Résumé

Comment l’Univers a-t-il été créé ?
Est-il gouverné par le hasard ou par un ordre profond ?
Qu’est-ce que la première lumière ?
Y avait-il « quelque chose » avant le Big Bang ?

Le 21 mars 2013, le monde entier découvre les stupéfiantes photos de l’Univers naissant prises par le satellite Planck. Elles bouleversent notre vision du monde et la place que nous y occupons. Sur le site officiel de la Mission Planck, dans la rubrique « Avant le Big Bang », on lit la question autrefois interdite : « Peut-on voir des traces de l’avant-Big Bang ? »

Pour la première fois, des débuts de réponses existent. Elles sont fascinantes. On les trouvera dans cet ouvrage qui fait état d’une révolution sans précédent, aux confins de la physique et de la métaphysique.

Biographie auteur

Igor Bogdanov est diplômé de l’École des hautes études en sciences sociales et Docteur en physique théorique. Grichka Bogdanov est diplômé de l’Institut d’études politiques de Paris et Docteur en mathématiques. Ils occupent actuellement la chaire de cosmologie à l’Université Megatrend des sciences appliquées de Belgrade. Ils sont déjà auteurs de plusieurs ouvrages à succès dont Le visage de Dieu (J’ai Lu, mai 2011) et La pensée de Dieu (Grasset, juin 2012).

Luis Gonzalez-Mestres est physicien théoricien, chercheur au CNRS et spécialiste de cosmologie primordiale.

www.editions-eyrolles.com

Igor et Grichka BOGDANOV

Préface de Luis Gonzalez-Mestres

Physicien, théoricien,
chercheur au CNRS

Le mystère du satellite Planck

Groupe Eyrolles
61, bd Saint-Germain
75240 PARIS Cedex 05

www.editions-eyrolles.com

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l’autorisation de l’éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris.

© Groupe Eyrolles, 2013
ISBN : 978-2-212-55732-9

Préface

Igor et Grichka Bogdanov ont choisi un moment particulièrement opportun pour publier le présent ouvrage. Dans mes quatre décennies d’expérience en tant que physicien des particules au CNRS, je ne pense pas avoir vécu antérieurement une situation comparable. Ayant accédé récemment à la direction du laboratoire de cosmologie de l’université Megatrend¹, je suis très heureux de pouvoir travailler dans des domaines aussi passionnants et pleins de mystères que la physique des particules et la cosmologie.

La période récente nous a apporté des données expérimentales et observationnelles d’une qualité sans précédent sur l’origine de l’Univers ainsi que sur les constituants de la matière et leur dynamique. Analyser sur le plan scientifique ces résultats (Planck, AMS, CERN…) est indispensable. Rappeler...

Introduction

Paris, le 21 mars 2013, à 9 heures.

Ce matin-là, l’effervescence des grands jours règne dans la salle de conférence de l’Agence spatiale européenne. Une euphorie mondiale. Explosive. Car c’est ce jour-là que vont être divulgués via Internet dans le monde entier – dans les grandes capitales et jusqu’au fin fond des forêts et des déserts de la planète – les résultats tant attendus du satellite Planck. Des résultats stupéfiants. S’ils se confirment en 2014, leur portée révolutionnaire risque de changer pour toujours notre vision du monde.

Le satellite Planck !

Ce prodigieux astronome de métal, imaginé en 1993, a été lancé le 14 mai 2009. Sa mission ? Explorer – jusqu’à la frontière du Big Bang – la toute première lumière émise par l’Univers. Une « lumière » très froide. À vrai dire, glaciale : à peine 2,72 degrés au-dessus du zéro absolu. La température naturelle la plus froide de l’Univers. À une exception près cependant. Il existe dans la constellation du Centaure, à 5 000 annéeslumière de chez nous, une nébuleuse appelée Boomerang. Effroyablement refroidie par le souffle glacé d’une étoile éteinte, cette nébuleuse est tout juste à un degré au-dessus du zéro absolu. C’est l’endroit le plus froid de tout l’Univers connu. Encore plus froid que la glaciale radiation fossile.

Mais rapprochons-nous de notre mystérieux satellite.

*

D’abord un...

Chapitre 1

Le Big Bang a-t-il laissé une trace dans le ciel ?

Par ce beau matin du 13 septembre 1946, les feuilles des grands marronniers commencent à joncher le sentier qui traverse le parc de l’université George Washington. Les échos métalliques de la guerre s’effacent lentement et l’Amérique comme le reste du monde s’apprêtent à entrer en douceur dans une longue période de paix.

À grandes enjambées, le bouillant savant russe George Gamow et son ami de toujours, le physicien hongrois Edward Teller, viennent d’entamer leur promenade du jour.

Gamow n’est pas n’importe qui. À l’université de Petrograd, ce grand blondinet, colonel de l’Armée rouge à vingt ans, a été l’élève d’Alexander Friedmann, le précurseur aujourd’hui mythique de la théorie du Big Bang. Dès son arrivée en 1923, Gamow a fait alliance avec les meilleurs. Des jeunes, surdoués comme lui. Lev Landau, qui a passé son bac à treize ans et calcule de tête comme personne. Matveï Bronstein, qui, à seize ans, connaît la relativité mieux que ses professeurs. Dmitri Ivanenko, qui, là où les autres calent, trouve toujours une solution. Bientôt, les quatre jeunes ne se quittent plus. Pour tous, ils sont « les Quatre Mousquetaires ». Tout comme Friedmann leur professeur, ils croient dur comme fer que l’Univers n’est pas éternel. Qu’il a eu un commencement. Mais comment le prouver ? Les Quatre Mousquetaires se jurent d’apporter un jour une réponse.

*

Revenons à Gamow. Il jongle avec...

Chapitre 2

Sur la piste de la première lumière

Nous voici à Moscou, au cœur du terrible hiver 1964. Staline, le sanglant père des peuples, a disparu depuis onze ans. Mais son ombre rouge plane encore sur l’immense Russie.

La neige est partout, transformant la ville en un désert glacial où circulent à petit bruit, moteur au ralenti, les rares voitures du régime. Leurs inquiétantes carrosseries gris sombre surgissent de temps en temps de la brume avant de disparaître dans les fumées de charbon. Engloutie sous sa chapka, serrant une mallette contre sa poitrine, une silhouette en manteau marche à pas glissants vers un austère bâtiment à demi effacé par la tempête. Le siège redouté de l’Institut de mathématiques appliquées. L’homme à la chapka s’appelle Andreï Doroshkevich. Il sera célèbre un jour. Mais pour l’instant, ce n’est encore qu’un petit chercheur écrasé par les murs austères qui semble s’éloigner à chaque pas dans la grisaille. Doroshkevich jette un coup d’œil furtif par-dessus son épaule. Il ne fait pas bon être vu dans les parages de...

Chapitre 3

Le bruit du Big Bang

Un matin de printemps 1964, dans le New Jersey.

Nous sommes à Crawford Hill, une colline perdue au milieu de nulle part. Le soleil joue avec le vent dans les herbes sauvages. Au fond, près de la haie, il y a quelques fleurs. De temps en temps, les deux seuls habitants de la colline, Arno Penzias et Robert Wilson, leur donnent un coup d’arrosoir. Dans le coin, on connaît un peu les deux jeunes. Deux scientifiques, peut-être même des ingénieurs, on ne sait pas trop… Une fois par semaine, au volant d’une vieille guimbarde, ils vont faire leurs courses à Holmdale, la seule ville alentour. Tout est si tranquille que Penzias et Wilson ont du mal à croire que les puissants laboratoires Bell ont installé dans ce coin de campagne éloigné de tout une antenne astronomique. Pourtant elle est là, derrière les grands arbres. Une sorte de cornet démesuré, au bout duquel est suspendue une drôle de cabane en bois, à quelques mètres au-dessus de la prairie.

Au printemps 2010, nous avons eu la chance de bavarder longuement avec Robert Wilson, aujourd’hui entré dans la légende. Voici le souvenir qu’il garde de Crawford Hill : « Il m’est impossible d’imaginer un endroit où j’aurais pu être plus heureux. Notre bâtiment ouvrait sur l’arrière vers une colline couverte d’herbes et de fleurs¹. » Et c’est là que les deux jeunes gens retroussent leurs manches et se mettent au travail. Leur mission ? Calibrer l’antenne pour qu’elle puisse relayer d’un continent à l’autre les émissions de télévision. Passé le choc du Spoutnik lancé en 1957 par les Soviétiques, les Américains ont réagi. Et les laboratoires Bell ont expédié en orbite un satellite nommé Telstar. L’engin doit relayer la télévision dans le monde entier. Chaque jour, tournevis en main, nos deux chercheurs procèdent aux réglages. L’on est bien loin du Big Bang. De toute façon, ni Penzias ni Wilson n’en ont entendu parler. Ils n’ont pas la moindre idée de qui est Gamow et ignorent tout de ses théories. De temps en temps, il leur arrive de se demander en passant d’où vient l’Univers. Ils ont plutôt tendance à croire qu’il est fixe et qu’il n’a donc pas de commencement. Mais au fond, tout ça ne les intéresse pas.

Reste que l’article de Novikov et Doroshkevich dans lequel on parle de Crawford Hill vient de paraître il y a quelques semaines. Mais pas la moindre chance qu’ils le lisent. Penzias et Wilson sont donc loin de se douter qu’à des milliers de kilomètres de là, les Russes connaissent leur antenne aussi bien qu’eux. Peut-être même mieux. Et qu’ils ont lancé un appel pour qu’elle soit utilisée afin d’écouter l’écho du Big Bang.

Pourtant, un beau jour de mai 1964, alors qu’une fois de plus ils règlent leur magnifique radiomètre, il se passe quelque chose.

Un bruit.

À nouveau, voilà qu’ils détectent ce mystérieux signal au fond du ciel. Ce « bruit » étrange, qu’ils n’ont jamais entendu auparavant, et qui les gêne. Pendant des mois, il vont tenter de s’en débarrasser. Est-ce la ville voisine qui émet des parasites ? Ou bien la radio du gardien qui crachote sur une mauvaise longueur d’onde ? Toujours est-il qu’ils vont tout passer au peigne fin. Mais rien à faire ! Ce signal, qui correspond à une très basse température (quelques degrés au-dessus du zéro absolu), est toujours là. Pire ! Il semble présent partout dans l’Univers. Finalement, en 1965, grâce à des collègues de Princeton, ils vont découvrir en quelques heures l’incroyable vérité : ce mystérieux rayonnement qu’ils ont capté n’est autre que l’écho du Big Bang !

La découverte, considérée comme l’une des plus importantes de tous les temps, éclate comme un coup de tonnerre dans le monde entier et leur vaudra le prix Nobel en 1978. Quarante-cinq ans plus tard, Robert Wilson nous confie avec un reste d’étonnement : « Je ne pense pas que nul d’entre nous aurait pu réaliser à quel point notre découverte allait bouleverser la cosmologie². » De fait, à partir de là, les choses basculent. Le grand astronome anglais Fred Hoyle, ardent défenseur du modèle d’Univers fixe, est terrassé. Gamow, lui, triomphe. Ce bruit est bien celui qu’il avait prévu dans les années 1940. Pour la première fois, le grand public admet que le cosmos a bien une origine. Quant aux savants, ils n’ont plus qu’une idée en tête : photographier la lueur fossile du Big Bang ! Mais pour cela, les observatoires terrestres ne suffisent plus. Une seule solution : expédier l’appareil photographique au fond de l’espace, là où tout est vraiment pur.

Et c’est là qu’une fois de plus, alors que personne ne les attendait, on va retrouver les Russes. Dans le chapitre qui suit, vous ferez un saut dans l’inconnu. Plus exactement, une nouvelle incursion derrière le rideau de fer. Pour y découvrir des choses qui, là encore, vont vous étonner.

1. Postface au Visage de Dieu, d’Igor et Grichka Bogdanov, Grasset, 2010.

2....

Chapitre 4

Le satellite rouge

Nous sommes de retour à Moscou, à l’Institut de mathématiques appliquées.

Un an s’est écoulé depuis la discussion entre Zeldovich et Doroshkevich. Entretemps, l’onde de choc du rayonnement fossile et de sa découverte a franchi le rideau de fer. Novikov et Doroshkevich sont fous de joie. Même s’ils ne l’ont pas découvert eux-mêmes, l’écho du Big Bang existe bel et bien, comme ils l’ont toujours dit. Et il a été décelé exactement comme ils l’avaient prédit, grâce à l’antenne de Crawford Hill. Un bon point dans la guerre froide !

Seul dans son bureau, stylo en main au cas où il y aurait quelques calculs à griffonner sur un coin de page, Zeldovich relit le fameux article. Il hoche la...

Chapitre 5

Qu’est-ce que la première lumière ?

À présent, il est temps de nous rapprocher de cette fameuse lueur primordiale, également connue sous le nom pittoresque de « rayonnement fossile ».

De quoi s’agit-il ?

D’une très puissante radiation lumineuse, qui a jailli des ténèbres il y a longtemps. Très longtemps. 13 milliards 820 millions d’années dans le passé. Cette mystérieuse lumière remonte donc à l’aube des temps et représente le plus ancien fossile qui puisse exister. Elle s’est soudain « allumée » dans la nuit cosmique juste 380 000 ans – 3 800 siècles – après l’immense déchirure causée par le Big Bang au cœur du néant. Il n’y a pas plus de distance entre cette première lumière et le Big Bang qu’entre nous et les hommes préhistoriques.

Mais regardons de plus près cette image du ciel d’autrefois que Planck nous a ramenée de son long voyage. Des couleurs plus ou...

Chapitre 6

Quand l’Univers a-t-il commencé ?

Le cosmos a-t-il eu un jour un commencement ?

Pendant des dizaines de siècles, cette idée a paru totalement absurde. Les philosophes grecs ? Ils haussent les épaules, Aristote en tête. Depuis toujours, le ciel est à la même place. Alors qui pourrait songer un seul instant à remettre en cause, au-delà des enseignements dispensés par les sages, ce que ni le regard ni aucun des sens ne peut contredire ?

Personne.

Sauf, bien sûr, un esprit hors du commun. Son nom ? Ludwig Boltzmann. Il est né en 1944 à Vienne. Véritable génie visionnaire, ce physicien autrichien à la barbe électrique est littéralement fasciné par le fait que le temps est irréversible. Qu’il emporte toute chose, bonne ou mauvaise, du passé vers l’avenir, sans aucun espoir de retour. Très vite, alors qu’il avance à toute vitesse dans ses études, Boltzmann comprend que ce sens unique du temps s’accompagne d’une dégradation inéluctable : le café refroidit dans les tasses et les cigares (qu’il adore fumer après un bon repas) raccourcissent. Qu’est-ce que tout ça veut dire ? Que l’entropie des choses – c’est-à-dire, grosso modo, leur désordre – va en augmentant à mesure que le temps passe.

Mais au fond, pourquoi n’en irait-il pas de même pour l’Univers tout entier ?

Un soir de novembre 1866, alors qu’il vient de passer sa thèse de doctorat sur la cinétique des gaz sous la direction du sévère physicien Jozef Stefan, il lui lance tout à coup : « Si l’Univers perd de l’énergie, c’est que son entropie augmente. Et dans ce...

Chapitre 7

Quel âge a l’Univers ?

Nous voici en 1929. Tirant de longues bouffées de sa pipe (il s’en sépare rarement), Hubble peut légitimement se frotter les mains. Il a échappé au pire ! À l’heure qu’il est, s’il avait écouté son père, il serait sans doute devenu avocat – et serait en train de mourir d’ennui dans un trou perdu, croulant sous des dossiers de divorces et de chapardages dans les magasins. Mais heureusement, il a réalisé son rêve : devenir astronome ! Et ses premiers résultats font pâlir d’envie n’importe lequel de ses collègues. Qui dit mieux ? Il a réussi à montrer, preuves à l’appui, que notre galaxie n’est pas la seule. Qu’il en existe des milliers d’autres – peut-être encore bien davantage – dans le cosmos.

Mais il n’y a pas que cela. Avec l’aide dévouée de Humason, le simple muletier devenu (lui...

Chapitre 8

L’Univers est-il rond ?

Il vous est sûrement arrivé, en levant vos yeux vers les étoiles, de vous demander à quoi ressemble le cosmos dans lequel vous vivez. Plus prosaïquement, si l’on va tout droit devant soi, que se passe-t-il ? Est-ce que l’on avancera sans jamais rebrousser chemin, jusqu’à l’infini ? Ou bien, au contraire, reviendrons-nous un jour à notre point de départ, au terme d’un immense voyage ?

Ici, une bonne nouvelle : Planck apporte une première réponse, beaucoup plus précise – sept cents fois plus précise – que celles proposées par COBE et WMAP. Toutefois, disons-le sans détour : nous pensons que la présentation officielle publiée par les experts de Planck (et par la majorité des astrophysiciens) quant à la forme de notre Univers coïncide mal – très mal – avec la réalité observée.

*

Quelle est la forme – autrement dit la « topologie » – de cet Univers que nous voyons tous les jours et dans lequel nous vivons ? Le tout premier à avoir osé – quoique très indirectement – soulever cette question sous l’angle de la science s’appelle Bernhard Riemann. Un nom aujourd’hui mythique. Son empire s’étend sur toutes les mathématiques du xixe siècle et bien au-delà.

Nous le retrouvons par une belle journée d’été, le 10 juin 1854, dans la salle des actes de la légendaire université de Göttingen. En cette saison, il fait beau en Basse-Saxe. La fenêtre est grande ouverte sur les arbres et le ciel. Ce fils de pasteur (lui-même ancien séminariste) n’a que vingt-huit ans. Dans la vie de tous les jours, il est d’une timidité maladive et il lui arrive parfois de bredouiller des paroles incompréhensibles à l’abri de sa barbe lorsqu’on lui pose une question. Mais tout s’arrange quand il est face à un tableau noir. Et c’est justement le cas ce jour-là à Göttingen. Le jeune Bernhard doit présenter à ses pairs (des professeurs et quelques étudiants) le mémoire d’habilitation qu’a choisi Gauss – Karl Friedrich Gauss, l’un des plus grands mathématiciens de l’histoire. Ce fin connaisseur de l’enseignement sait qu’il a donné à son élève le sujet le plus difficile. Un monument de questions ouvertes, qui porte sur les fondements même de la géométrie. Gauss brûle de voir comment ce galopin de Riemann va s’en tirer avec quelque chose d’aussi compliqué. Et au moment où Riemann prend la parole, Gauss ne sait pas encore qu’il va vivre un moment historique.

À voix basse, Riemann se lance. Il commence par ce qu’il y a de plus simple au monde, un point dans l’espace. Suivent...

Chapitre 9

L’Univers est-il né par hasard ?

Quel rôle le hasard joue-t-il au moment du Big Bang ?

Aujourd’hui, les physiciens s’accordent à peu près tous à reconnaître qu’à l’instant de Planck – l’instant du Big Bang –, l’Univers est puissamment encadré par un implacable cartel de lois et de paramètres cosmologiques qui gouvernent à chaque instant chaque étape de la naissance de la matière. À tel point que certains n’hésitent pas à dire que si l’Univers est unique, alors sa naissance, si parfaitement ordonnée, est vraiment un « miracle ». Quelque chose qui n’a d’ailleurs pas échappé à George Smoot, qui observe dans son livre (où chaque mot est pesé) : « Le Big Bang, l’événement le plus cataclysmique que nous puissions imaginer, à y regarder de plus près, apparaît finement orchestré¹. » En effet ! Prenons un exemple aujourd’hui bien connu (et largement accepté par les scientifiques). Si, une seconde à peine après le Big Bang, le taux d’expansion de l’Univers avait été à peine plus lent (de un milliardième), alors, inéluctablement, le cosmos n’aurait pas pu s’arracher à la gravitation et se serait effondré sur lui-même en un magma informe ! À l’inverse, un Big Bang un milliardième plus « rapide » et la matière se serait dispersée en poussière dans le vide, ne laissant aucune chance aux étoiles de se former.

Ce qui est vrai pour le taux d’expansion l’est également pour tous les grands paramètres, toutes les grandes constantes qui, par leur jeu combiné, « règlent » l’évolution de l’Univers depuis l’instant du Big Bang. Si un seul de ces paramètres...