Hubert Reeves

Les températures du cosmos

Émission du 2 juillet 2006

Les observations de Hubble et la Théorie de la Relativité d'Einstein sont les fondements de la théorie du Big Bang, théorie qui rencontre aujourd'hui l'assentiment de la très grande majorité des astrophysiciens.

Le refroidissement progressif de l'univers à partir de températures initiales extrêmement élevées est une des affirmations marquantes de cette théorie. Mais en sciences, on aime passer du qualitatif au quantitatif. L'univers d'aujourd'hui est à 3 degrés absolus (ce qui correspond à -270 degrés Celsius). Question : jusqu'à quelle température a-t–il été porté dans le passé ? Quelles preuves avons-nous des affirmations que nous pourrions faire à ce sujet ?

On peut comparer le travail des astrophysiciens à celui des préhistoriens. Toute description du passé doit s'appuyer sur des vestiges qui en ont gardé la trace. On cherche des fossiles à partir desquels on peut tenter de reconstituer les conditions qui prévalaient à la période qu'on veut décrire.

Première étape de notre marche vers le passé : considérons d'abord le « rayonnent fossile » de photons abondamment décrit dans les chroniques antérieures. Il marque le moment de l'univers où les premiers atomes d'hydrogène se forment à partir des protons et des électrons qui, auparavant, erraient, solitaires dans l'espace. L'univers venait d'atteindre un âge de quatre cent mille ans, et sa température était de trois mille degrés. Auparavant, la chaleur était trop intense pour permettre à ces atomes de se constituer. La matière se présentait alors sous la forme d'un plasma de protons et d'électrons analogue à ce que nous trouvons aujourd'hui dans nos tubes fluorescents.

L'existence de ce rayonnement fossile témoigne du fait que l'univers a été assez chaud dans le passé pour que sa matière ait existé sous forme de plasma. Et donc qu'il ait dépassé trois mille degrés …

Deuxième élément : dans notre univers, l'hélium est à peu près dix fois moins abondant que l'hydrogène. Il s'est formé à partir des protons par une séquence de réactions nucléaires. Or, les réactions nucléaires ne se produisent spontanément qu'à des températures supérieures au milliard de degrés. D'où notre nouvelle conclusion : dans le passé, le cosmos a été porté à de telles températures. À cette époque, il était âgé de quelques minutes.

D'autres observations vont nous permettre de remonter encore plus tôt et plus chaud :

• Première observation : l'absence d'antimatière dans notre univers. Pourtant, matière et antimatière se formaient avec une égale probabilité, au début de l'univers, comme dans les accélérateurs de particules. Question : pourquoi n'y en a-t-il plus aujourd'hui ?
• Seconde observation : la mesure des populations relatives de photons et d'électrons. En moyenne dans le cosmos, les photons sont environ dix milliards de fois plus abondants que les électrons. L'absence d'antimatière, d'une part, et d'autre part ce rapport d'abondance, résultent vraisemblablement d'événements qui se sont produits à des températures de millions de milliards de degrés. C'est donc jusqu'à de telles températures que l'univers a été élevé au départ.

C'est ainsi que, de proche en proche, et avec l'aide des fossiles laissés par le refroidissement de l'univers, on peut décrypter son histoire thermique.