La mort de l’Univers : Le cosmos se terminera-t-il par un Big Bounce ou un Big Crunch ?

De nombreuses théories existent pour expliquer le début et la fin de l’univers. Le Big Bounce et le Big Crunch sont deux théories qui sont intrinsèquement liées.

Le modèle le plus largement accepté pour le début de l’univers suggère que l’ensemble de l’espace et du temps a été créé par le Big Bang, un événement qui a eu lieu il y a environ 14 milliards d’années (aujourd’hui estimé à 13,8 milliards d’années, pour être précis). Avant qu’il n’existe, la théorie postule que l’univers était un point très petit, très chaud et très dense, un peu comme une singularité, à partir duquel a été créé l’ensemble de ce que nous voyons autour de nous.

On ne sait pas exactement ce qui a poussé ce point infiniment dense à donner naissance à un univers entier, mais il reste un indice que les astronomes utilisent pour expliquer comment tout ce que nous voyons autour de nous a vu le jour. Cette relique du big bang est connue sous le nom de fond diffus cosmologique (FDC), et elle s’est formée environ 380 000 ans après le big bang.

Comme son nom l’indique, ce vestige du big bang est détectable dans la gamme de fréquences des micro-ondes et imprègne faiblement, mais presque uniformément, chaque centimètre de l’univers, même à ce jour. En l’étudiant, nous pouvons voir les conditions qui existaient lorsque l’univers était très, très jeune.

Afin d’expliquer certaines caractéristiques de l’univers, comme sa température uniforme et sa forme plate, les physiciens ont élaboré la théorie de l’inflation cosmique, qui fait désormais partie de la théorie standard de l’évolution cosmique.

L’inflation cosmique a eu lieu une fraction de seconde après le big bang et décrit comment l’univers s’est étendu plus vite que la lumière, à partir de la taille d’un proton, et a continué à croître de manière exponentielle. Finalement, l’expansion a ralenti, ce qui a permis à l’univers de se refroidir suffisamment pour que les premières étoiles puissent se former.

Tout a commencé par un rebond ?

Bien sûr, il existe d’autres théories qui visent à expliquer comment l’univers a vu le jour. L’une d’elles, connue sous le nom de “big bounce”, avance l’idée que le big bang n’a pas été le début de tout, comme beaucoup l’ont cru. En fait, cette théorie suggère qu’une version antérieure de l’univers existait bien avant le “bang” et l’inflation. Dans ce modèle cosmologique, l’univers est cyclique, c’est-à-dire qu’il croît puis se contracte, ou “crunching”.

Selon cette théorie, l’univers s’étend pendant un certain temps, peut-être un trillion d’années, sous l’effet d’un champ énergétique actuellement attribué à l’énergie sombre. Finalement, ce champ d’énergie s’amincit, et le cosmos commence à se dégonfler doucement.

À ce moment-là, l’expansion de l’univers s’arrête et d’immenses forces gravitationnelles provoquent la contraction de l’univers sur lui-même, attirant toute la matière jusqu’à ce que tout soit à nouveau condensé en un point unique, chaud et minuscule, imitant les conditions qui existaient juste avant le big bang. Cette contraction recharge le champ d’énergie, ce qui entraîne un rebond, et le cycle recommence.

L’avantage de la théorie du big bounce est qu’elle prend en compte l’énergie sombre. Si nous revenons à la théorie du big bang, l’hypothèse est que tout était très “soupeux” jusqu’à ce que l’univers ait environ 300 000 ans. Les températures ont alors considérablement diminué, l’univers a commencé à former les tout premiers protons et électrons, qui se sont ensuite fondus en éléments plus lourds tels que l’hydrogène et l’hélium (ces deux éléments constituent encore une grande partie de toute la matière visible dans l’univers). Puis sont apparus les étoiles, les planètes, les galaxies et les superamas. Le problème, c’est l’énergie sombre, qui représente environ 70 % de l’univers. Nous ne savons pas ce qu’elle est, ni d’où elle vient, ni finalement si elle commence ou s’arrête. Nous ne savons pas ce qu’elle est, d’où elle vient, ni si elle commence ou s’arrête. Mais elle semble provoquer l’accélération du taux d’expansion de notre univers au lieu de le ralentir.

Ouvert, fermé, plat, ou quoi ?

Il va de soi que l’expansion, qui sépare l’univers à des vitesses qui n’ont pas encore été déterminées avec précision, mais qui pourraient dépasser la vitesse de la lumière pour les galaxies situées aux confins de l’univers observable, ne peut pas durer éternellement. Cela dépend toutefois du fait que la géométrie de l’univers soit ouverte, fermée ou plate. Pour résumer :

Pour un univers plat, explique la NASA, “il y a exactement assez de masse pour que l’expansion s’arrête, mais seulement après un temps infini. Ainsi, l’univers n’a pas de limites et s’étendra également à l’infini, mais le taux d’expansion s’approchera progressivement de zéro après un temps infini. C’est ce qu’on appelle un univers plat ou un univers euclidien (la géométrie habituelle des surfaces non courbes que nous apprenons au lycée est appelée géométrie euclidienne)”.

On pense que si le tissu de l’espace-temps est ouvert, l’expansion de l’univers ne s’arrêtera jamais. Au contraire, les étoiles et les galaxies s’éloigneront de plus en plus les unes des autres, jusqu’à ce que la matière soit si éloignée les unes des autres que l’hydrogène et l’hélium ne puissent plus coaliser et s’effondrer en étoiles. L’univers connaîtra alors une mort thermique, parfois appelée “grand gel”, alors que les étoiles s’éteindront lentement – c’est ce qui devrait se produire si l’espace-temps a une courbure négative.

Si l’univers a une courbure positive, explique la NASA, “il y a plus qu’assez de masse pour arrêter l’expansion actuelle de l’univers. Dans ce cas, l’univers n’est pas infini, mais il n’a pas de fin (tout comme la surface d’une sphère n’est pas infinie, mais il n’y a pas de point sur la sphère que l’on pourrait appeler la ‘fin’). L’expansion finira par s’arrêter et se transformer en contraction. Ainsi, à un moment donné dans le futur, les galaxies cesseront de s’éloigner les unes des autres et commenceront à se rapprocher les unes des autres alors que l’univers s’effondrera sur lui-même. C’est ce qu’on appelle un univers fermé”.

Les modèles du big bounce et du big crunch reposent tous deux sur le fait que l’univers est fermé.

Qu’est-ce que cela signifie ?

Pensez au crunch comme l’opposé polaire du big bang. L’univers revient à la singularité chaude et dense dont l’ensemble de l’espace-temps a pu jaillir à l’origine. La forme de l’univers et sa signification pour le destin ultime de toute chose font encore l’objet de nombreux débats, mais le big bounce et le big crunch n’ont pas été exclus, car la nature mystérieuse de l’énergie noire ne permet pas de savoir comment cette force influencera la matière dans un avenir très lointain.

Si le big crunch s’avère finalement vrai, et il semble compatible avec la théorie de la relativité générale d’Einstein, toute la matière sera attirée ensemble, même les trous noirs, jusqu’à former des supergalaxies, puis des trous noirs ultra massifs. Enfin, la matière se combinera pour former un trou noir méga massif. L’univers se rétrécira et deviendra plus chaud à mesure que la matière des étoiles, des planètes et des galaxies se recombinera, ce qui est l’inverse de ce que nous observons actuellement.

Outre le fait que la forme de l’univers doit être conforme à nos théories, la densité de l’univers est également un autre facteur contributif. Pour que le big crunch fonctionne, toute la matière connue doit être suffisamment dense, et donc avoir une force gravitationnelle suffisante, pour inverser efficacement l’expansion. Un critère appelé densité critique doit être respecté.

Aussi cool que soient ces théories, elles ne sont pas les seules à expliquer comment l’univers pourrait se terminer. On pense que l’énergie sombre continue à éloigner les galaxies les unes des autres, et rien ne prouve encore que cette expansion s’arrêtera un jour. Par conséquent, une théorie appelée le grand gel, ou mort thermique, pourrait être plus correcte d’un point de vue astronomique.

Selon cette théorie, l’expansion de l’univers se poursuivra jusqu’à ce que même les étoiles et galaxies les plus proches que nous pouvons voir actuellement soient de plus en plus éloignées les unes des autres, jusqu’à ce que l’univers devienne trop froid pour que les fonctions les plus élémentaires puissent se produire, comme la formation d’étoiles. L’entropie, qui est une mesure de l’ordre par rapport au désordre dans un système fermé, augmentera également jusqu’à sa valeur maximale, ce qui signifie que la chaleur restante sera distribuée uniformément dans l’univers. La formation d’étoiles s’arrêtant, les étoiles restantes s’éteindront, et l’univers deviendra sombre, froid et inhabitable.

Peut-être devrions-nous espérer un big crunch suivi d’un big bounce ?

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche