ACTE 1
L’univers

SCÈNE 1
Le chaos

La scène est blanche, infinie. Partout, ce n’est qu’une clarté implacable, la lumière d’un univers en incandescence, le chaos d’une matière qui n’a encore ni sens ni nom…

Mais qu’est-ce qu’il y avait « avant » ?

Dominique Simonnet : Une explosion de lumière dans la nuit des temps, c’est le début de notre histoire, l’origine de l’univers dont la science nous parle depuis quelques années. Avant de nous intéresser à ce phénomène, on ne peut s’empêcher de se poser cette question naïve : qu’est-ce qu’il y avait avant ?

Hubert Reeves : Quand on évoque le début de l’univers, on se heurte inévitablement au vocabulaire. Pour nous, le mot « origine » indique un événement qui se situe dans le temps. Notre « origine » personnelle, par exemple, est le moment où nos parents ont fait l’amour et nous ont conçus. Elle connait un « avant » et un « après ». Nous pouvons la dater, l’inscrire dans le fil de l’histoire. Et nous admettons que le monde existait avant cet instant.

— Mais là, nous parlons de l’origine des origines, la toute première…

— Et c’est justement la grande différence. On ne peut pas la considérer comme un événement semblable aux autres. Nous nous trouvons dans la situation des premiers chrétiens qui demandaient que faisait Dieu avant d’avoir créé le monde. La réponse populaire était « Il préparait l’enfer pour ceux qui se posent cette question ! »… Saint Augustin n’était pas d’accord. Il avait bien vu la difficulté d’une telle interrogation. Elle supposait que le temps existait « avant » la création. Il répondait que la création était non seulement celle de la matière, mais aussi celle du temps ! Ce point de vue est assez voisin de celui de la science moderne. Espace, matière et temps sont indissociables. Dans nos cosmologies, ils apparaissent ensemble. Si origine de l’univers il y a, c’est aussi l’origine du temps. Il n’y a donc pas « d’avant ».

— « Si origine de l’univers il y a », dites-vous… Ce n’est donc pas certain ?

— Nous ne le savons pas. La grande découverte de ce siècle, c’est que l’univers n’est ni immuable ni éternel, comme le supposait la majorité des scientifiques du passé. On en est aujourd’hui convaincu : l’univers a une histoire, il n’a cessé d’évoluer en se raréfiant, en se refroidissant, en se structurant. Nos observations et nos théories nous permettent de reconstituer le scénario et de remonter dans le temps. Elles nous confirment que cette évolution se poursuit depuis un passé lointain que l’on situe entre 10 et 15 milliards d’années selon les estimations. Nous disposons maintenant de nombreux éléments scientifiques pour établir le portrait de l’univers à ce moment-là : il est totalement désorganisé, il ne possède ni galaxies, ni étoiles, ni molécules, ni atomes, ni même de noyaux d’atomes… Il n’est qu’une bouillie de matière informe portée à des températures de milliards de milliards de degrés. C’est ce que l’on a appelé le « Big Bang ».

— Et rien avant ?

— Nous ne possédons pas le moindre élément qui remonte à une période antérieure à cet événement, pas le moindre indice qui nous permettrait de reculer davantage dans le passé. Toutes les observations, toutes les données recueillies par l’astrophysique s’arrêtent à cette même frontière. Cela signifie-t-il que l’univers a « débuté » il y a quinze milliards d’années ? Ce Big Bang est-il vraiment l’origine des origines ? Nous n’en savons rien.

— C’est pourtant ce que l’on enseigne désormais dans les écoles : l’univers a commencé par le Big Bang, une formidable explosion de lumière, il y a quinze milliards d’années. Et c’est bien ce que répètent les chercheurs depuis quelques années…

— Nous nous sommes probablement mal exprimés, et nous avons été mal compris. Nous pourrions parler d’un début, d’un véritable commencement, si nous étions certains qu’avant cet événement il n’y avait rien. Or, à ces hautes températures, nos notions de temps, d’espace, d’énergie, de température ne sont plus applicables. Nos lois ne fonctionnent plus, nous sommes totalement démunis.

— C’est un peu une dérobade de scientifiques, non ? Quand on raconte une histoire, il y a toujours un commencement. Puisque l’on parle maintenant de l’« histoire » de l’univers, il n’est pas stupide de lui chercher un début.

— Certes, chez nous, toutes les histoires ont eu un commencement. Mais il faut se méfier des extrapolations. On peut dire la même chose de l’horloge de Voltaire : son existence prouvait, selon lui, l’existence d’un horloger. Ce raisonnement, impeccable à notre échelle, l’est-il encore pour l’« horloge » de l’univers ? Je n’en suis pas certain. Encore faudrait-il savoir si, comme l’a dit Heidegger, notre logique est la suprême instance, si les arguments valables sur Terre peuvent être extrapolés à l’univers tout entier. La seule vraie question, c’est celle de notre existence, celle de la réalité, de notre conscience : « Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? » se demandait Leibniz. Mais c’est une question purement philosophique, la science est incapable d’y répondre.

 

L’horizon de nos connaissances

— Pour contourner ce casse-tête, pourrait-on alors définir le Big Bang comme le début de l’espace et du temps ?

— Définissons-le plutôt comme le moment où ces notions deviennent utilisables. Le Big Bang, en réalité, c’est notre horizon dans le temps et dans l’espace. Si nous le considérons comme l’instant zéro de notre histoire, c’est par commodité, et faute de mieux. Nous sommes comme des explorateurs devant un océan : nous ne voyons pas s’il y a quelque chose au-delà de l’horizon.

— Si je comprends bien, le Big Bang est en fait une manière de désigner, non pas vraiment la limite du monde, mais celle de nos connaissances.

— Exactement. Mais attention, n’en concluons pas non plus que l’univers n’a pas d’origine. Encore une fois, nous n’en savons rien. Convenons, pour simplifier, que notre aventure commence il y a quinze milliards d’années, dans ce chaos infini et informe qui va lentement se structurer. C’est en tout cas le début de notre histoire du monde telle que la science peut aujourd’hui la reconstituer.

— Les spécialistes peuvent se contenter d’une abstraction pour figurer le Big Bang. Mais les autres ont besoin d’une métaphore. On le décrit souvent comme une boule de matière concentrée qui explose dans un grand éclair de lumière et emplit tout l’espace…

— Comparaison n’est pas raison. Cette représentation supposerait l’existence de deux espaces, l’un plein de matière et de lumière, qui envahirait progressivement un second espace, vide et froid. Dans le modèle du Big Bang, il n’y a qu’un seul espace, uniformément rempli de lumière et de matière, qui est en expansion partout : tous ses points s’éloignent uniformément les uns des autres.

— Difficile à imaginer. Quelle représentation visuelle peut-on avoir du Big Bang alors ?

— On peut à la rigueur garder l’image de l’explosion si l’on admet que celle-ci se produisait en chaque point d’un espace immense et peut-être (pas certainement) infini. Difficile à imaginer bien sûr, mais faut-il s’en étonner ? Quand nous abordons de telles échelles, nos facultés se trouvent en terrains inhabituels et nos représentations sont quelque peu inadaptées.

 

Et Dieu ?

— Infinie ou pas, cette image correspond joliment à celle de la création du monde proposée par la Bible : « Et la lumière fut »…

— Cette similitude a d’ailleurs longtemps nui à la crédibilité de la théorie du Big Bang quand celle-ci fut proposée au début des années 1930. Surtout après les déclarations du pape Pie XII : la science a retrouvé le « Fiat lux » (que la lumière soit !). L’attitude des communistes de Moscou à cette époque fut également révélatrice. Après avoir refusé totalement ces « âneries papales », ils prirent conscience que cette théorie pouvait confirmer le dogme communiste du matérialisme historique. « Lénine l’avait bien dit ! »… Pourtant, en dépit de ces tentatives de récupérations religieuses et politiques, le Big Bang a fini par s’imposer. Les preuves en sa faveur n’ont cessé de s’accumuler au cours des décennies et la quasi-totalité des astrophysiciens reconnaît maintenant cette théorie comme le meilleur scénario de l’histoire du cosmos. Sauf l’astrophysicien anglais Fred Hoyle, ardent défenseur d’un univers stationnaire : c’est lui qui, par dérision, l’a surnommée « Big Bang ». Le nom est resté…

— Que la science retrouve la religion sur sa route, ce n’est pourtant pas scandaleux.

— À condition de ne pas confondre leurs démarches. La science cherche à comprendre le monde ; les religions (et les philosophies), elles, se sont généralement assignées pour mission de donner un sens à la vie. Elles peuvent s’éclairer mutuellement à condition de rester chacune sur son territoire. Chaque fois que l’Église a essayé d’imposer son explication du monde, il y a eu conflit. Rappelons-nous Galilée, qui disait à ses adversaires théologiens : « Dites-nous comment on va au ciel, et laissez-nous vous dire comment “va” le ciel. » Et rappelons-nous l’opposition des ecclésiastiques aux théories darwiniennes. La science s’intéresse aux faits visibles et perceptibles. Elle ne permet pas d’interpréter ce qu’il y a « au-delà » du visible. Contrairement à une opinion répandue, elle n’élimine pas Dieu. Elle ne peut prouver ni son existence ni son inexistence. Ce discours lui est étranger.

— Il reste que non seulement la religion chrétienne mais aussi de très nombreuses mythologies expliquent la création du monde par une explosion de lumière ? C’est quand même troublant, non ?

— L’image d’un chaos initial qui se métamorphose progressivement en un univers organisé se retrouve en effet dans plusieurs récits traditionnels. Elle est commune à de nombreuses croyances ; on la retrouve chez les Égyptiens, les Indiens d’Amérique du Nord, les Sumériens. Ce chaos est souvent représenté par une image aquatique, par exemple un océan plongé dans l’obscurité. « Rien n’existait, sauf le ciel vide et la mer calme dans la nuit profonde » raconte la tradition maya. « Toute la Terre était mer » dit un texte babylonien. « La Terre était sans forme et vide, l’obscurité s’étendait à la surface des profondeurs, et l’esprit de Dieu se mouvait sur l’étendue des eaux » lit-on dans la Genèse. La métaphore de l’oeuf est aussi fréquemment utilisée. À l’intérieur de l’oeuf, un liquide apparemment informe devient un poussin. C’est une belle image de l’évolution de l’univers. Chez les Chinois, l’oeuf se sépare en deux moitiés qui vont constituer l’une, le ciel, et l’autre, la Terre. Cependant, dans ces mythologies, le chaos est associé à l’eau et à l’obscurité. Dans la cosmologie moderne, il est au contraire constitué par la chaleur et la lumière.

— Pourtant les analogies entre le récit scientifique et ces mythes sont indéniables…

— S’agit-il d’une coïncidence ? Ou d’un savoir intuitif ? Après tout, nous le verrons au fil de cette histoire, nous sommes nous-memes composés de la poussière du Big Bang. Peut-être portons-nous en nous la mémoire de l’univers ?

 

La découverte de l’histoire

— Comment en est-on arrivé à l’idée d’un chaos originel et d’une évolution de l’univers ?

— Pendant deux millénaires, la tradition philosophique a considéré que l’univers était éternel et inchangeant. Aristote s’est exprimé clairement sur ce sujet et ses idées ont dominé la pensée occidentale pendant plus de deux mille ans. Pour lui, les étoiles sont faites d’une matière impérissable et les paysages célestes sont immuables. Aujourd’hui nous savons, grâce aux instruments modernes, qu’il avait tort. Les étoiles naissent et meurent, après avoir vécu quelques millions ou milliards d’années. Elles brillent, en consumant leur carburant nucléaire, et s’éteignent quand celui-ci est épuisé. Nous pouvons même leur donner un âge.

— Personne n’avait jamais émis l’idée que le ciel pouvait changer ?

— Si. Plusieurs philosophes le supposaient, mais leurs vues ne se sont pas imposées. Lucrèce, philosophe romain du 1er siècle avant Jésus-Christ, affirmait que l’univers était encore dans sa jeunesse. Pourquoi avait-il cette conviction très en avance sur son époque ? Il suivait un raisonnement astucieux. Depuis mon enfance, se disait-il, j’ai constaté que les techniques se sont perfectionnées autour de moi. On a amélioré les voilures de nos bateaux, on a inventé des armes de plus en plus efficaces, on a fabriqué des instruments de musique de plus en plus raffinés… Si l’univers était éternel, tous ces progrès auraient eu le temps de se réaliser cent fois, mille fois, un million de fois ! Je devrais donc vivre dans un monde achevé, qui ne change plus. Puisque, au cours des quelques années de mon existence, j’ai pu voir autant d’améliorations, c’est donc bien que le monde n’existe pas depuis toujours…

— Jolie déduction…

— La cosmologie la confirme aujourd’hui par trois constats : 1) le monde n’a pas toujours existé ; 2) il est en changement ; 3) ce changement se traduit par le passage du moins efficace au plus efficace, c’est-à-dire du simple au complexe.

 

La machine à remonter le temps

— Sur quelles découvertes la science moderne se fondent-elle ?

— Grâce à nos instruments, ceux de la physique et de l’astronomie, nous retrouvons des traces du passé de l’univers. Nous pouvons en reconstituer l’histoire, comme les préhistoriens reconstituent le passé de l’humanité à partir des fossiles abandonnés dans les grottes. Mais nous avons sur les historiens un immense avantage : nous, nous pouvons voir directement le passé.

— Comment cela ?

— À notre échelle, la lumière voyage très rapidement, 300 000 kilomètres-seconde. À l’échelle de l’univers, cette vitesse est dérisoire. La lumière nous parvient de la Lune en une seconde, du Soleil en huit minutes, mais elle met quatre ans pour cheminer depuis l’étoile la plus proche, huit ans depuis Véga, des milliards d’années depuis certaines galaxies. Nos télescopes nous permettent maintenant d’observer des astres très lointains, les quasars, par exemple, dont la luminosité atteint dix mille fois celle de notre galaxie tout entière. Certains d’entre eux sont situés à 12 milliards d’années. Nous les voyons donc dans l’état où ils étaient il y a 12 milliards d’années.

— Quand vous braquez vos télescopes sur une région de l’univers, vous observez donc un moment de son histoire.

— Exactement. Le télescope est une machine à remonter le temps. Contrairement aux historiens, qui ne pourront jamais contempler la Rome antique, les astrophysiciens peuvent véritablement voir le passé, et observer les astres tels qu’ils étaient autrefois. Nous voyons la nébuleuse d’Orion telle qu’elle était à la fin de l’Empire romain. Et la galaxie d’Andromède, visible à l’oeil nu, est une image vieille de deux millions d’années. Si les habitants d’Andromède regardent en ce moment notre planète, ils la voient avec le même décalage : ils découvrent la Terre des premiers hommes.

— Cela signifie que le ciel que nous observons la nuit, les astres que nous voyons, ces myriades d’étoiles, ces galaxies ne sont que des illusions, une superposition d’images du passé ?

— Strictement parlant, on ne peut jamais voir l’état présent du monde. Quand je vous regarde, je vous vois dans l’état où vous étiez il y a un centième de micro-seconde, le temps que la lumière a mis pour me parvenir. Un centième de microseconde, c’est très long à l’échelle atomique, même si cela est imperceptible à notre conscience. Mais les êtres humains ne disparaissent pas dans ce laps de temps, et je peux poser sans risque l’hypothèse que vous êtes toujours là. C’est la même chose pour le Soleil : il ne change pas pendant les huit minutes du trajet accompli par sa lumière. Les étoiles que nous voyons à l’oeil nu la nuit, celles qui composent notre galaxie, sont elles aussi relativement proches. Mais pour les astres lointains, ceux que l’on détecte avec de puissants télescopes, il en va différemment. Le quasar que je vois à 12 milliards d’années-lumière n’existe vraisemblablement plus aujourd’hui.

— Pourrait-on alors voir encore plus loin, encore plus tôt, jusqu’à ce fameux horizon, le Big Bang ?

— Plus on recule dans le passé, plus l’univers devient opaque. Au-delà d’une certaine limite, la lumière ne peut plus nous parvenir. Cet horizon correspond à une époque où la température est d’environ 3 000 degrés. À l’horloge conventionnelle du Big Bang, l’univers a déjà environ 300 000 ans.

 

Les preuves du Big Bang

— Le Big Bang reste donc très abstrait. On peut même se demander s’il n’est pas le pur produit de l’imagination des scientifiques, s’il a une vraie réalité.

— Comme toute théorie scientifique, celle du Big Bang est fondée à la fois sur un ensemble d’observations et sur un système mathématique (la relativité générale d’Einstein) capable d’en reproduire les valeurs numériques. Si cette théorie est crédible, c’est parce qu’elle a déjà prédit correctement le résultat de plusieurs observations, et que ces prédictions ont été confîrrnées ; ce qui montre que le Big Bang n’est pas seulement un produit de l’imagination des scientifiques, mais qu’il touche à la réalité du monde.

— Soit. Mais comment peut-on le décrire si l’on ne peut pas le voir ?

— On en voit de nombreuses manifestations. Vers 1930, un astronome américain, Edwin Hubble, a constaté que les galaxies s’éloignent les unes des autres, à des vitesses proportionnelles à leur distance. Un peu comme un pudding que l’on met au four : à mesure qu’il gonfle, les raisins s’écartent les uns des autres. Ce mouvement d’ensemble des galaxies, nommé expansion de l’univers, a été confirmé jusqu’à des vitesses de dizaines de milliers de kilomètres-seconde. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, cette expansion traduit un refroidissement progressif de l’univers. Sa température actuelle est d’environ 3 degrés absolu, c’est-à-dire moins 270 degrés Celsius. Et ce refroidissement se poursuit depuis environ quinze milliards d’années.

— Comment le sait-on ?

— Essayons de reconstituer le scénario, en passant le film à l’envers. Plus on remonte dans le temps, plus les galaxies se rapprochent : l’univers est de plus en plus dense, de plus en plus chaud, de plus en plus lumineux. On arrive ainsi à un moment, vers quinze milliards d’années, où la température et la densité atteignent des valeurs gigantesques. C’est ce que l’on appelle conventionnellement le Big Bang.

— Notre pudding est une boule de pâte ?

— Les comparaisons, on l’a dit, sont trompeuses. Celle du pudding aux raisins suggère que l’univers était plus petit que celui d’aujourd’hui. Rien n’est moins certain. Il pourrait bien être infini et avoir toujours été infini…

— Attendez ! Comment peut-on imaginer un univers qui soit infini dès l’origine et qui va se mettre à grandir ?

— Le mot « grandir » n’a pas de sens pour un espace infini. Disons simplement qu’il va se raréfier. Pour mieux comprendre, on peut imaginer un univers à une seule dimension : une règle graduée qui s’étend jusqu’à l’infini à gauche et à droite. Imaginons qu’elle entre en expansion, c’est-à-dire que chaque marque de centimètre s’éloigne de sa voisine. Les traits vont s’espacer de plus en plus, mais la règle restera infinie.

— On imagine que la découverte de ce mouvement des galaxies n’est pas la seule preuve du Big Bang.

— Il y en a plusieurs autres. Prenons par exemple l’âge de l’univers. On peut le mesurer de différentes manières. Soit par le mouvement des galaxies, soit par l’âge des étoiles (en analysant leur lumière) et par l’âge des atomes (en calculant la proportion de certains d’entre eux qui se désintègrent au fil du temps). L’idée du Big Bang exige que l’univers soit plus vieux que les plus vieilles étoiles et que les plus vieux atomes. Eh bien ! l’on trouve, dans les trois cas, des âges voisins de 15 milliards d’années, ce qui renforce la crédibilité de notre théorie. Et puis, nous avons nous aussi nos fossiles…

 

Les fossiles de l’espace

— Des fossiles ? On imagine que ce ne sont pas des coquillages ni des ossements…

— Il s’agit de phénomènes physiques qui datent des temps les plus anciens du cosmos et dont les caractéristiques nous Permettent de reconstituer le passé, comme les préhistoriens le font avec des fragments d’os. Par exemple, le « rayonnement fossile » qui a été émis à une période où l’univers était à des températures de plusieurs milliers de degrés. C’est un vestige de la formidable lumière qui existait à ce moment-là, peu après le Big Bang, une pâle lueur répartie uniformément dans l’univers. Elle nous arrive sous la forme d’ondes radiomillimétriques détectables avec des antennes appropriées dans toutes les directions du ciel. C’est l’image du cosmos d’il y a 15 milliards d’années, la plus vieille image du monde.

— L’espace entre les étoiles n’est donc pas vide ?

— La lumière est constituée de particules que l’on appelle des « photons ». Chaque centimètre cube d’espace contient environ 400 de ces grains de lumière, dont la très grande majorité voyage depuis les tout premiers temps de l’univers, les autres ayant été émis par les étoiles.

— Comment a-t-on pu les compter ?

— Nous mesurons en réalité la température de l’espace. Nous pouvons le faire avec une très grande précision grâce aux sondes spatiales notamment : 2,716 degrés absolus. Or, il existe une relation simple entre la température et le nombre de photons. Le calcul nous donne 403 grains de lumière dans chaque centimètre cube d’espace. Joli, non ?

— Pas mal, en effet.

— Ajoutons que l’existence de ce rayonnement fossile avait été prévue par l’astrophysicien George Gamow en 1948, soit dix-sept ans avant qu’on ne l’observe vraiment. Ce rayonnement était, selon lui, une conséquence nécessaire de la théorie du Big Bang.

— Ce que prévoyait la théorie est donc conforme à ce que l’on observe aujourd’hui ?

— Le télescope spatial Hubble nous a apporté encore de nombreuses confirmations. Un exemple récent : nous voyons une galaxie lointaine comme elle était à une époque où l’univers était plus chaud. Grâce à ce télescope, on a pu déterminer la température du rayonnement dans lequel baigne une galaxie située à 12 milliards d’années-lumière. On a trouvé 7,6 degrés. C’est tout à fait la température prédite par la théorie. Pendant le temps du voyage de la lumière de cette galaxie jusqu’à nous, la température est tombée à 2,7 degrés, preuve que nous vivons dans un univers en refroidissement.

 

Le noir de la nuit

— D’autres arguments ?

— Celui-ci. Les atomes d’hélium sont également des fossiles ; leurs populations relatives dans l’univers sont elles aussi en accord avec la théorie et indiquent que l’univers du passé a atteint une température d’au moins 10 milliards de degrés. Il y a aussi des preuves indirectes, comme l’obscurité du ciel nocturne.

— En quoi est-ce une preuve de l’évolution de l’univers ?

— Si les étoiles étaient éternelles et inchangeantes comme le prétendait Aristote, la quantité de lumière qu’elles auraient dégagée pendant un temps infini serait, elle aussi, infinie. Le ciel devrait donc être extrêmement lumineux. Pourquoi ne l’est-il pas ? Cette énigme a tourmenté les astronomes pendant des siècles. On sait maintenant que si notre ciel est obscur, c’est bien parce que les étoiles n’ont pas toujours existé. Une durée de quinze milliards d’années, ce n’est pas assez long pour emplir l’univers de lumière, surtout quand l’espace entre les étoiles grandit sans cesse. L’obscurité de la nuit est une preuve supplémentaire de l’évolution de l’univers.

— Et encore ?

— Un argument indirect en faveur d’un univers en changement nous vient directement de la relativité générale. Cette théorie, formulée en 1915, ne permet pas à l’univers d’être statique. S’il avait su lire correctement le message de ses propres équations, Einstein aurait pu prédire que notre univers était en évolution, quinze ans avant que d’autres ne le découvrent.

— Rien ne s’oppose donc plus aujourd’hui à la théorie du Big Bang ?

— Disons plutôt que, sur le marché des théories cosmologiques, le Big Bang est – de beaucoup – le meilleur choix. Aucun scénario rival n’explique d’une façon aussi simple et naturelle l’ensemble impressionnant d’observations qui ont été réalisées. Aucun n’a fait autant de prédictions réussies… Certes, le scénario du Big Bang est loin d’être entièrement satisfaisant, il comporte beaucoup de faiblesses et de points obscurs. Il s’agit d’un programme en train de se perfectionner au travers de ses hésitations et de ses tâtonnements. On le modifiera sans doute encore, et peut-être l’englobera-ton dans un schéma plus vaste. Mais l’essentiel devrait subsister.

— En quoi consiste cet essentiel ?

— En quelques affirmations simples : l’univers n’est pas statique, il se refroidit et se raréfie. Mais surtout, et c’est pour nous un élément central, la matière s’organise progressivement. Les particules des temps les plus anciens s’associent pour former des structures de plus en plus élaborées. Tel que Lucrèce l’avait deviné, on passe du « simple » au « complexe », du moins efficace au plus efficace. L’histoire de l’univers, c’est l’histoire de la matière qui s’organise.

SCÈNE 2
L’univers s’organise

Par ordre d’entrée en scène : des particules infimes, dans un désordre indescriptible. Puis, résultats de leurs accouplements, les premiers atomes qui tentent, eux aussi, des liaisons explosives au coeur d’astres brûlants.

 

La soupe aux lettres

— L’histoire de la complexité commence. Nous sommes à l’horizon de notre passé, il y a quelque quinze milliards d’années. De quoi l’univers est-il fait à ce moment-là ?

— L’univers est une purée homogène de particules élémentaires : il s’agit des électrons (ceux de notre courant électrique), des photons (les grains de lumière), des quarks, des neutrinos, et d’une panoplie d’autres éléments appelés gravitons, gluons, etc. On les appelle « élémentaires » parce que l’on ne peut pas les décomposer en éléments plus petits, du moins le croit-on.

— C’est une purée primitive, dit-on habituellement. Ce qui veut dire que tout cela est mélangé, désordonné, désorganisé.

— J’aime la comparer à ces potages de mon enfance composés de pâtes en forme de lettres de l’alphabet avec lesquelles nous nous amusions à écrire nos noms. Dans l’univers, ces lettres, c’est-à-dire les particules élémentaires, vont s’assembler en mots, les mots s’associeront à leur tour pour former des phrases qui s’agenceront elles aussi plus tard en paragraphes, en chapitres, en livres… À chaque niveau, les éléments se regroupent pour former de nouvelles structures à un niveau supérieur. Et chacune d’elles possède des propriétés que n’ont pas individuellement ses éléments. On parle de « propriétés émergentes ». Les quarks s’assemblent en protons et neutrons. Plus tard, ceux-ci s’associeront en atomes, qui formeront des molécules simples, qui composeront des molécules plus complexes qui… C’est la pyramide des alphabets de la nature.

— Combien de temps cela a-t-il pris ?

— Pendant les premières dizaines de microsecondes après le Big Bang, l’univers est un vaste magma de quarks et de gluons. Vers la quarantième microseconde, au moment où la température descend en dessous de 1 012 degrés (un million de million), les quarks s’assemblent pour donner les premiers nucléons : les protons et les neutrons.

 

La première seconde

— Quelle précision ! Comment peut-on connaître la première seconde de l’univers, et même les infimes fractions de la première seconde, alors qu’on ne sait même pas si l’univers a 10 ou 15 milliards d’années ?

— Quel que soit le moment où elle a eu lieu, il s’agit pourtant bien de la première seconde. Il faut comprendre le sens précis des mots. La « première seconde » indique la période où l’univers était à une température de 10 milliards de degrés. Avant la première seconde, il était à une température plus élevée encore. La difficulté, c’est de situer cette seconde dans notre histoire : disons environ quinze milliards d’années. Les grands accélérateurs de particules nous permettent de reconstituer, pendant des instants très brefs, les fortes densités d’énergie qui existaient à cette époque. Elles correspondent à des températures de 1 016 degrés. Dans le scénario cosmique, elles n’ont régné que le temps d’une micro-microseconde. Mais encore une fois, il s’agit d’un chronométrage qui n’a de sens que dans la théorie du Big Bang. C’est une horloge conventionnelle, une sorte de repérage.

— Nous constations pourtant que la physique touchait à ses limites et qu’elle était démunie face à l’événement Big Bang.

— Nous disposons de deux bonnes théories : la physique quantique, extrêmement précise, qui décrit le comportement des particules à condition que celles-ci ne soient pas plongées dans un champ de gravité trop fort ; et la théorie de la gravité d’Einstein, qui, elle, rend compte du mouvement des astres, mais qui ignore le comportement quantique des particules. Les limites de la physique se situent à des températures d’environ 1 032 degrés (c’est la « température de Planck »). À cette température, les particules sont justement soumises à de très forts champs de gravité ! Nous ne savons plus calculer leurs propriétés… Personne encore n’a résolu ce problème. C’est notre limite depuis cinquante ans. Il nous faudrait un nouvel Einstein.

— En attendant, contentons-nous de la première seconde. Pourquoi l’univers n’est-il pas resté à l’état de purée ? Qu’est-ce qui l’a incité à s’organiser ?

— Ce sont les quatre forces de la physique qui ont présidé à l’assemblage des particules, puis à celui des atomes, des molécules et des grandes structures célestes. La force nucléaire soude les noyaux atomiques ; la force électromagnétique assure la cohésion des atomes ; la force de gravité organise les mouvements à grande échelle – ceux des étoiles et des galaxies ; et la force faible intervient au niveau des particules appelées neutrinos. Mais aux premiers temps, la chaleur dissocie tout et s’oppose à la formation des structures. Tout comme, à nos températures, elle empêche la formation de la glace. Il a donc fallu que l’univers se refroidisse pour que les forces puissent entrer en action et tenter les premières combinaisons de la matière.

 

La force est avec nous

— Mais d’où viennent-elles, ces fameuses forces ?

— Vaste question, à la limite de la métaphysique… Pourquoi y a-t-il des forces ? Pourquoi ont-elles la forme mathématique que nous leur connaissons ? Nous savons maintenant que ces forces sont partout les mêmes, ici et aux confins de l’univers, et qu’elles n’ont pas changé d’un iota depuis le Big Bang. Ce qui pose question dans un univers ou tout est en changement…

— Comment sait-on qu’elles n’ont pas changé ?

— On a pu le vérifier de plusieurs façons. Il y a quelques années, des ingénieurs miniers ont découvert, au Gabon, un dépôt d’uranium avec une composition tout à fait spéciale. Tout indiquait que ce minerai avait été soumis à une intense irradiation. Une sorte de réacteur naturel s’était déclenché spontanément dans cette mine il y a environ 1,5 milliard d’années. En comparant l’abondance de ces noyaux atomiques avec celle de nos réacteurs, on a pu montrer que la force nucléaire avait, à cette époque, exactement les mêmes caractéristiques qu’aujourd’hui. De même, on peut savoir si la force électromagnétique a changé en comparant les propriétés des jeunes et des vieux photons.

— Comment peut-on faire cela ?

— Nos spectroscopes nous permettent de détecter des photons émis par des atomes de fer provenant d’une galaxie lointaine. Ce sont de « vieux » photons qui voyagent, disons, depuis douze milliards d’années.

— C’est une idée difficile à comprendre. On reçoit vraiment des vieilles particules que l’on peut attraper ?

— Oui. Et en laboratoire, on peut comparer leurs propriétés avec celles de « jeunes » photons émis par un arc électrique avec des électrodes de fer. Résultat : la force électromagnétique n’a pas changé pendant la période qui sépare ces deux générations de particules. De même l’analyse de l’abondance des noyaux légers montre que la force de gravité et la force faible n’ont subi aucune modification depuis la période où l’univers était à 10 milliards de degrés, c’est-à-dire il y a quinze milliards d’années.

— Comment peut-on expliquer que les forces soient à ce point immuables ?

— Sur quelles tables de pierre, comme celles de Moïse, ces lois existent-elles ? Se situent-elles « au-dessus » de l’univers, dans ce monde des idées chères aux platoniciens ? Ces questions ne sont pas nouvelles ; on en discute depuis deux mille cinq cents ans. Les progrès de l’astrophysique ont remis ce débat philosophique à l’ordre du jour sans nous permettre pour autant de le résoudre. Tout ce que nous pouvons dire, c’est que, contrairement à l’univers qui n’arrête pas de se modifier, ces lois de la physique, elles, ne changent pas, ni dans l’espace ni dans le temps. Dans le cadre de la théorie du Big Bang, elles ont présidé à l’élaboration de la complexité. De surcroît, les propriétés de ces lois sont encore plus étonnantes. Leurs formes algébriques et leurs valeurs numériques paraissent particulièrement bien ajustées.

— En quoi sont-elles « ajustées » ?

— Nos simulations mathématiques le montrent : si elles avaient été très légèrement différentes, l’univers ne serait jamais sorti de son chaos initial. Aucune structure complexe ne serait apparue. Pas même une molécule de sucre.

— Pour quelle raison ?

— Supposons que la force nucléaire ait été un petit peu plus forte. Tous les protons se seraient rapidement assemblés en noyaux lourds. Il ne resterait pas d’hydrogène pour assurer au Soleil sa longévité et pour former la nappe aquatique terrestre. La force nucléaire est juste assez intense pour produire quelques noyaux lourds (ceux du carbone, de l’oxygène), mais pas trop pour ne pas éliminer complètement l’hydrogène. Le bon dosage… On peut dire, d’une certaine manière, que la complexité, la vie et la conscience étaient déjà en puissance dès les premiers instants de l’univers, comme inscrites dans la forme même des lois. Non pas en tant que « nécessité » mais en tant que possibilité.

— N’est-ce pas un raisonnement a posteriori ? Nous constatons aujourd’hui que les lois ont conduit l’évolution jusqu’à l’homme. Cela ne signifie pas qu’elles étaient faites pour cela.

— C’est la question à mille balles : y a-t-il une « intention » dans la nature ? Il ne s’agit pas d’une question scientifique, mais plutôt d’une question philosophique et religieuse. Personnellement, je suis porté à répondre oui. Mais quelle forme prend cette intention et quelle est cette intention ? Ce sont là des questions qui m’intéressent au plus haut point. Mais je n’ai pas de réponses. D’une façon allégorique, on peut dire, avec beaucoup de guillemets : si la « nature » (ou l’univers, ou la réalité) avait eu l’« intention » d’engendrer des êtres conscients, elle aurait « fait » exactement ce qu’elle a fait. Bien sûr, c’est un raisonnement a posteriori, mais cela ne lui enlève pas son intérêt.

 

La leçon de la Lune

— Depuis quand connaît-on l’existence de ces lois de la nature ?

— Il a fallu de nombreux siècles pour les reconnaître. Les philosophes grecs recherchaient déjà les « éléments premiers » qui avaient présidé, selon eux, à l’élaboration du cosmos. Aristote divisait le monde en deux : le monde « en dessous de la Lune » (le nôtre), soumis au changement, où le bois pourrit et le métal rouille ; et l’espace « au-delà de la Lune », où habitent les corps célestes, parfaits, immuables et éternels.

— Tout était pour le mieux dans le meilleur des mondes.

— Cette notion de perfection des corps célestes a longtemps influencé la pensée occidentale. Les taches solaires, visibles à l’oeil nu et connues des Chinois anciens, ne sont jamais mentionnées en Occident avant Galilée. La phrase « je le croirai quand je le verrai » peut également s’inverser : « je le verrai quand je le croirai. » Quand Galilée, avec sa lunette, observe pour la première fois les montagnes de la Lune, tout est remis en question. « La Lune est comme la Terre. La Terre est un astre. Il n’y a pas deux mondes, mais un monde unique régi partout par les mêmes lois. » Newton va plus loin : pour lui, c’est la même force qui fait tomber la pomme et qui retient la Lune en orbite autour de la Terre, ainsi que la Terre autour du Soleil. C’est la gravitation « universelle », qu’il utilisera pour expliquer le mouvement des planètes. Les lois de la physique terrestre s’appliquent au monde tout entier.

— Mais cela ne faisait qu’une seule force…

— Au XIX^e siècle, on connaissait depuis longtemps la force électrique qui attire le duvet sur l’ambre ; ainsi que la force magnétique qui oriente les aiguilles des boussoles. Le travail de nombreux physiciens a montré qu’il s’agissait en fait d’une seule force nommée électromagnétique, qui se manifeste de façon différente selon les contextes. Au XX^e siècle, on a découvert deux nouvelles forces : la force nucléaire et la force faible. On a démontré, vers 1970, que la force faible et la force électromagnétique n’étaient, elles aussi, que des manifestations de la force dite « électrofaible ». Les physiciens aimeraient unifier toutes les forces, mais ce n’est pour l’instant qu’un rêve…

— On a trouvé deux forces dans notre siècle. Pourquoi n’y en aurait-il pas d’autres ?

— C’est possible. Le physicien répertorie les forces comme le botaniste les fleurs. Rien ne nous permet de dire que nous avons terminé l’inventaire. Il y a dix ans, on évoquait l’idée d’une cinquième force, mais elle n’a pas résisté à l’analyse.

 

Les premières minutes

— Comment ces quatre forces universelles interviennent-elles au début de notre histoire ?

— Quand la température est très élevée, l’agitation thermique dissocie rapidement toutes les structures qui peuvent se former. À mesure que la température décroît, les forces entrent en jeu par ordre de puissance. D’abord la force nucléaire : les quarks s’assemblent trois par trois pour former les nucléons (neutrons et protons) quand l’univers a environ 20 microsecondes.

— Pourquoi trois par trois ?

— Ces particules s’associent au hasard. Mais certaines combinaisons ne tiennent pas. S’ils s’assemblent deux par deux, les couples qu’ils forment sont instables et se désintègrent rapidement. Seules deux sortes de trios résistent : un assemblage de deux quarks de type « up » et un de type « down », qui forment un proton et deux « down » et un « up », qui forment un neutron. Un peu plus tard, la force nucléaire va inciter ces nouvelles structures à former à leur tour des assemblages de deux protons et deux neutrons, pour composer le premier noyau atomique, celui de l’hélium. La température est alors descendue à 10 milliards de degrés et l’univers a déjà une minute d’âge.

— Il a fallu une minute pour en arriver au premier noyau atomique.

— Les forces ne peuvent se manifester que dans certaines conditions de température, un peu comme l’eau pour former de la glace. S’il fait trop chaud, elles n’agissent plus. S’il fait trop froid, non plus. Après ces premières minutes, l’univers s’est refroidi, il inhibe à nouveau l’activité de la force nucléaire. La composition de l’univers est alors de 75 % de noyaux d’hydrogène (des protons) et de 25 % de noyaux d’hélium. Sur le plan de l’organisation, il ne se passera rien pendant plusieurs centaines de milliers d’années.

— Une minute d’agitation, et des centaines de milliers d’années d’attente ! C’est une évolution plutôt saccadée !

— La complexité n’avance pas d’un pas régulier. Quand la température descend en dessous de 3 000 degrés, la force électromagnétique entre en opération. Elle met les électrons en orbite autour des noyaux et crée ainsi les premiers atomes d’hydrogène et d’hélium. La disparition des électrons libres a pour effet de rendre l’univers transparent : les photons, ces grains de lumière, ne sont plus affectés par la matière du cosmos. Ils errent dans l’espace et se dégradent progressivement en énergie. Ils sont toujours là aujourd’hui, vieillis et dégradés, constituant le rayonnement fossile… L’évolution fait ensuite une deuxième pause. Il faudra attendre encore cent millions d’années pour qu’elle reparte.

 

Les premières galaxies

— Qu’est-ce qui va lui donner le coup de fouet cette fois-ci ?

— Sous l’action de la force de gravité, la matière qui, jusque-là, était homogène, commence à former des grumeaux. Depuis que les électrons ont été captés par les noyaux, le champ est libre, des structures à grande échelle vont pouvoir se former. Auparavant, toute tentative de concentration de matière était rapidement neutralisée par le jeu des photons sur les électrons. Cette fois, elle va pouvoir se condenser en galaxies.

— Une fois encore, on ne peut s’empêcher de se demander : mais pourquoi ?

— Il faut l’avouer, nous connaissons très mal cette période de l’histoire. Les chercheurs anglo-saxons la qualifient d’ailleurs « d’âge noir de la cosmologie ». Les observations du satellite COBE nous ont montré que, à ce moment-là, la matière n’est pas parfaitement homogène et isotherme. Des régions légèrement plus denses que la moyenne jouent alors le rôle de « germes » de galaxies. Leur attraction draine progressivement vers elles la matière environnante. Leur masse va en s’amplifiant. Cet effet « boule de neige » leur permet de S’accroître jusqu’à former les magnifiques galaxies que nous voyons aujourd’hui dans le ciel.

— Ce phénomène s’est produit partout, au même moment ? Il n’y a donc pas de désert dans l’univers ?

— L’univers est hiérarchisé en amas de galaxies, en galaxies, en amas d’étoiles et en étoiles individuelles. Notre système solaire, par exemple, appartient à une galaxie, la Voie lactée, composée de centaines de millions d’étoiles, dont l’ensemble forme un disque de 100 000 années-lumière de diamètre.

— Une poussière dans l’univers…

— Elle fait partie d’un petit amas local, composé d’une vingtaine d’autres galaxies (dont Andromède et les deux nuages de Magellan), lui-même intégré à un amas plus grand, celui de la Vierge, qui regroupe pour sa part plusieurs milliers de galaxies. Ce super-amas héberge, en son centre, une galaxie géante, cent fois plus grosse que la nôtre, vers laquelle les autres galaxies sont attirées. On parle d’une galaxie cannibale…

— Charmant…

— À une échelle supérieure au milliard d’années-lumière, l’univers est extrêmement homogène. Tout est à peu près uniformément peuplé ; il n’y a pas de « désert » et rien ne ressemble plus à une section d’univers qu’une autre section d’univers.

— À cette époque, l’univers change donc de visage.

— Environ cent millions d’années après le Big Bang, il ne se présente plus sous la forme de purée homogène, comme dans les premiers temps. Il a la physionomie que nous connaissons : un vaste espace, peu dense, parsemé de ces superbes îles galactiques, un million de fois plus denses que lui. À l’intérieur de celles-ci, la matière se condense sous l’action de la force de gravité et forme des astres. Cela provoque une augmentation de la température. Les astres échappent ainsi au refroidissement général qui se poursuit autour d’eux. Ils se réchauffent, dégagent de l’énergie : les étoiles se mettent à briller. Les plus grosses, cinquante fois plus massives que notre Soleil, épuiseront leur carburant atomique en trois ou quatre millions d’années. Les moins grosses vivront pendant des milliards d’années.

— Pourquoi ont-elles pris la forme de boules ?

— Que fait la force de gravité ? Elle attire la matière. Quelle est la configuration dans laquelle tous les éléments sont les plus proches les uns des autres ? Une boule ! C’est la raison pour laquelle les étoiles sont sphériques, comme les planètes, si elles ne sont pas trop petites. À l’intérieur d’un objet céleste de plus de 100 kilomètres de rayon, les forces de gravité prennent le dessus sur les forces chimiques qui donnent à la matière sa rigidité et obligent celle-ci à adopter une forme sphérique : la Lune est ronde, les satellites de Jupiter aussi. En revanche, ceux de Mars, plus petits, ont une gravité insuffisante pour que leur masse rocheuse soit arrondie. Ils ne sont pas sphériques.

— Mais les galaxies, elles, ne le sont pas. Pourquoi ?

— C’est leur rotation qui les aplatit et leur donne la forme de disque que nous leur connaissons. Notre Terre elle-même est légèrement aplatie par sa rotation. Et le Soleil aussi.

 

Pourquoi les étoiles ne tombent pas

— Pourquoi toutes ces étoiles n’ont-elles pas été attirées les unes par les autres ?

— Newton s’était posé la question. Puisque les étoiles sont des objets massifs, se disait-il, elles s’attirent mutuellement. Pourquoi ne tombent-elles pas les unes sur les autres ? Si la Lune ne s’écrase pas sur la Terre, c’est parce qu’elle tourne autour de nous : la force centrifuge, associée à son mouvement, contrebalance la force de gravité. Même chose pour la Terre et le Soleil : c’est la rotation de notre planète autour de l’astre qui l’empêche de s’écraser sur lui. Qu’en est-il des étoiles ? Newton n’a jamais résolu cette énigme.

— Et quelle est la réponse ?

— À l’époque de Newton, on ne connaissait pas l’existence des galaxies. Aujourd’hui, on sait que le système solaire tourne autour du centre de notre Voie lactée. C’est ce mouvement qui le retient en orbite et l’empêche, ainsi que les cent milliards d’autres étoiles, de tomber vers le noyau central.

— Mais qu’est-ce qui empêche alors les galaxies de tomber les unes sur les autres ? Il n’y a pas de centre de l’univers, que l’on sache.

— Non. La réponse se trouve, cette fois, dans l’expansion de l’univers, dans le mouvement général des galaxies. On observe que celles-ci s’éloignent les unes des autres. La cause de cette impulsion initiale est encore un sujet de spéculation.

— Pendant combien de temps ce mouvement va-t-il se poursuivre ?

— On n’a pas de réponse définitive à cette question. Imaginez que vous voyez un caillou dans le bleu du ciel au-dessus de vous. Il y a deux possibilités : ou bien ce caillou est en train de tomber vers vous, ou bien ce caillou s’élève. Dans ce cas, qu’est-ce qui va se passer ? Il y a encore deux possibilités : ou bien il va bientôt retomber sur la Terre, ou alors il va s’arracher à son attraction et ne reviendra jamais au sol. Tout dépend de la vitesse à laquelle il a été lancé. Si celle-ci est inférieure à 11 kilomètres-seconde, il retombera. Sinon, il s’échappera de l’attraction terrestre.

— Ce serait donc la même chose pour les galaxies ?

— Elles s’éloignent de nous, mais leur mouvement est ralenti par la gravité qu’elles exercent sur elles-mêmes. Leur attraction mutuelle dépend de leur nombre et de leur masse, c’est-à-dire de la densité de matière cosmique : si celle-ci est faible, les galaxies vont continuer à s’éloigner indéfiniment (c’est le scénario de l’« univers ouvert ») ; si elle est forte, les galaxies vont finir par inverser leur mouvement et revenir les unes vers les autres (c’est le scénario de l’« univers fermé »). Ce sont les deux avenirs possibles de l’univers.

— Et vers lequel penche-t-on ?

— Vers le premier. L’univers va continuer à s’étendre et à se refroidir indéfiniment. Ce résultat n’est cependant pas définitivement établi. Mais de toute façon, nous savons déjà que l’expansion va durer encore au moins quarante milliards d’années.

SCÈNE 3
Terre !

Dans le désert spatial, les premières molécules engagent une ronde ininterrompue et engendrent, dans la banlieue d’une modeste galaxie, une planète singulière.

 

Le creuset des étoiles

— Un désert infini, avec çà et là des îlots de galaxies fragmentées en étoiles… Un milliard d’années après le Big Bang, la purée de matière s’est organisée et présente une physionomie plus reconnaissable. Tout cela semble stable, et l’univers aurait très bien pu en rester là. Pourtant, une fois encore, l’évolution va se remettre en marche. Pourquoi ?

— Ce sont les premières étoiles qui reprennent le flambeau. Alors que, partout ailleurs, l’univers poursuit son refroidissement, elles connaissent, elles, une élévation de température considérable. Elles deviennent des creusets pour l’élaboration de la matière et vont lui faire franchir une nouvelle étape de l’évolution cosmique. Les assemblages des toutes premières secondes de l’univers vont se rejouer dans les étoiles.

— Elles se comportent en quelque sorte comme des petits Big Bang locaux ?

— En un certain sens. Le réchauffement est provoqué par la contraction de l’étoile sous son propre poids. Quand la température atteint environ 10 millions de degrés, la force nucléaire « s’éveille » à nouveau. Comme dans le Big Bang, les protons se combinent pour former de l’hélium.

— L’univers des origines, on s’en souvient, s’était arrêté à ce stade-là…

— Ces réactions nucléaires dégagent une grande quantité d’énergie dans l’espace sous forme de lumière. L’étoile brille. Notre Soleil « carbure » ainsi à l’hydrogène depuis 4,5 milliards d’années. Les étoiles plus massives brillent beaucoup plus et épuisent leur hydrogène en quelques millions d’années. Alors l’étoile reprend sa contraction. Sa température monte jusqu’à dépasser les 100 millions de degrés. L’hélium, cendre de l’hydrogène, devient à son tour un carburant. Un ensemble de réactions nucléaires va alors permettre des combinaisons inédites : trois héliums s’associent en carbone et quatre héliums en oxygène.

— Mais pourquoi ces réactions n’avaient-elles pas pu se produire au moment du Big Bang ?

— La rencontre et la fusion de trois héliums est un phénomène très rare. Il faut beaucoup de temps pour y arriver. Dans le Big Bang, la phase d’activité nucléaire n’a duré que quelques minutes. C’est trop court pour fabriquer une quantité importante de carbone. Cette fois, dans les étoiles, les assemblages vont pouvoir se jouer sur des millions d’années.

— Chaque étoile va donc se mettre à fabriquer du carbone et de l’oxygène ?

— Pendant les millions d’années suivants, le centre des étoiles se peuple effectivement en noyaux de carbone et d’oxygène. Ces éléments vont jouer un rôle fondamental dans la suite de l’histoire. Le carbone en particulier, avec sa configuration atomique particulière, se prête facilement à la fabrication de longues chaînes moléculaires qui interviendront dans l’apparition de la vie. L’oxygène entrera dans la composition de l’eau, un autre élément indispensable à la vie.

 

Poussières d’étoiles

— Et pendant ce temps, l’étoile continue de se contracter ?

— Le coeur de l’étoile s’affaisse sur lui-même, tandis que son atmosphère se dilate rapidement et passe au rouge. Elle devient une géante rouge. Quand elle dépasse le milliard de degrés, elle engendre des noyaux d’atomes plus lourds, ceux des métaux, le fer, le zinc, le cuivre, l’uranium, le cuivre, le plomb, l’or… jusqu’à l’uranium, composé de 92 protons et de 146 neutrons, et même un peu au-delà. La centaine d’éléments atomiques que nous connaissons dans la nature sont ainsi produits dans les étoiles.

— Cela aurait pu continuer longtemps.

— Non, car maintenant le coeur de l’étoile s’effondre sur lui-même. Les noyaux des atomes entrent alors en contact et rebondissent. Cela provoque une gigantesque onde de choc qui entraîne l’explosion de l’astre. C’est ce que l’on appelle une supernova, un éclair qui illumine le ciel comme un milliard de soleils. Les précieux éléments que l’étoile a produits en son sein tout au long de son existence sont alors propulsés dans l’espace, à des dizaines de milliers de kilomètres par seconde. Comme si la nature avait extrait les plats du four au bon moment, juste avant qu’ils ne soient brûlés.

— En faisant sauter le four !

— C’est ainsi que meurent les étoiles massives. Elles laissent cependant sur les lieux un résidu stellaire contracté, qui deviendra une étoile à neutrons ou un trou noir. Les petites étoiles, comme le Soleil, s’éteignent plus doucement. Elles évacuent leur matière sans violence et se transforment en naines blanches. Elles se refroidissent lentement et se transforment en cadavres célestes sans rayonnement.

— Que deviennent ces atomes échappés des étoiles mourantes ?

— Ils errent au hasard dans l’espace interstellaire et se mêlent aux grands nuages éparpillés tout au long de la Voie lactée. L’espace devient maintenant un véritable laboratoire de chimie. Sous l’effet de la force électromagnétique, les électrons se mettent en orbite autour des noyaux atomiques pour former des atomes. À leur tour, ceux-ci s’associent en molécules de plus en plus lourdes. Certaines regroupent plus d’une dizaine d’atomes. L’association de l’oxygène et de l’hydrogène va donner de l’eau. L’azote et l’hydrogène forment l’ammoniac. On y trouve même la molécule d’alcool éthylique, celle de nos boissons alcoolisées, composée de 2 atomes de carbone, 1 atome d’oxygène et 6 atomes d’hydrogène. Ce sont les mêmes atomes qui plus tard, sur Terre, se combineront pour former des organismes vivants. Nous sommes vraiment faits de poussières d’étoiles.

 

Le cimetière des astres

— À cette époque-là, il n’y a dans l’univers que des gaz, des boules de feu stellaires, mais pas encore de matières solides.

— Elles arrivent. En se refroidissant, certains atomes issus des étoiles, comme le silicium, l’oxygène, le fer, vont s’associer pour former les premiers éléments solides : des silicates. Ce sont des grains minuscules, de dimensions inférieures au micron (un millième de millimètre) qui contiennent des centaines de milliers d’atomes. La force de gravité agit sur les nuages interstellaires et les amène à s’effondrer sur eux-mêmes, provoquant la génération de nouvelles étoiles. Certaines d’entre elles auront un cortège planétaire comme le nôtre. Et ces planètes contiendront en leur sein les atomes engendrés par les étoiles défuntes.

— Il faut donc que les étoiles meurent pour que d’autres naissent. L’apparition du neuf exige la mort du vieux, déjà dans l’espace !

— Les atomes de notre biosphère ont forcément été créés dans les creusets d’étoiles, et libérés dans l’espace à leur mort. Ces générations entremêlées d’étoiles et d’atomes débutent quelques centaines de millions d’années apres le Big Bang. Elles se poursuivront encore pendant des dizaines de milliards d’années. L’espace devient une sorte de forêt d’astres : il y en a des grands, des petits, des jeunes et des vieux qui meurent, se désagrègent et enrichissent le terreau pour nourrir de nouvelles pousses. Il se forme encore en moyenne trois étoiles par année dans notre galaxie. C’est ainsi qu’assez tardivement, il y a 4,5 milliards d’années seulement, une étoile qui nous intéresse particulièrement, notre Soleil, naîtra à la périphérie d’une galaxie spirale, la Voie lactée.

— Pourquoi spirale ?

— C’est la rotation rapide des étoiles autour de son centre qui a donné à notre galaxie sa forme de disque aplati. L’origine des bras spiraux est due à des phénomènes gravitationnels, mais on les connaît mal. La Voie lactée, cette grande arche lumineuse qui traverse la nuit étoilée, est l’image de toutes ces étoiles étalées le long du disque de la galaxie qui tournent autour de son centre : notre système solaire accomplit un tour complet en 200 millions d’années environ.

 

Une étoile ordinaire

— Qu’est-ce qui distingue notre Soleil des autres astres ?

— C’est une étoile tout à fait moyenne dans notre galaxie. Sur cent milliards d’étoiles, au moins un milliard lui ressemble à s’y méprendre. Quand le Soleil naît sur un bras extérieur de la Voie lactée, il y a 4,5 milliards d’années, il est beaucoup plus gros qu’aujourd’hui et il est rouge. Petit à petit, il se contracte, devient jaune et sa température intérieure augmente. Après une dizaine de millions d’années, il commence à transformer son hydrogène en hélium, comme une bombe H géante, mais dont le débit est contrôlé. Ce phénomène de fusion nucléaire va lui assurer sa stabilité et sa luminosité.

— Cette étoile banale a quand même réussi à s’attirer des planètes et à constituer un système autour d’elle.

— Il s’agit probablement d’un phénomène assez général dans la galaxie, bien qu’avec nos moyens limités nous n’en ayons encore détecté que quelques cas. La formation de planètes comme la Terre ne peut être que relativement récente. Les corps solides de notre cortège planétaire sont constitués surtout d’oxygène, de silicium, de magnésium et de fer ; des atomes se sont formés progressivement par l’activité de générations d’étoiles successives. Il a fallu plusieurs milliards d’années pour qu’ils s’accumulent en quantité suffisante dans les nuages interstellaires. On a mesuré l’âge de la Lune ainsi que celui de nombreuses météorites. Les valeurs sont exactement les mêmes : 4,56 milliards d’années. Le Soleil et ses planètes sont apparus en même temps, à une période où notre galaxie avait déjà plus de huit milliards d’années.

— Comment les planètes se forment-elles ?

— Nous ne le savons pas très bien. Les poussières inter-stellaires se disposent autour des embryons d’étoiles et forment des disques analogues aux anneaux de Saturne. Puis, peu à peu, ces petits corps s’assemblent pour constituer des structures rocheuses aux dimensions toujours croissantes. Les collisions sont fréquentes. Les pierrailles s’entrechoquent, se brisent ou se capturent. Certains blocs, plus massifs, attirent les autres et finissent par s’agglomérer en planètes. Les innombrables cratères de la Lune et de beaucoup d’autres corps dans le système solaire gardent la trace de ces chocs violents qui ont augmenté leur masse. Ceux-ci dégagent une grande quantité de chaleur, à laquelle s’ajoute l’énergie due à la radioactivité de certains atomes.

— Tout cela était encore en fusion ?

— À leur naissance, les grandes planètes sont des boules de feu incandescentes. Plus la planète est massive, plus la chaleur est importante, et plus il faut de temps pour l’évacuer. Pour les très petits corps, comme les astéroïdes, cela se passe très rapidement. La Lune et Mercure ont dissipé leur chaleur initiale dans l’espace en quelques centaines de millions d’années. Depuis longtemps, ces astres n’ont plus de feu intérieur et donc plus d’activité géologique. La Terre, elle, a demandé davantage de temps. Aujourd’hui, elle garde en son coeur un brasier qui provoque des mouvements de convection de la pierre encore fluide. Ces phénomènes sont à l’origine des déplacements de continents, des éruptions volcaniques et des tremblements de terre. Cette instabilité géologique est d’ailleurs précieuse : elle entraîne des variations du climat, qui joue un rôle important dans l’évolution des êtres vivants.

 

De l’eau liquide

— Qu’est-ce qui distingue notre planète des autres ?

— Elle est la seule à posséder de l’eau liquide. De l’eau, il y en a beaucoup dans le système solaire : sous forme de glace, dans les satellites de Jupiter et de Saturne où la température est très basse ; et sous forme de vapeur, dans l’atmosphère torride de Vénus, plus proche du Soleil. L’orbite de la Terre la maintient à une distance adéquate pour que l’eau reste liquide.

— Mars, également, possédait de l’eau liquide, comme semblent le montrer ses canaux, ces oueds asséchés que les sondes spatiales ont révélés.

— Vraisemblablement, il y a au moins un milliard d’années, des fluides se sont écoulés à sa surface. Il n’y en a plus depuis longtemps. Pourquoi ? On ne sait pas très bien. À cause de sa petite masse, son activité tectonique est maintenant très faible.

— Mais d’où vient l’eau de la Terre ?

— Revenons à ces torrents de matière projetés dans l’espace à la mort des étoiles. Des poussières se forment, sur lesquelles des glaces d’eau et de gaz carbonique se déposent. Quand ces poussières s’agglutinent pour donner naissance aux planètes, les glaces se volatilisent et s’échappent au-dehors sous forme de geysers. De surcroît, des comètes largement constituées de glaces vont tomber sur elles.

— Et la Terre va conserver cette eau ?

— Son champ de gravité est suffisant pour retenir ces molécules d’eau à sa surface, et sa distance au Soleil lui permet de la maintenir partiellement liquide. Dans ses premiers temps, elle est bombardée en permanence par les rayons ultraviolets émis par le tout jeune Soleil, son atmosphère est parcourue par d’immenses cyclones, de puissants éclairs la zèbrent, comme sur Vénus aujourd’hui.

 

Le don de l’eau

— Pourquoi alors Vénus n’a-t-elle pas connu la même histoire ?

— On ne le sait pas vraiment. Les deux planètes se ressemblent beaucoup. Elles ont pratiquement la même masse et la même quantité de carbone… Sur Vénus, cependant, ce carbone se trouve dans l’atmosphère, tandis que sur la Terre il est au fond des océans sous forme de calcaires. Les compositions atmosphériques initiales des deux planètes étaient pourtant largement semblables.

— D’où vient alors la différence ?

— On pense que l’eau liquide, à la surface de notre planète, a joué un rôle crucial. Grâce à cette nappe aquatique, le gaz carbonique de l’atmosphère initiale a pu se dissoudre et se déposer au fond des océans sous forme de carbonates. Vénus est un peu plus proche du Soleil que nous. La différence de température est vraisemblablement responsable de l’absence initiale d’eau liquide. Son enveloppe de gaz carbonique crée un immense effet de serre qui maintient sa température à 500 degrés. Ces deux planètes presque identiques ont donc évolué de manière très différente.

— Sans l’eau liquide, il n’y aurait pas de suite à cette histoire.

— Je le pense. L’eau liquide a joué un rôle primordial dans l’apparition de la complexité cosmique. Dans la nappe océanique, à l’abri des rayonnements ionisants de l’espace, une intense chimie va se mettre en oeuvre. Elle produit, par rencontres et associations, des structures moléculaires de plus en plus importantes. Dans ces premières étapes de l’évolution prébiotique, le carbone, né des géantes rouges, va jouer un rôle de premier plan.

 

Une gueule d’atmosphère

— Pourquoi un tel succès du carbone ?

— C’est l’atome idéal pour les constructions moléculaires – il possède quatre crochets avec lesquels il joue un rôle de charnière entre de nombreux atomes. Les liens qu’il crée sont suffisamment souples pour se prêter au jeu des associations et des dissociations rapides, indispensables aux phénomènes vitaux. Le silicium possède également quatre crochets, mais les liens qu’il noue sont beaucoup plus rigides. Il crée des structures stables comme le sable, mais ne saurait se plier aux contraintes du métabolisme.

— Il est donc absurde d’imaginer qu’il y a, quelque part dans l’univers, des formes de vie à base de silicium ?

— C’est très, improbable. Dans notre galaxie comme dans les galaxies voisines, les molécules de plus de quatre atomes identifiées au radiotélescope contiennent toujours du carbone et jamais de silicium. Cette observation suggère fortement que, si la vie existe ailleurs, elle est également construite avec du carbone.

— Une fois l’atmosphère terrestre constituée, la vie ne va pas tarder, n’est-ce pas ?

— À la naissance de la Terre, il y a 4,5 milliards d’années, les conditions ne sont guère favorables. La température du sol est trop élevée. De plus, à cette époque, l’espace fourmille de petits corps qui seront plus tard absorbés par les astres plus massifs (le système solaire a fait son propre ménage). Le bombardement de météorites et de comètes est d’une extrême violence. Les études de la comète de Halley, lors de son dernier passage en 1986, Ont montré la présence d’une quantité importante d’hydrocarbures. Les collisions du Premier milliard d’années Ont vraisemblablement apporté à la surface terrestre, en plus de l’eau, une quantité importante de molécules complexes. Ces comètes, considérées dans les siècles passés comme annonciatrices de mort et de destruction, ont Probablement joué un rôle bénéfique dans l’apparition de la vie. Moins de un milliard d’années après la naissance de la Terre, l’Océan foisonnera d’organismes vivants dont les Premières algues bleues.

 

La grossesse de l’univers

— Fin du premier acte, le plus long, le plus lent. Nous sommes arrivés sur Terre, après plusieurs milliards d’années d’histoire de l’univers. Sur cette planète, dès lors, les choses vont considérablement s’accélérer.

— Les assemblages moléculaires vont se réaliser cette fois avec des centaines, des milliers, des millions d’atomes. Depuis le Big Bang, la matière a gravi les échelons de la pyramide de la complexité. Seule une fraction infime des éléments qui ont atteint un palier réussit à rejoindre le palier suivant. Seule une minuscule Partie des Protons du début de l’histoire ont formé des atomes lourds. Seul un tout petit nombre de molécules simples s’est agencé en molécules complexes, et seule une infime partie de celles-ci participera aux structures de la vie.

— En même temps, il semble qu’il y ait eu une grande uniformité dans ce premier acte de l’évolution.

— Oui. L’univers a édifié les mêmes structures partout dans l’espace. Nous n’avons jamais observé, dans les étoiles et dans les galaxies les plus lointaines, un seul atome qui n’existe pas en laboratoire.

— Ce qui suggérerait que la même histoire ait pu se dérouler ailleurs, et que la vie existerait sur d’autres planètes.

— On remarque que partout les quarks se sont associés en protons et neutrons, que ceux-ci se sont associés en atomes, ceux-ci en molécules. Et partout les nuages de matière interstellaire s’effondrent pour donner des étoiles. On peut imaginer que certaines d’entre elles possèdent des cortèges de planètes, dont quelques-unes recèlent de l’eau liquide propice à l’apparition de la vie. Tout cela est plausible, mais encore non démontré.

 

La journée de la Terre

— Le temps également s’est contracté : plus on avance dans notre histoire, plus l’évolution va vite.

— Oui. Si l’on ramène les 4,5 milliards d’années de notre planète à une seule journée, en supposant que celle-ci soit apparue à 0 heure, alors la vie naît vers 5 heures du matin et se développe pendant toute la journée. Vers 20 heures seulement viennent les premiers mollusques. Puis, à 23 heures, les dinosaures qui disparaissent à 23 h 40, laissant le champ libre à l’évolution rapide des mammiferes. Nos ancêtres ne surgissent que dans les cinq dernières minutes avant 24 heures et voient leur cerveau doubler de volume dans la toute dernière minute. La révolution industrielle n’a commencé que depuis un centième de seconde !

— Et nous sommes entourés de gens qui croient que ce qu’ils font depuis cette fraction de seconde peut durer indéfiniment. On ne peut s’empêcher de voir une logique dans le déroulement de ce premier acte, une sorte de pulsion de la complexité, qui lance l’univers vers des organisations successives, emboîtées comme des poupées russes, du chaos à l’intelligence. Un sens, oserait-on dire…

— Force nous est de constater que notre univers a transformé son état informe du début en un ensemble de structures de plus en plus organisées. Cette métamorphose pourrait s’expliquer par l’action des forces de la physique sur une matière en refroidissement. Sans l’expansion de l’univers, sans le grand vide interstellaire, il n’y aurait pas de deuxième acte à cette histoire. Mais cela ne fait que reculer l’interrogation d’un cran et nous ramène à nos réflexions sur les lois. La question « pourquoi y a-t-il des lois plutôt que pas de lois » me paraît être dans la séquence logique de la fameuse question de Leibniz : « Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? »

— L’apparition de la vie était-elle inscrite dans le déroulement de ce scénario ?

— On disait dans le passé que la probabilité d’apparition de la vie était aussi faible que celle de voir un singe placé devant une machine écrire l’oeuvre de Shakespeare. Aujourd’hui, on a de nombreuses raisons de penser que l’apparition de la vie sur une planète appropriée est loin d’être improbable. Quoi qu’il en soit, probable ou improbable, on peut affirmer que, dès les premiers temps du cosmos, la possibilité (mais non pas la nécessité) d’apparition de la vie, dont Joël de Rosnay va conter l’aventure, était inscrite dans la forme même des lois de la physique.