Les physiciens pensent que lorsque l’univers s’est formé il y a 13,8 milliards d’années, il n’était composé que d’hydrogène et d’hélium. Même si aujourd’hui ces deux éléments représentent 98 % des matières connues, il est aisé de constater en regardant autour de nous que de nombreux atomes nouveaux, carbone, oxygène, azote, argent etc… se sont ajoutés aux deux composants initiaux.

D’où sont-ils venus ? C’est l’une des mystérieuses questions auxquelles Christophe Galfard, docteur en physique théorique et élève de Stephen Hawking, répond dans son livre L’univers à portée de main^(*) paru l’an dernier, soit cent ans exactement après la publication des travaux d’Albert Einstein sur la relativité générale.

La Lune et le Soleil sont les deux astres familiers de notre voisinage cosmique immédiat. Mais le Soleil, distant de la Terre de 150 millions de kilomètres, brille d’un talent bien particulier car il est la source de toute notre énergie. Si nous pouvions récupérer l’intégralité de l’énergie du Soleil produite en une seconde, cela couvrirait les besoins énergétiques mondiaux actuels pendant 500 millions d’années. En terme d’échelle, si l’on représente le Soleil par une pastèque, la Terre devient une poussière située 43 mètres plus loin.

Le Soleil, et c’est pareil pour toutes les étoiles, n’est pas une grosse boule de feu. Pour se maintenir, le feu aurait besoin d’oxygène, or le Soleil en possède très peu. Le Soleil est en fait une grosse boule de plasma, c’est-à-dire un mélange d’électrons et d’atomes d’hydrogène privés totalement ou en partie de leurs électrons.

Si la chaleur à la surface du soleil est déjà inconcevable (6 000 °C), elle devient infernale en son cœur, avoisinant les 16 millions de °C. À ce niveau-là, les atomes d’hydrogène ne sont plus que des noyaux nus soumis à l’écrasante pression, la gravitation, que l’étoile exerce sur son propre cœur. Dans l’incapacité de bouger, ils n’ont qu’une solution, fusionner entre eux.

C’est précisément ce qu’on appelle une réaction de fusion thermonucléaire : de gros noyaux atomiques sont créés par fusion de noyaux plus petits. Ces noyaux lourds se dégagent de la fournaise qui les a produits et, loin du cœur du Soleil, rencontrent des électrons qui leur permettent de donner naissance à de nouveaux atomes, azote, oxygène, carbone, etc… Toute la matière que nous connaissons a été produite un jour au cœur des étoiles et elle a atteint l’espace, la Terre et même nos corps à la suite de l’explosion de ces étoiles maintenant disparues.

Lors de la fusion thermonucléaire, la masse de l’atome lourd obtenu est légèrement inférieure à la somme des masses des deux noyaux légers initiaux. La masse manquante m est transformée en énergie E avec le « taux de change » c² le plus élevé jamais rencontré dans la nature. On en doit le calcul à Albert Einstein et à sa célèbre formule :

E = mc²
avec E pour Energie, m pour masse et c pour vitesse de la lumière en mètres par seconde

Comme c = 300 millions de mètres par seconde = 300 . 10⁶,
c² = c x c = 90 000 . 10⁶ . 10⁶ = 90 millions de milliards !

Les petites masses manquantes de chaque fusion au cœur du Soleil sont multipliées par une quantité ébouriffante de fusions et par un « taux de change » en énergie énorme. Il en résulte que la quantité totale d’énergie libérée par les fusions thermonucléaires est absolument phénoménale. Cette énergie va rayonner depuis le cœur du Soleil vers l’extérieur, c’est-à-dire vers l’espace, exerçant ainsi une force qui s’oppose à la gravitation. Le rayonnement de fusion et la gravitation sont les deux forces opposées qui assurent la stabilité des étoiles.

Tant que l’étoile dispose en son centre de petits noyaux d’hydrogène en quantité suffisante pour assurer la fusion, on dit que l’étoile vit la séquence principale de sa vie. Mais un jour, elle manquera d’hydrogène et plus aucun rayonnement de fusion ne pourra contrer la gravitation. Toute la matière solaire sera compressée provoquant la séquence finale du Soleil par une ultime réaction de fusion thermonucléaire. Sauf qu’elle ne se produira pas dans le cœur, où il n’y a plus d’hydrogène, mais partout vers la surface de l’étoile où il restera des petits noyaux qui auront échappé aux fusions précédentes (car situés hors du cœur).

L’énergie dégagée par cette fusion ne partira plus du cœur du Soleil, ce qui lui permettra de dominer largement la gravitation et de faire reculer la surface de l’étoile jusqu’à l’explosion finale. Les physiciens ont évalué les quantités d’hydrogène disponibles au cœur de notre Soleil et en ont déduit qu’il devrait exploser dans environ 5 milliards d’années. Âgé aujourd’hui de 4,57 milliards d’années, il a donc presque atteint le milieu de sa vie.

La formule la plus célèbre du monde citée plus haut, E = mc², nous invite à nous intéresser aux travaux d’Albert Einstein. Mais pour y arriver en douceur, faisons un petit détour par Isaac Newton (1642 ou 43 – 1727).

Physicien, mathématicien, et même philosophe, de l’université de Cambridge en Angleterre, Newton a découvert la Loi de la Gravitation universelle. Considérée dans un aspect local, c’est-à-dire dans notre système solaire, cette loi prédit à merveille le mouvement des corps. Une flèche lancée de telle façon, parcourra telle trajectoire et tombera au sol à tel endroit. Telle planète suivra telle orbite autour du Soleil. Universelle, vraiment. Sauf que pour Mercure, planète la plus petite et la plus proche du Soleil, on observe un petit décalage. Pire que petit, infime. Mais gênant. D’où la question : mais qu’est-ce que la gravitation, au fond ?

Pour nous aider à comprendre ce qui se passe avec Mercure, Christophe Galfard propose une petite expérience à notre imagination. Supposons l’espace, supposons le Soleil et supposons la petite Mercure qui tourne autour. Et ne supposons rien d’autre. Puis enlevons Mercure, puis enlevons le Soleil. Normalement, il ne reste rien. Et l’idée folle qui commence à émerger consiste à se dire : et si la gravitation avait à voir avec ce « rien », avec l’essence, la matière, le tissu invisible de l’univers ?

Si donc on suppose que là où il n’y a rien, il y a quelque chose, le fait d’y reposer le Soleil aura pour conséquence de courber ce « tissu cosmique. » C’est la théorie de la « courbure de l’univers » qui veut que lorsque quelqu’un tombe, ce n’est pas à cause d’une force qui l’attire vers le bas, mais parce qu’il glisse le long d’une pente invisible créée par les objets eux-même dans le « tissu » de l’univers.

Albert Einstein, celui qui a eu l’idée de la gravitation par « courbure », a fait tous les calculs géométriques en utilisant cette théorie. Il a retrouvé tous les résultats de Newton pour toutes les planètes. Et pour Mercure, il a retrouvé le petit écart qui avait jeté un doute sur la Loi de la Gravitation universelle. Nous sommes en 1915, et Albert Einstein publie ses travaux sur la gravitation, qu’il appelle théorie de la relativité générale.

Dix ans auparavant, en 1905, il a déjà publié une théorie de la « relativité restreinte » dans laquelle il explique que le temps n’a pas de signification universelle parce que le temps est relatif. Einstein met en évidence ce qu’on appelle la dilatation du temps : plus vite quelqu’un (ou quelque chose) voyage, plus prononcée est la dilatation de son temps par rapport au temps de celui qui ne voyage pas.

Sur la base des résultats d’Einstein, le physicien français Paul Langevin calcula que si l’on envoyait un jumeau pendant six mois dans un voyage en fusée à une vitesse égale à 99,995 % de la vitesse de la lumière, le jumeau resté sur Terre devrait attendre 50 ans avant le retour de son frère. A ce moment-là, le premier n’aurait que six mois de plus tandis que le second aurait vieilli de 50 ans !

C’est seulement en 1971 que la théorie de la dilatation du temps fut confirmée par l’expérience. Les physiciens américains Hafele et Keating s’équipèrent de trois horloges atomiques d’une précision inégalée. Ils installèrent la première dans un aéroport et les deux autres dans deux avions décollant de cet aéroport. Le premier avion partit autour de la Terre en se dirigeant vers l’est et l’autre fit de même vers l’ouest. Ils finirent par revenir à l’aéroport où les temps indiqués par les trois horloges purent être comparés. Selon notre intuition naturelle, on aurait dû lire la même heure sur les trois.

Mais Hafele et Keating constatèrent que les trois horloges n’étaient plus synchronisées. Celle qui était partie vers l’est avait 59 milliardièmes de seconde de retard par rapport à celle qui était restée à l’aéroport, et celle qui avait volé vers l’ouest était en avance de 273 milliardièmes de seconde. Einstein avait déjà fait les calculs théoriques concernant ces horloges et l’expérience les confirmait parfaitement.

D’autres expériences ont donné des résultats similaires, en accord avec les théories d’Einstein. Malgré cela, il n’existe pour l’instant pas tellement d’applications de ces théories, si ce n’est le GPS dont la technologie prend en compte la courbure de l’espace et la dilatation du temps. A l’aide d’un système d’horloges plutôt complexe, il doit en effet corriger la différence d’écoulement du temps entre le satellite utilisé et le sol. Sinon, il donnerait des positions qui pourraient dévier de 10 kilomètres par jour.

Christophe Galfard aborde de nombreux autres thèmes en rapport avec l’univers, notamment la question de son expansion et la théorie du Big Bang. Il consacre également une grande partie de son livre à l’étude de l’infiniment petit, objet de la théorie quantique, pour finir avec le péché mignon de Sheldon Cooper, la théorie des cordes. Je garde tout cela en réserve pour de futurs articles :

→ Voir Dans la matière de l’univers (article du 1er mars 2016)
→ Voir Aux origines de l’univers (article du 14 mars 2016)
→ Voir Et les nouvelles matières de l’univers s’appellent (article du 13 juin 2016)

QUELQUES  ORDRES  DE  GRANDEUR

Âge de l’univers : 13,8 milliards d’années
                               (meilleure approximation à ce jour)
Âge du Soleil :     4,57 milliards d’années
Âge de la Terre :  4,54 milliards d’années
Apparition de l’homme : il y a 2,8 millions d’année (genre Homo)

Vitesse de la lumière : 300 millions de mètres par seconde
                                         (exactement 299 792 458 m.s^-1)
Une Année lumière :    10 000 milliards de kilomètres
                                         (exactement 9 461 . 10⁹ km)

Distance Terre Soleil : 149,6 millions de kilomètres
Distance Terre Lune :  384 400 kilomètres

Distance Soleil Proxima Centauri : 40 000 milliards de kilomètres
                                                             (soit ≈ 4,22 Années-lumière)
Proxima Centauri est l’étoile de notre galaxie la plus proche du soleil.

Distance Voie lactée Andromède  : 2,5 millions d’Années-lumière
Andromède est la galaxie la plus proche de la nôtre (Voie lactée). Toutes deux font partie du Groupe local (ensemble de 30 à 40 galaxies) lequel appartient à un ensemble supérieur appelé Amas de la Vierge, lui-même inclus dans le Superamas de la Vierge.

Pour finir sur un peu de vertige, voir l’illustration ci-dessous (Groupe local en rouge) :

_{Encadré réalisé par mes soins. Je ne suis pas scientifique, merci de me signaler les sottises.}

---

Mise à jour « spécial Vacances » du 5 août 2016 : Le mois d’août est particulièrement propice à l’observation du ciel. C’est aussi le moment de l’année où l’on voit le plus d’étoiles filantes car la Terre passe dans une zone de son orbite qui traverse la route de la comète Swift-Tuttle, laquelle traîne derrière elle un essaim de petites particules (débris, poussières, cailloux) appelées les Perséïdes.

Concernant le premier point, l’Association française d’astronomie (AFA) propose les 5, 6 et 7 août 2016 des animations spéciales d’observation astronomique lors de ses 26^èmes « Nuits des étoiles. » Cette année, elles sont dédiées à l’astrophysicien André Brahic, décédé le 15 mai dernier, connu notamment pour avoir découvert les anneaux de Neptune.

Pour les étoiles filantes, la période la plus favorable à l’observation sera la nuit du 11 au 12 août 2016 entre 0 h et 4 h du matin du 12 août. Cet été 2016 est un grand cru car le taux horaire prévu est de 160 à 180 météores par heure, soit moitié plus que la normale.

Mise à jour « spécial Vacances » du 27 juillet 2018 : Ce soir à partir de 21 h 30, la Lune (pleine) va entrer dans l’ombre de la Terre et prendre une teinte rousse ou rouge sombre. Ceci signifie que le Soleil, la Terre et la Lune seront alignés dans cet ordre. L’éclipse totale de Lune, la plus longue de tout le XXI^ème siècle, durera 1 heure 42 minutes et 59 secondes et sera visible à l’oeil nu dans son intégralité depuis la France si le ciel est dégagé. La planète Mars sera visible juste en-dessous à droite de la Lune.

---

^(*) L’univers à portée de main de Christophe Galfard, Flammarion, 2015.

.

---

Illustration de couverture : Vue de notre galaxie prise depuis les Andes chiliennes à une altitude de 5000 m environ. Photo  de la NASA.