Tout ce que vous pouvez toucher, peser ou observer avec un télescope — chaque étoile, chaque planète, chaque personne — ne représente que 5 % de l'univers. Ce n'est pas une erreur d'arrondi ; c'est l'un des chiffres les plus solidement confirmés de la cosmologie, affiné au fil de décennies de mesures de la lumière résiduelle issue de la naissance de l'univers. Le reste est constitué de matière noire et d'énergie noire, deux composantes que les astronomes peuvent mesurer avec précision sans encore savoir ce qu'elles sont réellement — une forme étrange de certitude, celle d'être sûr que quelque chose existe bien avant de savoir de quoi il est fait.
Le Big Bang est le nom que les cosmologistes donnent à l'état chaud et dense dont tout est issu, il y a environ 13,787 milliards d'années, avec une précision de 0,02 milliard d'années dans un sens comme dans l'autre — un chiffre remarquablement précis pour un événement survenu avant même l'existence des atomes. Arriver à ce chiffre a demandé près d'un siècle de découvertes accidentelles, d'astronomes tenaces et d'un prêtre belge doté d'une très bonne idée.
Ce guide passe en revue les preuves : la lueur résiduelle qui traverse encore le ciel, les instruments conçus pour la cartographier, les personnes qui ont débattu de sa signification, et à quel point le « budget domestique » de l'univers se révèle étrange.
La lueur résiduelle qui traverse encore le ciel
Environ 375 000 ans après la naissance de l'univers, celui-ci s'est suffisamment refroidi pour permettre la formation des atomes et la dissipation du brouillard de particules chargées, laissant la lumière voyager librement pour la première fois. Cette lumière primordiale continue aujourd'hui de baigner la Terre sous la forme du fond diffus cosmologique, qui nous arrive simultanément de toutes les directions.
Il n'est pas parfaitement uniforme. Des mesures satellitaires ont révélé qu'une portion du ciel affiche une température de 2,7251 kelvins, tandis qu'une autre affiche 2,7249 kelvins — une différence de deux dix-millièmes de degré. Cette infime irrégularité est précisément ce dont les cosmologistes avaient besoin : sans elle, la gravité n'aurait eu aucune prise supplémentaire, et la matière n'aurait peut-être jamais pu s'agglomérer en galaxies. Cartographier ces minuscules variations avec suffisamment de précision pour qu'elles soient exploitables a nécessité des décennies et plusieurs générations d'engins spatiaux, chacun traquant un signal plus faible que le précédent.
Une découverte accidentelle récompensée par un prix Nobel
En 1964, les radioastronomes des Bell Labs Arno Penzias et Robert Wilson ont capté dans leur antenne un léger sifflement uniforme qui persistait quelle que soit la direction pointée. Ils ne cherchaient pas la naissance de l'univers ; ils tentaient de localiser un bruit parasite provenant de leur équipement, et ce « bruit » s'est révélé être le rayonnement de fond cosmologique lui-même. C'est l'une des origines les plus improbables de l'histoire des sciences : la plus grande découverte cosmologique de la décennie s'est présentée déguisée en panne d'équipement.
Quatorze ans plus tard, en 1978, le duo a reçu le prix Nobel de physique pour cette découverte, qui a fourni à la cosmologie la preuve la plus solide à ce jour que l'univers avait débuté dans un état chaud et dense, plutôt que d'exister éternellement dans un état stationnaire.
Un satellite qui a photographié l'univers bébé
L'antenne de Penzias et Wilson pouvait confirmer l'existence du rayonnement de fond, mais elle ne pouvait pas montrer à quoi ressemblait le ciel en détail. Il a fallu pour cela des engins spatiaux dédiés : le satellite Cosmic Background Explorer de la NASA a détecté de faibles variations de température sur de vastes portions du ciel en 1992, puis la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe a affiné cette image jusqu'à produire la première carte complète du ciel avec une résolution de seulement 0,2 degré.
Le physicien Adam Riess, qui a lui-même partagé un prix Nobel en 2011 pour des travaux sans rapport sur l'accélération cosmique, a résumé simplement l'impact de la mission : elle avait apporté de la précision à la cosmologie, et la discipline ne serait plus jamais la même. Une carte aussi détaillée a transformé le Big Bang, faisant passer d'une simple esquisse à quelque chose de proche d'un plan d'ingénieur, avec des chiffres sur lesquels les autres scientifiques pouvaient réellement s'appuyer.
Les astronomes qui avaient vu venir l'expansion
Bien avant que quiconque n'ait entendu parler du fond diffus cosmologique, les indices se trouvaient déjà dans la simple lumière des étoiles. En 1912, Vesto Slipher a pointé son spectrographe vers ce que l'on appelait alors des nébuleuses spirales et a remarqué quelque chose d'étrange : presque toutes s'éloignaient de la Terre à toute vitesse.
À la fin des années 1920, Edwin Hubble avait transformé cette bizarrerie en une véritable tendance, montrant que les galaxies lointaines s'éloignaient dans toutes les directions, exactement comme le prédisaient les équations d'Einstein si l'espace lui-même s'étirait. Il ne s'agissait pas tant d'un unique moment de « découverte » que de plusieurs années de preuves convergeant discrètement vers la même conclusion, les spectres de Slipher ayant accompli l'essentiel du travail préliminaire auquel le nom de Hubble a fini par être associé.
Le prêtre qui a nommé le commencement
Georges Lemaître, physicien belge et prêtre catholique, est parvenu indépendamment à une conclusion similaire. En 1931, il a proposé que l'univers soit issu de ce qu'il appelait un « atome primitif » — l'idée qui allait finalement donner naissance au modèle moderne du Big Bang.
L'influence de Lemaître remonte même plus loin que ce célèbre article. Le tout premier point de données à l'origine de ce que l'on appelle aujourd'hui la constante de Hubble, ce nombre qui décrit la vitesse d'expansion de l'univers, provient en réalité d'un article qu'il a publié en 1927, fondé sur des distances galactiques que Hubble lui-même avait mesurées et publiées. L'histoire a fini par donner son nom à la constante en l'honneur de celui qui avait fourni les distances, plutôt qu'au prêtre qui les avait le premier mises en relation avec la vitesse.
Fait principalement de choses que nous ne pouvons pas voir
Additionnez chaque étoile, chaque planète, chaque lune et chaque personne, et les atomes ordinaires ne représentent toujours qu'environ 5 % de la masse et de l'énergie de l'univers. Le reste se répartit entre deux composantes qui n'émettent aucune lumière : la matière noire, à hauteur de 27 %, et l'énergie noire, largement dominante avec 68 %.
Personne n'a jamais détecté directement l'une ou l'autre. La matière noire est déduite de son effet gravitationnel — elle maintient les galaxies cohésives bien plus fermement que ne le pourrait leur seule matière visible — tandis que l'énergie noire est déduite du fait que l'expansion de l'univers continue de s'accélérer au lieu de ralentir. La matière ordinaire, celle du tableau périodique, se révèle être l'actionnaire minoritaire de son propre univers, un fait qu'il a fallu près d'un siècle de mesures pour établir avec certitude.
Le premier feu d'artifice de la chimie cosmique
Durant environ les 20 premières minutes qui ont suivi le Big Bang, les conditions étaient suffisamment chaudes et denses pour que les protons et les neutrons commencent à fusionner et former les premiers noyaux légers de l'univers — hydrogène-2, hélium-3, hélium-4 et lithium-7. Ce processus, appelé nucléosynthèse primordiale, explique pourquoi le tableau périodique comptait déjà de l'hélium bien avant que la moindre étoile ne s'allume.
Les astronomes estiment que les toutes premières étoiles de l'univers éclipsaient le Soleil, avec une masse 30 à 300 fois supérieure et un éclat des millions de fois plus intense — de véritables géantes comparées à l'étoile au centre de notre propre système solaire.
Un univers trop vaste pour être vu d'un seul coup
La partie de l'univers accessible à nos télescopes est peuplée d'assez de galaxies réparties de manière relativement homogène dans toutes les directions, sur une distance de plus de 10 milliards d'années-lumière — soit environ 6 trilliards de miles depuis la Terre. Au-delà de cette limite, la lumière n'a tout simplement pas encore eu le temps d'atteindre la Terre — cela ne signifie pas que l'univers s'arrête là, seulement que c'est notre champ de vision qui s'arrête là.
Parmi les objets les plus lointains découverts à cette distance figure GN-z11, une galaxie photographiée par le télescope spatial Hubble en 2016 avec un décalage vers le rouge d'environ z≈11,1, telle qu'elle apparaissait environ 400 millions d'années après le début de l'histoire de l'univers — un instantané datant d'une époque où le cosmos n'avait qu'une infime fraction de son âge actuel. Chaque fait présenté dans ce guide, de l'antenne du New Jersey à la lueur résiduelle visible ce soir dans le ciel, constitue en réalité un long argument en faveur d'une même conclusion : l'univers a eu un commencement, et les preuves continuent d'en arriver.