de sa lumière l’espace alors devenu ténèbre. Ce phénomène pourra durer quelques heures, avant de replonger l’univers dans sa noirceur. Vers 10²⁰ ans, les galaxies auront terminé leur évaporation et disparaîtront. L’univers sera alors un vaste champ d’étoiles mortes, de rochers et poussières, toutes condamnées à mourir elles aussi.

La stabilité du proton

L’étape suivante de la lente mort matérielle, est prévue en fonction d’un facteur capital : la stabilité du proton.

Le proton est instable

Commençons par partir du principe que le proton soit instable … Entre 10³⁵ et 10⁸⁰ années, le proton se transforme en positron (antiélectron). Une naine noire rayonne alors comme quatre ampoules électriques. Dans 10³⁰années, les trous noirs seront devenus plus chauds que l’univers (10^-8 à 10^-17 K ). Ils se videront alors peu à peu de leurs matières et de leur lumière. Le processus est très long, un trou noir massif peut mourir en 10¹⁰⁰ ans !
A ce stade, seuls subsistent les photons, neutrinos, électrons et antiparticules, extrêmement dilués dans l’espace. Il n’y a plus de trous noirs, plus d’atomes. Les longueurs d’onde deviennent gigantesques, phénomène dû à l’expansion toujours active de l’espace-temps. On peut se représenter à cette époque une longueur d’onde grande comme la distance Terre - Lune !!

Mais la nature n’a pas encore dit son dernier mot … Vers 10⁷¹ années, il est encore possible de voir se construire des structures de matières à partir de briques élémentaires telles que celles citées ci-dessus. Il se peut alors qu’un électron et un positron s’unissent pour former un nouvel atome qu’on appelle positronium. Ce résultat est possible car, qu’elle que soit la distance les séparant, la charge positive du positron et la charge négative de l’électron ne cesseront jamais de s’attirer. Cette opération ne sera seulement possible que si le taux d’expansion de l’univers n’est pas trop important … Chaque positron sera alors condamné à fusionner avec un électron. On retournera dans une période d’annihilation matière – antimatière, comme aux premiers instants de l’univers. La fin du positronium est prévue pour 10¹¹⁶ans. Il se produira alors un feu d’artifice de photons à haute énergie gamma, à l’occasion de la grande annihilation. Ce sera le dernier souffle de vie de l’univers.

trou noir

Le proton est stable

A moins que le proton ne soit stable …
Si c’est le cas, l’univers aura alors un répit, avec l’apparition de ce qu’on appelle l’effet tunnel. L’effet tunnel, c’est la possibilité de franchissement de barrières d’énergie, même sans apport d’énergie extérieure (phénomène propre à la physique quantique, mais rejeté par la physique classique). Le fer est l’élément chimique le plus stable dans l’univers. Si les autres tomes n’avaient pas ce mur à franchir, alors la nature de l’univers serait entièrement constituée de fer depuis fort longtemps. L’effet tunnel prévoit néanmoins la transformation de tous les atomes en fer par fusion ou par fission. Par exemple, 10¹⁵⁰⁰ ans sont nécessaires pour qu’une naine noire, faite d’hydrogène et d’hélium, devienne une boule de fer. Cela prendra le temps qu’il faudra, mais toute la matière sera alors condamnée à se transformer en fer.
Le fer est, comme nous l’avons dit, l’élément chimique le plus stable, mais il n’est pas forcément l’état le plus stable de la matière. Une purée de neutrons est beaucoup plus stable encore … Grâce à l’effet tunnel, tous les protons se transforment en neutrons. Ce n’est pas terminé pour autant. Les objets solides n’existent plus, on peut alors considérer les objets comme des boules liquides, notamment ces neutrons qui, se mouvant les uns par rapport aux autres, donnent l’impression d’un océan. Il existe alors une probabilité infime mais non nulle pour qu’un neutron s’échappe de l’ensemble … Le neutron se désintégrant en ¼ d’heure, une partie des neutrons formant l’univers finira de cette façon. Pour le reste, les neutrons se mettront à se condenser vers le centre d leur « astre » jusqu’à un tel degré densité qu’apparaîtra un trou noir. De microscopiques trous noirs apparaîtront de disparaîtront cycliquement. Après 10¹⁰⁷⁶ ans, la matière aura rendue l’âme.
Les connaissances théoriques de nos physiciens s’arrêtent là.

Précisons qu’avec la matière, c’est l’espace-temps qui disparaîtra … On ne peut pas sérieusement penser que l’espace continuera de s’étendre à l’infini alors que la matière aura disparue. L’infini est un concept dénué de toute signification physique : cela correspondrait à abandonner toute échelle de mesure alors même que c’est la base de toute science physique.
Ce n’est pas le cas en mathématiques, où la notion d’infini peut légitimement exister, mais on ne peut pas appliquer cette notion à la réalité sous peine de plonger l’homme dans une totale illusion.
Pour simplifier, l’univers ne connaît pas la mort dans le temps, mais il connaît la mort du temps, et donc de l’espace. Autrement dit, la question de la naissance et la mort de l’univers ne se pose ni dans le temps ni dans l’espace. Ils sont eux même la trame de l’univers.

infini

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