Cosmologie

Cosmologie

Comment le monde a-t-il commencé? Voilà une question aussi vieille que les origines du genre humain. Cependant, ce n'est qu'au XX^e siècle que l'évolution et la structure à grande échelle de l'Univers se posent comme un problème bien défini et que la science s'y intéresse vraiment.

Au début des années 1900, on commence à mesurer la radioactivité résiduelle des pierres. Ces mesures démontrent que les matériaux dont se compose la Terre ne peuvent pas avoir existé sous leur forme actuelle il y a plus de 4,5 milliards d'années. Dès 1930, des astronomes (dont Edwin P. Hubble au Mount Wilson Observatory) accumulent des preuves attestant que l'Univers a commencé, comme un tout, par une formidable explosion (le big-bang) il y a environ 10 milliards d'années. L'analyse spectrale de galaxies éloignées révèle un décalage systématique de leur lumière vers le rouge, ce qui permet de conclure qu'elles s'éloignent rapidement les unes des autres. Cette conclusion corrobore l'hypothèse d'une explosion originelle.

En 1965, Arno Penzias et Robert W. Wilson, des laboratoires Bell Telephone à Princeton (New Jersey), fournissent une preuve tangible à la théorie du big-bang lorsqu'ils identifient l'origine d'un bruit de fond à haute fréquence dans leur récepteur radio comme étant un rayonnement micro-onde qui remplit uniformément l'espace. On attribue généralement ce rayonnement de fond à la phase première, très chaude et très dense, du big-bang; l'espace interstellaire, sous l'effet de l'expansion, se serait refroidi jusqu'à atteindre la température, très basse, qu'on lui connaît aujourd'hui.

Dès 1941, Andrew MCKELLAR, de l'Observatoire fédéral d'astrophysique (Victoria, en C.-B.), avait prédit l'existence et la température du fond de micro-ondes en se basant sur l'excitation des molécules de cyanogène interstellaire. Cependant, personne ne soupçonne encore la portée cosmologique de ses résultats. En 1992, un groupe de chercheurs de l'U. de la Colombie-Britannique (H. Gush, M. Halpern et E.H. Vishnow) lancent des ballons-sondes équipés de spectromètres et mesurent la température et les propriétés spectrales du rayonnement. Les mesures sont d'une précision sans précédent.

Le schéma théorique de l'évolution cosmique généralement accepté par les cosmologistes décrit de façon très claire les premières secondes mêmes de la création : 2 secondes après l'explosion initiale, la température cosmique atteint 10 milliards de degrés et, dans les 3 minutes qui suivent, l'Univers subit une expansion et un refroidissement d'un facteur 10. Ce laps de temps fournit les conditions optimales pour la synthèse rapide de l'hélium et d'autres éléments légers par fusion thermonucléaire. Les quantités produites, simulées sur ordinateur, peuvent être comparées à l'abondance qu'on retrouve aujourd'hui. La concordance est excellente. Ces simulations ont été effectuées pour la première fois à l'U. de Princeton, en 1966, par le cosmologiste canadien P. James E. Peebles. Depuis, ces techniques ont été raffinées et prolongées. C'est à ce jour la preuve la plus tangible que le modèle du big-bang illustrerait assez bien l'évolution cosmique à partir des premières secondes de l'explosion.

Après un million d'années, l'Univers devient transparent. Peu à peu, la gravité commence à rassembler lentement les matériaux en formant des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies, les plus petits agrégats se formant en premier, selon le scénario ascendant décrit par Peeble. Ce processus d'agrégation laisse des « rides » minuscules sur le fond cosmique de micro-ondes. C'est en 1992 que le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA les détecte pour la première fois. Grâce aux contributions cruciales de J. Richard Bond et de Nick Kaiser, de l'Institut canadien d'astrophysique théorique, et de David S. Salopek (aujourd'hui à l'U. de l'Alberta), nous sommes en mesure de mieux comprendre aujourd'hui les phases subséquentes de l'évolution cosmique.

Que s'est-il donc passé avant et pendant la première seconde? Que de spéculations sont nées de cette question! Tout ce que nous savons vraiment c'est que cette version élémentaire du modèle du big-bang a besoin d'être modifiée à ce niveau. Stephen Hawking (Cambridge, en Angleterre), Don N. Page (U. de l'Alberta) et William G. Unruh (U. de la Colombie-Britannique) font partie des cosmologistes qui étudient ces questions. En 1981, le physicien américain Alan H. Guth propose une théorie fertile, bien que spéculative, connue sous le nom d'« inflation ». Selon cette théorie, le cosmos primitif connaît une transition de phase pendant laquelle, pour une brève fraction de seconde, il est soumis à une force de tension qui étire sa matière et augmente proportionnellement sa masse. Si cette théorie s'avérait correcte, elle ferait naître la possibilité fantastique que le matériel cosmique s'est « créé de lui-même » à partir de pratiquement rien!

Cette expansion va-t-elle se poursuivre éternellement ou l'Univers finira-t-il par s'effondrer sur lui-même (le « big crunch »)? Selon la théorie de la relativité générale, tout dépend de la densité moyenne de l'Univers, un paramètre encore mal connu, qui doit être assez grande pour créer la force de gravité nécessaire pour arrêter l'expansion. (Selon l'hypothèse inflationniste, l'Univers se tiendrait en équilibre entre ces deux scénarios, comme sur une corde raide, ce qui rend quasi impossible toute décision basée sur l'observation.)

L'étude de la déviation de la lumière et de la déformation des images de galaxies lointaines dues au champ gravitationnel engendré par la matière cosmique constitue une approche prometteuse pour déterminer la densité et la distribution de cette dernière. Robert C. Roeder et Charles C. Dyer (U. de Toronto) ont été parmi les premiers à considérer sérieusement la possibilité de mesurer les effets engendrés par de telles « lentilles » gravitationnelles. L'idée est reprise et développée par Anthony Tyson des laboratoires Bell Telephone au New Jersey. Nick Kaiser (Institut canadien d'astrophysique théorique) en a tiré un outil sophistiqué qu'il met présentement en application avec ses collaborateurs, G.G. Fahlman (U. de la Colombie-Britannique), Gordon Squires et David Woods (U. de Toronto), tout comme des équipes de scientifiques de Grande-Bretagne, de France et des États-Unis.

Depuis 2 décennies, les scientifiques adhèrent de plus en plus à la théorie selon laquelle 90 à 99 p. 100 de la matière qui occupe le cosmos serait sous une forme non lumineuse et transparente, de sorte qu'on ne pourrait la détecter que par l'étude de ses effets gravitationnels. Comprendre la nature de cette matière est le plus grand défi auquel font face les cosmologistes d'aujourd'hui.

Le Canada occupe depuis longtemps une place honorable sur la scène internationale pour sa contribution à la cosmologie. Le télescope Canada-France-Hawaii, sur le Mauna Kea à Hawaii, est situé sur le meilleur site d'observation au monde. Sidney VAN DEN BERGH, le doyen des observateurs canadiens, fait figure d'autorité dans les domaines des échelles de distance cosmique et de la classification des galaxies.

En 1994, une équipe canadienne dont fait partie Van den Bergh utilise la caméra à haute résolution du télescope Canada-France-Hawaii pour capter des images individuelles d'étoiles variables pulsantes situées dans une galaxie de l'amas Virgo, à une distance de 50 millions d'années-lumière. On obtient ainsi une nouvelle estimation de l'éloignement de Virgo (distance confirmée de façon indépendante par le télescope spatial Hubble). Cette donnée, interprétée de façon simple, permet de déduire que l'expansion de l'Univers aurait commencé il y a environ huit milliards d'années. Par contre, les astronomes s'appuient sur des bases solides pour affirmer que les plus vieilles étoiles de notre galaxie brillent de façon constante depuis 15 milliards d'années. En ce moment, les chercheurs continuent avec vigueur leurs programmes de mesures et de calcul pour tenter de supprimer ou d'expliquer la contradiction. Ces efforts devraient engendrer des progrès significatifs notables dans les prochaines années.

Dans le domaine de la cosmologie mathématique, l'U. de Waterloo abrite plusieurs spécialistes, parmi lesquels C.B. Collins, J. Wainwright et P.S. Wesson.

La recherche théorique au Canada a connu un nouvel élan en 1985 avec la création de l'Institut canadien d'astrophysique théorique. Cet institut national, sous l'égide de Scott D. Tremaine, a son siège à Toronto. Simultanément, la recherche canadienne a pu bénéficier de la création du programme de cosmologie de l'Institut canadien pour la recherche (W.G. Unruh, directeur). Ce programme a des ramifications à l'Institut canadien d'astrophysique théorique, à l'U. de la Colombie-Britannique et à l'U. de l'Alberta.

Le Canada, avec les États-Unis et la Grande-Bretagne, est aujourd'hui l'un des leaders mondiaux dans le domaine de la recherche cosmologique.

Voir aussi ASTRONOMIE; MOLÉCULES DANS L'ESPACE INTERSTELLAIRE; et OBSERVATOIRE.