Histoire et futur du Cosmos

Histoire et futur du Cosmos

Aux plus hautes énergies accessibles à la physique, il n'y a ni noyaux, ni protons, ni neutrons, rien qu'une soupe de quarks et de gluons (un proton est constitué de quarks liés -comme par une glu- par des nuages de gluons). On appelle cela un plasma de quarks et de gluons, et ce fut l'état dominant de l'Univers environ un dixième de milliardième de seconde après le Big Bang (10^-10 s).

Si l'on remonte aux premiers temps de l'Univers, ce plasma était constitué d'électrons libres et de protons, avec quelque 10% de noyaux d'hélium, et des photons diffusés dans toutes les directions.

De plus à l'origine, l'Univers était dominé par des paires de matière et d'antimatière (Des paires proton-antiproton se créaient spontanément à partir du rayonnement aux températures extrêmes des premières nanosecondes de L’Univers). La fournaise initiale n'a laissé derrière elle que très peu d’antimatière. Cette création s'arrêta lorsque l’Univers entra en expansion et se refroidit. La quasi-totalité des antiprotons s’annihilèrent avec les protons, les quelques protons restants étant ceux qui constituent notre Univers.

On introduit l'idée d'une supersymétrie qui pourrait résulter de jets uniques dans les collisions à haute énergie proton-antiproton. Une telle collision libère une énergie qui se matérialise en une cascade de quarks et autres particules de courte durée de vie. Comme la quantité de mouvement doit être conservée durant la collision, un jet de particules émergeant dans une seule direction, et pas dans la direction opposée, serait le signe de la supersymétrie.

Pendant l'ère du rayonnement, avant que ne domine la matière, diverses forces agissaient sur les différentes particules. Il y avait alors compétition entre gravité et pression de rayonnement.
Ces deux agissent sur les fluctuations, que l'on peut considérer comme des ondes sonores dans un fluide essentiellement constitué de particules de lumière, ou photons.

Puis s'est produit l'effet de la brisure de la symétrie originelles entre les forces fondamentales.

• Le refroidissement a d'abord permis l'apparition d'un mélange stable de protons, de neutrons et d'électrons, briques de base de tous les éléments chimiques.

• L'expansion continuant et la température chutant, les électrons ont été captés par les noyaux et se sont mis à tourner autour, engendrant un processus d'interaction électromagnétique qui est la clé de la chimie.

Après que les atomes d'hydrogènes les plus simples de tous, se soient alors formés, les étoiles ont suivi peu après.

En fait, c'est précisément lorsque la température du rayonnement tomba en dessous de 3000 degrés Kelvin, qu'il n'y eut plus assez de photons énergétiques pour garder la matière sous forme ionisée, l'hydrogène se constitua en atomes. Il resta très peu d'électrons libres. Les photons ne diffusèrent plus et le rayonnement se découpla de la matière.

Deux autres particules sont présentes : les baryons (particules lourdes) et les particules de matière noire de faible interaction (nous sommes essentiellement faits de baryons, tels les protons et les neutrons qui constituent nos molécules).

- Les baryons tombèrent dans les puits du potentiel gravitationnel des fluctuations de la matière noire, ce qui amplifia considérablement la croissance de leurs fluctuations. Quand le gaz de baryons perd de l'énergie et se contracte, il tourne de plus en plus vite. Un disque se forme, qui est lui-même gravitationnellement instable,

- Quand un nuage de matière noire et de matière ordinaire se contracte pour former une galaxie, par exemple, la matière ordinaire se fragmente en étoiles (cela s'est produit à l’époque de la formation des galaxies, un milliard d'années après le Big Bang) mais la matière noire reste intacte. À cause de sa faible interaction, elle ne perd pas d'énergie par rayonnement et reste donc invisible. Au cours de l'évolution cosmique, les particules noires se condensent en nuages noirs, mais pas en

étoiles. (cette matière est sujette à la seule gravité).

L'univers marche sur un fil car d'après les mesures, il est pratiquement plat. Sa masse le met à un point critique, entre un Univers Ouvert, pas toujours en expansion et un Univers Fermé, courbe et qui se refermera un jour sur lui-même. Dans un univers fermé, la gravité finit par supplanter ce qui se passe dans un univers ouvert.

Si son espace plat est en expansion accélérée. Il peut avoir une légère courbure, positive ou négative, ce qui deviendra un élément déterminant pour dire si l’Univers est infini. Ce qui maintient l'Univers dans cet équilibre si ténu entre planéité et expansion accélérée pourrait être l'Énergie sombre.
Il faut savoir que la matière détectée, y compris la matière noire, n'est que le tiers de ce qui est nécessaire pour assurer l'équilibre de l'Univers entre expansion et effondrement gravitationnel. C'est comme cela qu'en complément à sa première théorie de la relativité générale, Einstein avait voulu remédier à cet écart, en introduisant une constante cosmologique, une force destinée à contrer les effets de la gravité.

Einstein avait découvert qu'une forte gravité ralentissait les vibrations lumineuses (décalage vers le rouge).

Notre modèle actuel est basé sur le Big Bang de Friedman et Lemaître. L'interprétation moderne de la constante cosmologique en fait une énergie possédant une pression négative, c'est-à-dire exerçant une force répulsive (une pression positive, au contraire, comme la gravité, exerce une force attractive qui contrarie l'expansion de l'Univers). Elle agit comme une contribution constante, mais négative, à la densité d'énergie de l'Univers. Si l'énergie sombre représentait les deux tiers de la densité critique de l'Univers, la planéité de l'Univers serait expliquée. La pression négative agit comme une antigravité, et provoque l'accélération de l'Univers à grande échelle, Ce champ d'énergie est donc une excellente solution. A noter également que le rayonnement tend vers le rouge lorsqu'une masse s'éloigne de l'observateur (effet DOPLER).
Toutes les densités d'énergie diminuent sauf une, celle de l'énergie noire, qui serait la constante cosmologique. Au tout début, la densité d'énergie de la constante cosmologique était dominé par par la densité de la matière ordinaire et du rayonnement. Son effet était négligeable. Par la suite, c'est l'énergie sombre qui en est venue à dominer. Quand sa densité est devenue supérieure à celle de la densité de matière décalée vers le rouge, l'Univers a connu une phase d'accélération.