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Même si la découverte de George Smoot qui lui a valu le prix Nobel de physique en 2006 a contribué à raffermir la théorie du Big Bang et à mieux comprendre l'origine des galaxies et des étoiles qui composent l'univers, de nombreuses énigmes concernant la formation et l'avenir de l'univers persistent toujours. Et elles continuent d'animer ce cosmologiste états-unien venu récemment donner quelques conférences à l'université McGill.

Rien ne nous permet aujourd'hui d'affirmer catégoriquement que l'univers poursuivra son expansion indéfiniment, affirme-t-il. Pour déterminer avec certitude le destin de l'univers, il nous faudra élucider la nature de l'énergie sombre et de la matière sombre qui forment respectivement 73 % et 23 % de l'univers, alors que la matière normale (dont nous faisons partie) n'en constitue que 4 %. Il nous faudra aussi identifier les autres forces exotiques et dimensions supplémentaires, s'il en existe, qui interviennent dans la constitution de l'univers.

Depuis plus de 35 ans, George Smoot tente de comprendre comment l'univers aujourd'hui composé de milliards de galaxies a pu se constituer à partir d'un point plus petit qu'un atome. «Nous ne voulons pas seulement expliquer l'existence des galaxies, mais comprendre d'où vient le matériau dont elles sont constituées», lance-t-il avec l'enthousiasme d'un débutant.

Au Lawrence Berkeley National Laboratory, George Smoot s'est appliqué pendant une vingtaine d'années à mettre au point des technologies permettant de mesurer avec toujours plus de précision les subtiles variations de température qui devaient exister au sein du fond diffus cosmologique, aussi appelé rayonnement micro-onde de fond cosmologique (microwave background radiation), que l'on décrit souvent comme l'écho du Big Bang, cette explosion extraordinaire qui a donné naissance à l'univers il y a 13,7 milliards d'années.

Durant les 300 000 ans qui ont suivi le Big Bang, la température était si élevée que les électrons ne parvenaient pas à s'attacher aux protons et aux neutrons pour former des atomes, explique le professeur à l'université de Californie à Berkeley. Ces particules absorbaient tout le rayonnement présent dans cet univers embryonnaire. Aucune lumière ne parvenait donc à s'échapper, et l'univers était alors complètement opaque. Poursuivant inexorablement son expansion, l'univers s'est finalement refroidi suffisamment pour permettre aux électrons de s'attacher à des noyaux formés de protons et de neutrons, ce qui a enfin permis à la lumière de voyager librement.

Cette première lumière apparue 379 000 ans après le Big Bang est ce fameux rayonnement micro-onde de fond cosmologique qui a voyagé pendant près de 13,7 milliards d'années avant d'arriver jusqu'à nous. Ce rayonnement fossile, véritable reliquat de la création de l'univers, a été détecté accidentellement en 1964 par les radio-astronomes Arno Penzias et Robert Wilson des laboratoires de la compagnie Bell Telephone.

Dès les années 1970, George Smoot s'est intéressé à ce rayonnement fossile. En collaboration avec son collègue John C. Mather, astrophysicien au NASA Goddard Space Flight Center de Greenbelt au Maryland, il met sur pied le projet du satellite COBE (Cosmic Background Explorer), que la NASA lance finalement en 1989 et qui permettra aux deux scientifiques de réaliser des découvertes leur ayant valu en 2006 la suprême distinction accordée par la Fondation Nobel.

«Au début, ce rayonnement nous apparaissait tout à fait uniforme, raconte M. Smoot. Mais après deux ans d'observation et d'analyse, les instruments du satellite COBE nous ont finalement permis de détecter des fluctuations de température d'à peine 1/100 000e de degré.» Considérée aujourd'hui comme une des plus grandes découvertes du XXe siècle, la mise en évidence de ces petits écarts de température, appelés anisotropies, a stupéfait la communauté scientifique en avril 1992 lorsque l'équipe de George Smoot a rendu publique dans le cadre d'un congrès scientifique sa carte de la sphère céleste détaillant en couleurs les fluctuations du rayonnement de fond cosmologique, et qui s'avérait le premier portrait de l'univers primitif.

«Ces petites fluctuations sont les graines qui ont donné naissance aux galaxies, amas de galaxies et superamas de galaxies, ainsi qu'aux étoiles et systèmes planétaires que l'on voit aujourd'hui, explique George Smoot. Les régions les plus denses de l'univers primitif qui nous sont apparues légèrement plus froides dans le rayonnement de fond cosmologique ont dû être soumises à une gravité suffisamment forte pour attirer plus de matière. Et ensuite par un effet boule de neige, cette accumulation de matière a accru la gravité qui a attiré encore plus de matière jusqu'à ce que se définissent clairement des régions plus densément pourvues en matière et des régions de vide.

«La raison pour laquelle il existe autant de galaxies vient donc du fait que, dans l'univers embryonnaire, il y avait des centaines de milliards de fluctuations complexes qui se sont dilatées par un facteur de 1060 (à la puissance 60), passant de la taille de 10-10 mètres à 1050 mètres. Notre galaxie, qui est minuscule, correspond à l'une de ces plus petites fluctuations», ajoute le cosmologiste.

«Mais pour remonter encore plus loin dans le temps, à une époque précédant le moment où la lumière a pu se diffuser, il nous faudra construire de gigantesques détecteurs de neutrinos ou d'ondes gravitationnelles», indique George Smoot. Les neutrinos sont ces particules fantomatiques qui traversent la matière (y compris les êtres vivants comme nous) sans toutefois interagir avec elle. Il est donc très difficile de les détecter. Or la difficulté sera encore plus grande pour percevoir les ondes gravitationnelles, prévient le chercheur.

Les données recueillies par le satellite COBE ont également donné du poids au modèle de l'inflation cosmologique selon lequel moins d'un billionnième de seconde après l'explosion initiale, l'univers aurait subi pendant quelques fractions de seconde une expansion violente qui lui aurait permis de grossir considérablement, ajoute M. Smoot. À cette croissance exponentielle -- découlant d'une gravité répulsive -- succéda une décélération -- sous l'effet d'une gravité attractive -- durant laquelle se formèrent les galaxies et les étoiles. «Sans ce ralentissement, aucune agrégation de matière n'aurait pu se produire, cette dernière se serait tout simplement éparpillée, explique-t-il. Puis, l'univers a repris le rythme d'expansion qu'on lui connaît aujourd'hui sous l'effet de l'énergie sombre qui exerce une force gravitationnelle répulsive. La gravité qui était initialement répulsive est donc devenue transitoirement attractive avant de redevenir répulsive. Mais nous ne savons toujours pas ce qui induit ces modifications de la gravité.»

Quel avenir finalement pour l'univers? Poursuivra-t-il toujours son expansion? Peut-on enterrer définitivement la théorie du Big Crunch qui prédit que l'expansion de l'univers muera en contraction qui aboutira à l'effondrement de l'univers? «Depuis que nous avons découvert que quelque chose, qu'on appelle l'énergie sombre, induit l'accélération de l'expansion de l'univers, on ne peut répondre simplement oui ou non à cette question, avoue George Smoot. Chose certaine, le Crunch, s'il survient, ne se produira pas de sitôt, car notre univers s'agrandit rapidement en ce moment. Nous savons que pour au moins [les 140 milliards d'années à venir] 10 fois l'âge de l'univers, celui-ci ne s'écrasera pas. Toutefois, on ne peut exclure la possibilité que l'énergie sombre traverse une phase de transition qui la transformerait en une nouvelle substance -- un peu comme l'eau se transforme en neige -- qui se comporterait comme une force gravitationnelle attractive [plutôt que répulsive, comme c'est le cas actuellement]. Cette nouvelle substance stopperait alors l'accélération de l'univers et induirait une décélération susceptible de conduire à un effondrement [crunch].»

Pour George Smoot, l'un des plus grands défis de la cosmologie des prochaines années sera d'élucider la nature de l'énergie sombre et de déterminer comment cette dernière agit concrètement sur l'expansion de l'univers.