• Le Big Crunch

    Le Big Crunch

    Le retour au néant

    En supposant que l'Univers est né à partir d'un Big Bang et en appliquant les principes de la thermodynamique, nous pouvons présager les conditions d'existence de l'Univers s'il contient suffisamment de matière pour qu'il se referme sur lui-même.

    Pendant la phase de contraction, nous assisterons aux mêmes événements que durant la phase d’expansion, aux seules différences près que la détente gravitationnelle n’existera plus et que les trous noirs y joueront un rôle prédominant. Voici un premier scénario possible que nous devons à l’équipe de Martin Rees de l'Université de Cambridge.

    Compte tenu de la vitesse d’expansion de l’univers, au plus tôt dans 50 milliards d'années - voire bien plus tard en fonction de la densité de la matière - les choses iront en sens contraire. Nous savons déjà que dans 3.07 milliards d'années, la galaxie M31 d’Andromède et la Voie Lactée fusionneront. Dans quelque 5 milliards d'années le Soleil deviendra une géante rouge, s'étendra jusqu'à Jupiter en grillant la Terre avant de disparaître.

    Dans 50 milliards d'années donc, la température de l'Univers sera tombée à 1 K. L'horizon cosmologique sera à 50 milliards d'années-lumière, le rayon réel de l’Univers étant supérieur à 1025années-lumière. Ce jour là, la force gravitationnelle sera lentement parvenue à contrebalancer la force herculéenne qui déclencha l'expansion de l'Univers. Les galaxies proches devenues immobiles présenteront un spectre semblable aux spectres statiques obtenus en laboratoire. Seules les plus lointaines galaxies continueront à nous fuir. Ensuite, inexorablement tous les objets du ciel se rapprocheront de nous. L'Univers entrera dans sa phase de contraction. 

     

     

    La matière attire la matière avec une force inverse au carré de sa distance. Plus la matière se rapprochera, plus la gravitation sera forte; plus la gravitation sera forte plus vite l'Univers se contractera. Ce phénomène irréversible ira en s'accélérant. Sa taille diminuera de façon inversement proportionnelle à sa température.

    Pendant 50 milliards d'années environ, les galaxies se rapprocheront les unes des autres sans provoquer d'effets particuliers; l'Univers sera semblable à ce qu'il est aujourd'hui. Seule différence, les objets présenteront non pas des raies spectrales décalées vers le rouge, mais bien vers le bleu et les plus courtes longueurs d'ondes. Beaucoup d’objets du ciel profond paraîtront plus bleutés et plus brillants qu’ils ne sont en réalité. Plus tard, des galaxies invisibles apparaîtront à la limite de la puissance des télescopes. Ces objets reviendront de l'horizon cosmologique.

    A mesure que l'Univers se rétrécira, le gaz interstellaire s'accumulera en poches de plus en plus denses. Pendant quelques milliards d'années, de nouvelles étoiles pourront naître à partir de ces condensations. Cependant, les jeunes étoiles survivront le temps de leur vingt ans, le combustible étant devenu beaucoup trop lourd pour réagir. Elles ne pourront finalement pas éviter les collisions qui deviendront très fréquentes. Bientôt l'Univers baignera par -173 K.

    Lorsque la bulle de notre univers visible ne fera plus que 10 milliards d'années-lumière, les amas de galaxies seront tellement rapprochées que la plupart d'entre eux fusionneront pour former de gigantesques structures unies par la gravitation. La température sera remontée à 300 K. Le ciel nocturne sera parsemé d'étoiles et bientôt le ciel scintillera durant la journée. A partir de cette époque, les organismes vivants seront en sursis.

    100 millions d'années avant le Big Crunch, l'Univers sera devenu 1000 fois plus petit qu'aujourd'hui. La température sera de 3000 K. Le ciel de nuit (et de jour) sera légèrement lumineux, baignant dans une faible lueur rougeâtre. 

    900000 ans avant l’effondrement final, la température sera de 10000 K. L'énergie de l'Univers dépassera les 13.6 eV fatidiques et ionisera les premiers atomes d'hydrogène. Les molécules se dissocieront de la matière, électrons et protons redeviendront libres. Comme à l'époque du Big Bang, l'Univers redeviendra opaque, tout ne sera que lumière.

    100000 ans avant le Big Crunch, la température sera de 10 millions de Kelvins, la taille réelle de l’univers sera de 1020 années-lumière. L'énergie déchiquettera les étoiles dont les constituants formeront un plasma qui commencera à envahir l'espace. A un demi-million d'électronvolts, tous les atomes éjecteront leurs électrons avant d'être détruits. Les atomes seront désintégrés en particules élémentaires, électrons, protons, neutrons en libérant des photons. Un rayonnement intense envahira l'espace. Si les trous noirs sont aussi nombreux que le supposent les astrophysiciens, ils seront capables à cette époque d'engloutir des galaxies entières. La masse d'hydrogène ainsi libérée prendra des allures de filaments étirés par la vitesse de contraction de l'Univers. Les rares corps isolés dans l'espace s'effriteront et s'évaporeront. Les trous noirs auront une masse supérieure à plusieurs milliards de fois celle d'une galaxie et libèreront des ondes gravitationnelles dantesques. Tout en se contractant, le niveau d'énergie de l'Univers atteindra des centaines puis des millions d'eV. Etant donné que l'espace se rétrécira, le rayonnement au début visible se décalera vers l'ultraviolet, puis vers les rayons X et les rayons gamma.

    Un an avant l’effondrement, les trous noirs seront tellement rapprochés que les plus massifs fusionneront. On peut imaginer qu'au sein de telles entités l'effondrement soit parvenu jusqu'à la singularité quelques millions d'années avant la fin ultime de l'Univers.

    Un mois avant l’effondrement, l'Univers atteindra une température de 10 milliards de Kelvins et seuls les protons et les neutrons existeront encore auprès des neutrinos. Cette énergie sera en mesure de créer des antiparticules. Lorsque la température atteindra 10000 milliards de Kelvins, les protons et les neutrons disparaîtront à leur tour, laissant la place aux quarks.

    Dans une phase finale très accélérée qui durera une fraction de seconde, le rayonnement abandonné dans un espace de quelques millions d’années-lumière sera absorbé par les trous noirs.

    Trois minutes avant l’Apocalypse, les trous noirs supermassifs fusionneront ensemble. Contrairement à ce que pense l’écrivain anglais Douglas Adams[2] nous n’aurons pas le temps d’aller dans "Le dernier restaurant avant la fin du monde". Lorsque ce temps là arrivera, la taille de l’Univers passera d’un million de milliards (1015) d’années-lumière à quelques millions de kilomètres en moins d’une seconde ! Autant dire que l’espace sera entièrement circonscrit dans une singularité.Pfttt..., et l’Univers dispar....

    L'avenir de l'univers

    C'est la densité de matière contenue dans l'univers qui détermine son avenir. A l'heure actuelle les données recueillies ne permettent pas de choisir un scénario plutôt qu'un autre. Aussi la question de savoir comment l'univers finira demeure une énigme. Document NCSA.

    L’Univers oscillant

    Cette échéance du Big Crunch qui paraît inévitable nous rend mal à l'aise quand on pense au devenir de l'humanité. Aussi, Friedmann dès 1922 puis Lemaître en 1927 et Tolman en 1934[3]proposèrent que l'Univers pouvait à nouveau rebondir à cet instant pour renaître et recréer le "Monde". Un nouveau cycle débuterait et tout l'évolution de la vie recommencerait. Georges Lemaître dénomma ce processus "l'univers phoenix".

    Notons que plusieurs philosophies et religions orientales partagent cette conception de l'Univers. Cette théorie est connue sous le nom d'Univers oscillant ou cyclique. C'est une des solutions finales du modèle cosmologique homogène et isotrope FRW.

    Pour sa part, dans le dialogue de l’étranger dans "Le Politique", Platon avait déjà émis l’hypothèse que l’univers oscillant était une "conséquence naturelle du règne de Chronos". Une fois encore la philosophie de Platon ressemble étonnamment à la cosmologie moderne

    Mais personne ne peut véritablement se prononcer sur la viabilité d'un tel processus. Sommes-nous les descendants d'un hypothétique second Big Bang ? Qui peut le dire ? Où trouverait-on les preuves ? Dans une accumulation du rayonnement ? Mais que savons-nous des propriétés de la matière lorsqu'elle est confinée dans une singularité, où la densité infinie est telle que les lois physiques que nous manipulons ne sont plus valables... Si les lois sont conservées, l'accumulation du rayonnement doit impliquer une augmentation progressive de la durée de chaque cycle ainsi que du rayon de l'Univers (car le rayonnement émis par les étoiles doit entraîner une augmentation du nombre de photons par baryon). En fait, nous pouvons imaginer n'importe quel scénario sans vraiment nous tromper.

    C'est un jeu auquel se sont déjà livrés avant nous les Grecs, les Romains et quelques astronomes et physiciens contemporains tels Thomas Gold[5] qui inverse la ligne du temps et des événements ou John Wheeler qui invente un "superespace"[6] qui réinitialise toute la physique à chaque Big Bang. Tout aussi concevable, Dicke et Peebles imaginent des théories où l'Univers a le potentiel de se reproduire lui-même, créant des Univers multiples à partir de particules virtuelles issues du vide quantique. Hawking, après avoir soutenu l'existence d'une symétrie totale entre la phase de dilatation et la phase de contraction de l'Univers a changé d'avis en 1988 après avoir discuté avec ses collègues Don Page et Raymond Laflamme. Hawking prédit[7] que lorsque l'Univers se contractera, la vie aura nécessairement disparu, appliquant en cela le principe anthropique faible. De ce point de vue il s'agit d'un idéalisme spirituel, sujet de réflexion sur lequel nous reviendrons à propos de la philosophie.

    L'univers oscillant

    Si les lois sont conservées, l'accumulation du rayonnement à Big Crunch doit impliquer une augmentation progressive de la durée de chaque cycle ainsi que du rayon de l'Univers. Mais qui pourra jamais confirmer cette hypothèse... ?

    Hawking pensait que la contraction de l’Univers serait l’image parfaite mais symétriquement inversée de son expansion. Toutefois durant cette phase l’Univers sera bien différent de ce qu’il était dans le passé, tant sur le plan chimique que physique. A partir des années 1950, plusieurs physiciens ont démontré que la nature privilégiait la matière au détriment de l’antimatière, en particulier dans les interactions faibles, ce qui fut ensuite confirmé à travers un grand nombre de lois de probabilités. Hawking reconnu là avoir fait sa “plus grande erreur”.

    En résumé Hawking souligne que la vie se nourrit d'éléments organisés qu'elle convertit en énergie, ce qui augmente le désordre général de l'Univers (l'entropie). S'ajoute à cela que l'activité de notre cerveau dégage aussi une certaine énergie qui s'en va augmenter l'entropie de l'Univers. Etant donné que dans la phase de contraction de l'Univers les modèles quantiques stipulent que le désordre continuera à croître, la vie intelligente ne pourrait exister lorsque la flèche dite cosmologique (l'évolution de l'Univers) sera à contre sens de la flèche thermodynamique (l'entropie) et psychologique (activité cérébrale) du temps. En clair, en phase de contraction l'Univers en désordre ne permettra plus le développement de la vie...

    Cependant il est faux de considérer que le cerveau agit comme un ordinateur effectuant des opérations logiques pouvant être abstraites et dès lors irréversibles. L'exemple communément utilisé est celui d'une simple addition : 3 + 3 = 6 est vrai mais 6 peut être la somme de plusieurs autres termes, par exemple 6 = 1 + 2 + 3 est également vrai. Cette opération logique abstraite est réversible. S'il est toutefois difficile d'appliquer ce raisonnement pur à l'activité du cerveau, nous devons reconnaître que la flèche psychologique du temps n'est pas nécessairement orientée vers l'irréversibilité en raison du 2eme principe de la thermodynamique.

     La survie

    Face au malaise que nous ressentons devant cette fin apocalyptique, Freeman Dyson[8] souleva en 1970 la question de savoir si la conscience était déterminée par la nature des molécules ou par la structure de son ensemble.

    Ainsi que nous l'avons expliqué à propos de latéléportation, plus d'un scientifique pensent, à l'instar de Dyson, que la clé de la vie se trouve non pas dans la matière, mais plutôt dans la structure des molécules. La physique quantique nous dit que tous les électrons, toutes les molécules d’un corps simple sont les mêmes. Deux électrons sont toujours identiques comme deux protons sont toujours les mêmes. Ainsi, si je remplaçais chacun de mes atomes, électrons et protons par ceux du poids de senteur ou du cristal, mon état serait toujours identique à lui-même. Ce qui me différencierait d’une plante ou d’un caillou c’est la façon dont tous ces matériaux se sont assemblés : le plan de construction s’est individualisé. Dans ce contexte, l’idée de Dyson paraît moins saugrenue.

    D'après Dyson, lorsque l'environnement deviendra préjudiciable à l'existence d'une vie évoluée, la nature pourrait intervenir pour modifier les fonctions vitales des êtres vivants. Par des mutations successives le métabolisme sera ralenti, ces êtres passeront une partie du temps en hibernation pour conserver leurs facultés. Ils pourront ainsi survivre indéfiniment malgré des ressources d'énergie limitées et un froid extrêmement intense.

    Survie d'une civilisation avancée près d'un trou noir. Doc Pour La Science adapté par l'auteur.

    Mais la nature n'exclue pas la possibilité qu'une forme de vie future puisse inventer le moyen d'empêcher la désintégration de la matière. Si la construction de la vie particule par particule est concevable pour une civilisation scientifiquement aboutie, la vie pourra continuer d'exister au-delà de 1050 ans et pourra alors durer indéfiniment, bien plus que le temps de Dyson dont l'échéance est fixée à 1096 ans, hors des contraintes classiques.

    Ici nous retrouvons les idées véhiculées par de nombreux auteurs de science-fiction et quelques biologistes avant-gardistes tel John Bernal. Pourtant, dans l'absolu, ces théories ont la prétention d'être viables. Nous avons évolué jusqu'à ce jour grâce à l'expérience acquise et la faculté d'élaborer l'action dans la pensée. Nous pouvons encore augmenter les possibilités de notre système nerveux central et à terme comprendre le fonctionnement de la vie. 

    Ainsi, selon Bernal "on peut imaginer ces êtres comme faisant partie d'un réseau d'entités mentales". Ils pourraient ainsi vivre dans l'espace vide et glacial ou partout ailleurs tout en conservant l'avantage de continuer leur évolution dans des conditions très critiques pour un organisme ordinaire. "Ils pourront se projeter sur des distances et des périodes de temps énormes aux moyens d'organes sensoriels inertes. Ces organes, de même que leur champ d'activité seront en général situés très loin d'eux dans l'espace. Tandis que leur lieu d'existence sera l'espace vide et froid plutôt que les atmosphères chaudes et denses des planètes, leur structure éthérée, affranchie de tout support organique sera de plus en plus avantageuse. Peu à peu ils ne conserveront que l'esprit, l'héritage ancestral de l'humanité et des formes de vie primitives s'estompant. Une nouvelle forme de vie, progressivement adaptée à une conscience tout à fait éthérée apparaîtra, indépendante de toute structure ancestrale et fondée sur un agencement particulier de particules errant dans l'espace, communiquant par rayonnement. Cette métamorphose serait aussi importante que l'apparition de la vie sur Terre et pourrait être tout aussi progressive". Finalement poursuit Bernal, "dans une phase ultime, cette humanité se transformerait en lumière. Fin ou commencement ?".

    Ce concept téléologique signifie qu'étant donné nos facultés d'adaptations, l'univers gardera toujours un sens. Mais cette thèse n’a jamais été démontrée. Au contraire, depuis le XIXeme siècle, la paléontologie nous a démontré le contraire : chaque fois qu'un cataclysme a modifié la biosphère et a menacé les êtres qui la peuplait, la vie a cessé d'exister, qu'elle soit intelligente ou non au grand dam des théologiens.

    Nous ne pouvons éluder le fait que notre survie est tributaire des conditions physico-chimiques de l'univers et de la grande sensibilité de ses propriétés aux conditions initiales. Je n'ose imaginé ce qu'il serait advenu des êtres vivants si l'univers avait été un tant soi peu différent. Malheureusement, rien ni aucune théorie ne peut corroborer ou infirmer cette objection.

    Toutes ces explications ne doivent pas nous faire oublier que de grandes incertitudes subsistent quant à savoir de quelle manière l'onde de probabilité s'est réduite pour donner l'Univers concret et matériel que nous connaissons. Cela reste un débat très philosophique. Pourquoi sommes-nous là aujourd'hui à nous poser cette question est un problème qu'il est judicieux d'aborder, pour tenter de cerner l'influence de la philosophie en cosmologie. C'est l'objet du dossier que j'ai consacré au principe anthropique.

     

--------------------------------------------------------

Image qui suit la souris