Notre univers est vraisemblablement fini, mais sans frontières et chiffonné, croit l'astrophysicien français Jean-Pierre Luminet qui est de passage au Québec. Et à la lumière des dernières découvertes, son destin nous apparaît moins clair que jamais.

Directeur de recherches au Centre national de recherche scientifique (CNRS) à l'Observatoire de Paris-Meudon, Jean-Pierre Luminet a élaboré un modèle de la forme de l'univers qui a soulevé un tollé lors de sa publication en manchette de la revue Nature en 2003. Mais ce modèle pourrait bien être confirmé par les observations astronomiques qu'effectuera le télescope Planck lancé par l'Agence spatiale européenne (ESA) en avril dernier. En parallèle à sa recherche en astrophysique théorique, il a écrit et publié une quinzaine de livres de vulgarisation scientifique, dont le dernier-né s'intitule Les Bonnes Nouvelles des étoiles.

En 1998, des observations astronomiques ont montré que l'expansion de l'univers s'accélère, vraisemblablement sous l'influence de cette fameuse énergie noire qui compose 73 % de l'univers, souligne l'astrophysicien avant de rappeler que l'univers ne comprend que 3 % de matière normale formée d'atomes, dont une infime portion (0,3 % de l'univers) est lumineuse. Une matière sombre formée de particules non atomiques, comme les neutrinos, compose 24 % de l'univers. Et les 73 % résiduels sont de l'énergie à l'état pur, que l'on a appelée énergie noire.

La vraie nature de cette énergie noire demeure un grand mystère pour les astrophysiciens qui ont imaginé divers modèles pour en expliquer la nature. « Le destin futur de l'univers, du coup, reste totalement inconnu parce que, selon la nature de cette énergie noire, ça peut complètement le changer », lance le scientifique. Une possibilité théorique est que cette énergie soit constante dans le temps, comme l'est l'énergie du vide cosmique quantique. Ce qui veut dire qu'elle domine la matière et la dominera toujours de plus en plus. Ainsi, l'expansion de l'univers continuera toujours de s'accélérer jusqu'au grand déchirement (le « big rip »). « Dans ce scénario, l'univers futur, dans des milliards d'années, se dilatera tellement vite sur toutes les échelles que l'espace sera déchiqueté et qu'aucune structure matérielle ne pourra résister. [...] La terre éclatera et même les atomes eux-mêmes finiront par ne plus tenir ensemble », explique M. Luminet.

D'autres physiciens travaillent sur des modèles où l'énergie noire varie au cours du temps, « ce qui est toutefois peu probable ». Si l'énergie noire augmente, l'expansion s'accélérera. Si elle diminue suffisamment dans le futur, la matière pourra de nouveau l'emporter et l'accélération s'inversera. « Finalement, on en sait moins que ce qu'on croyait savoir il y a quelques années sur le destin de l'univers à cause de ce nouvel ingrédient fascinant qu'est l'énergie sombre », concède l'astrophysicien.

L'univers en gravitation quantique

Les voies que les physiciens explorent pour unifier les deux théories phares de la physique (la relativité générale d'Einstein et la mécanique quantique) en une « théorie du tout » qui décrirait l'univers dans toutes ses dimensions (voir Le Devoir du 14 avril 2007) permettent aussi de résoudre « des points noirs des théories précédentes ». Car pour le physicien, l'idée que dans un trou noir, la matière s'engouffre et s'écrase « indéfiniment » en un point est inadmissible. Tout aussi inacceptable est celle de croire que le big bang puisse être un point « infiniment » petit.

La théorie des cordes est une avenue qui a beaucoup été étudiée, mais elle ne fonctionne pas dans l'espace ordinaire tridimensionnel. Elle prévoit des univers à dix dimensions, par exemple. « Et il existe tellement d'options, de solutions possibles, qu'il n'y a pas une théorie des cordes, il y en a 10 puissance 500 », souligne le scientifique qui s'intéresse plutôt à une autre approche: la gravitation quantique qui décrit un univers composé de grains d'espace et de grains de temps insécables.

En gravitation quantique, on parle plutôt d'« un espace granulaire qui évoluerait au cours du temps par petits sauts discrets puisqu'il y aurait des intervalles de temps minimum ». L'« atome » d'espace mesurerait typiquement 10 puissance -33 cm, l'« atome » de temps 10 puissance -33 seconde. Sur le papier, les physiciens qui travaillent sur cette théorie ont réussi à supprimer ces points d'infini imaginés dans le big bang et les trous noirs. « La configuration initiale de l'univers ne serait pas un point infinitésimal, mais une espèce de petite boîte quantique, sorte d'atome d'espace et d'atome de temps, qui permet, du coup, d'envisager un avant le big bang, explique le théoricien. Imaginons par exemple l'univers d'avant notre big bang à nous qui aurait vraisemblablement traversé une phase de contraction générale, une sorte de big crunch. Mais au lieu de disparaître dans un point, cet univers en contraction aurait rebondi sur l'ultime atome d'espace et serait ensuite entré en expansion, et nous appelons cela notre big bang à nous. On a ainsi la possibilité de l'univers éternel qui ne naît pas dans des big bang et ne disparaît pas. Mais tant que nous n'avons pas résolu la question de l'énergie sombre, nous ne savons pas s'il y aura à nouveau un big crunch, ou un rebond, ou une expansion perpétuelle », réitère M. Luminet.

Une autre possibilité qui pourrait remplacer le rebond est le « trou de ver » (worm hole). « Le fond d'un trou noir, au lieu d'être une sorte de noeud de l'espace, pourrait être une espèce de tunnel de l'espace-temps qui connecterait le trou noir à une autre région de l'univers, voire à d'autres univers s'il en existe, comme certaines théories le proposent », explique le chercheur qui affirme que les trous de ver sont une vraie réalité mathématique, mais que l'on ne sait pas s'ils existent vraiment dans l'univers.

La forme de l'univers

La plupart des gens croient que l'univers est infini. Rien n'est moins vrai, tranche Jean-Pierre Luminet qui a élaboré un modèle d'univers fini. Le scientifique a trouvé une première confirmation à son modèle en 2003 lorsque le satellite Wmap qui cartographiait le rayonnement fossile — soit la première lumière émise par l'univers naissant, 400 000 ans après le big bang — a livré sa première carte. Cette carte extrêmement précise montrait la façon dont avait vibré — à la manière d'un instrument de musique — l'univers primordial sous l'effet du big bang. « On s'est aperçu qu'à partir d'une certaine taille, l'univers ne vibrait plus comme on s'y serait attendu s'il avait été infini. Si l'espace est infini, si vous le faites vibrer comme un tambour infini, vous trouverez toutes les longueurs d'onde possibles et imaginables. Or, on voyait plutôt l'équivalent d'une coupure dans les graves. ?ã partir d'une certaine longueur, l'univers ne vibre plus », explique le chercheur qui voit dans cette observation une évidence que l'instrument de musique « univers » est de taille finie, et donc, qu'il ne peut vibrer sur une longueur d'onde plus grande que sa taille.

En intégrant ces nouvelles informations, le chercheur a proposé un modèle d'espace fini, sans bord, et chiffonné, qui s'appelle l'espace dodécaédrique de Poincaré et qui peut se décrire géométriquement comme une sorte de dodécaèdre avec des faces pentagonales. « Dès que vous atteignez une face, vous entrez du côté opposé, comme dans un jeu vidéo traditionnel. Et quand vous calculez les vibrations de cet espace, vous retrouvez exactement ce qui a été observé dans le rayonnement fossile », indique le scientifique qui a publié son modèle dans la revue Nature en 2003. « Les cosmologistes n'étaient pas trop prêts à ces idées un peu nouvelles, car, dans ce modèle, non seulement l'univers est fini sans bord, mais il est un peu plus petit que l'univers que nous observons. ?ã partir d'une certaine distance, les objets que l'on voit seraient en fait des images fantômes d'objets plus proches », ce qui donnerait l'illusion que l'univers est plus grand qu'il ne l'est vraiment.

Depuis cinq ans, plusieurs équipes dans le monde cherchent en vain dans le rayonnement fossile ces signatures qui confirmeraient le modèle Luminet. Dans les prochaines années, le télescope Planck devrait quant à lui permettre de trancher la question une fois pour toutes.

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Le Devoir

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Conférences: aujourd'hui au Musée de la civilisation de Québec et demain aux Belles Soirées à l'Université de Montréal.