8 Le destin de l'univers
Objectifs : Devenir capable de- citer et expliquer les deux théories de l'avenir de l'univers ;
- expliquer ce qu'est la vitesse de libération ;
- montrer en quoi le concept de vitesse de libération intervient dans les théories de l'avenir de l'univers.
Mots et concepts clefs :
| Big Crunch | vitesse de libération |
| univers ouvert | univers fermé |
Il existe deux théories à propos du destin de l'univers.
Si l'univers est ouvert, cela signifie que son expansion se poursuivra indéfiniment. L'autre théorie prévoit que l'expansion de l'univers que nous connaissons actuellement s'arrêtera un jour et que toute la matière va alors revenir vers son lieu d'origine en un " Big Crunch " : toute la masse de l'univers sera rassemblée en un seul point, exactement comme à son début. On imagine alors qu'il peut se produire un nouveau Big Bang et une nouvelle expansion.
Il est théoriquement possible de savoir si toutes les galaxies vont s'arrêter dans leur mouvement de fuite et revenir en arrière. La force de rappel qui peut les ramener en un unique rassemblement n'est autre que la force de gravitation. Si cette force est suffisamment grande, elle causera le retour des galaxies ; par contre, si les galaxies sont animées d'une vitesse suffisante, il se peut qu'elles puissent se libérer de l'emprise de la force de rappel.
Les astres retiennent plus ou moins fort les objets en fonction de leur propre masse.
La vitesse minimale qu'il faut donner à un projectile pour qu'il s'échappe définitivement de la pesanteur terrestre est la vitesse de libération.
De quoi dépend cette vitesse de libération ? Un calcul assez simple permet de la montrer.
La force de gravitation entre deux corps devient nulle lorsque ces deux corps se trouvent à une distance infinie l'un de l'autre : dès lors, on peut considérer qu'un objet amené à l'infini va échapper à la gravitation terrestre. Quel travail faut-il fournir pour amener un vaisseau spatial jusqu'à l'infini ?
La force qui s'exerce sur le vaisseau au sol est la force de gravitation ; elle vaut :
Il faut d'abord monter le vaisseau spatial sur une fusée porteuse. Le vaisseau se trouve sur le sol à une
distance r1 du centre de la Terre et on l'amène sur la fusée porteuse à environ 50 mètres du sol, c'est-à-dire
à une distance r2 du centre de la Terre.
Lorsque le vaisseau est monté sur la fusée, la force de gravitation vaut :
Nous conviendrons aisément que ces deux forces sont quasiment équivalentes. Notre poids ne varie pas de manière sensible lorsque nous nous trouvons à 50 mètres au-dessus du sol. Nous pouvons donc admettre que la force qui s'exerce sur le vaisseau tout au long de sa montée entre r1 et r2 est une force dont l'intensité est la moyenne entre Fa et Fb. Si la hauteur à laquelle on amène le vaisseau est faible, cette force peut être exprimée de la manière suivante :
où 
signifie " force moyenne ".
Or, le Travail est défini comme étant le produit de la force par la distance parcourue par cette force. Cette distance est (r2 - r1). Donc, le Travail effectué pour mettre le vaisseau sur la fusée porteuse vaut :
c'est-à-dire
Étudions maintenant le Travail effectué par la fusée porteuse pour amener le vaisseau à une distance rn très
grande.
Nous allons procéder par petits pas successifs. On passe d'abord de r2 à r3 et à la suite
de r3 à r4, ces distances étant proches l'une de l'autre.
... et ainsi de suite jusqu'à rn.
Le travail total est la somme des petits travaux élémentaires ; tout calcul fait, on trouve qu'il vaut :
et puisque rn est l'infini, 1/rn = 0 ;
donc :
Pour effectuer ce travail, il faut dépenser de l'énergie (grâce à la consommation du carburant de la fusée qui sert à accélérer la capsule spatiale, à lui donner de l'énergie cinétique). Cette énergie dépensée vaut :
Cette quantité d'énergie doit être égale à la quantité de travail effectué, donc :
On en tire finalement que la vitesse à donner à la fusée pour amener le vaisseau spatial jusqu'à l'infini (vitesse de libération) vaut :
Ce calcul nous permet de montrer que la vitesse de libération est proportionnelle à la masse de l'astre attracteur. La vitesse de libération sur la lune est donc logiquement plus faible que sur la Terre. La vitesse de libération de certains astéroïdes est tellement faible qu'il est impossible d'imaginer que l'on peut y jouer au golf : même lancée à très faible vitesse, la balle aurait une trop forte tendance à s'échapper.
La vitesse de libération de l'univers par rapport à lui-même conditionne son avenir.
L'observation montre que la masse visible de l'univers est insuffisante pour le refermer. Il semblerait donc que l'univers doive poursuivre inexorablement son expansion.
Cependant, des observations récentes permettent de penser qu'il existe encore dans l'univers des masses dont la nature n'a être pas encore pu être mises en évidence avec les techniques actuelles. Certains imaginent que le neutrino n'est pas une particule sans masse : celle-ci serait faible mais non nulle. D'autres pensent que la masse manquante se trouve sous une forme encore inconnue.
La population de neutrinos étant relativement élevée (100.000/cm3) par rapport aux autres particules (3 p+/m3, par exemple), il se pourrait que ces neutrinos provoquent la fermeture de l'univers sur lui-même.
Si l'univers est ouvert, le genre humain, s'il existe encore, verra les dernières étoiles s'éteindre dans 1014 années puis sera condamné à mourir par manque d'énergie dans un univers qui deviendra de plus en plus froid.
Des théories physiques relativement récentes laissent prévoir qu'il sera peut-être possible de disposer d'énergie auprès des trous noirs. Mais, de toute façon, ce ne sera qu'un répit : au bout de 10100 années , toute l'énergie aura été extraite des trous noirs.
Si l'univers est fermé ; on considère généralement qu'il a atteint actuellement le maximum de son expansion (à quelques milliards d'années près). Les galaxies vont revenir à leur point de départ, la température va augmenter jusqu'à ce que toute la matière soit de nouveau transformée en énergie. On se retrouve dans la même situation qu'au moment du Big Bang.
C'est un non sens de parler de ce qui se produira après, car " après " n'existe pas : le temps et l'espace n'existent plus.
Textes de travail.
La vitesse de libération.
Il y a une force qui s'oppose à l'expansion : c'est la gravité. La matière attire la matière. L'univers cherche
à se replier sur lui-même. Cette attraction joue un rôle fondamental dans son comportement et dans son devenir.
Pour illustrer la situation, qu'on me permette une fable à la Jonathan Swift. Sur une planète, des ingénieurs
ont installé une base de lancement interplanétaire assez primitive ; elle est constituée d'une immense toile
élastique tendue au-dessus d'une profonde vallée. Pour lancer une capsule, on la dispose au centre de la toile
préalablement tendue vers le sol. Puis, on relâche brusquement la toile (comme la corde d'un arc). La capsule
s'élève dans l'espace. Une multitude d'ingénieurs besogneux s'affairent autour de la base. Ils effectuent des
mesures de types variés. Chacun se demande si le lancement est réussi. La capsule s'élève-t-elle assez vite
pour échapper à l'attraction de la planète ? Si oui, elle filera dans l'espace et ne reviendra plus jamais.
Sinon, elle ralentira progressivement, s'arrêtera et amorcera une descente qui la ramènera dans la toile.
Accélérée de nouveau, elle remontera pour redescendre encore, comme un enfant qui saute sur un tremplin.
Comment savoir si la capsule s'arrêtera ou non ? En mesurant sa vitesse verticale. En termes de balistique, on
appelle " vitesse de libération " la vitesse minimale qu'il faut donner à un objet pour qu'il puisse s'échapper
du lieu où il a été lancé. Sur la Terre, elle est de onze km/s ; sur la lune, de deux km/s. Elle dépend de la
force de gravité à la surface de la planète. Les ingénieurs doivent donc en premier lieu, déterminer
l'intensité de la gravité avant de pouvoir décider si la capsule reviendra ou non.
Dans notre fable, la capsule représente une galaxie quelconque, tandis que la gravité à la surface de la
planète représente l'attraction de tout l'univers sur cette galaxie. Si cette attraction est assez puissante,
les galaxies cesseront un jour de s'éloigner (c'est ce qu'on appelle l'univers fermé). Elles reviendront alors
les unes vers les autres dans un vaste mouvement de contraction universelle. La température et la densité iront
croissant et nous retracerons en sens inverse les grandes étapes du Big Bang.
Reeves H.
Patience dans l'azur (op. cit.)
pp 54-55
Signification de la Science.
Quoi qu'il en soit, tous ces problèmes cosmologiques peuvent trouver leurs solutions, mais quel que soit celui
des modèles qui s'avérera correct, aucun d'eux n'est très confortable. Il est quasiment impossible aux êtres
humains de ne pas croire qu'il existe une relation particulière entre eux et l'univers, que la vie n'est pas
seulement l'aboutissement grotesque d'une suite d'accidents remontant dans le passé jusqu'aux trois premières
minutes, mais que, d'une certaine façon, nous fûmes conçus dès le commencement. Je me trouve, écrivant ces
lignes, dans un avion survolant l'état du Wyoming à une altitude de 10.000 mètres, de retour de San Francisco
vers Boston. En bas, la terre semble tendre et confortable -des nuages duveteux ici et là, de la neige
rosissante au soleil couchant, des routes s'étirant d'une ville à l'autre à travers le pays. On a peine à
croire que tout ceci n'est qu'une partie minuscule d'un univers écrasant et hostile. Il est plus difficile
encore de réaliser que cet univers a évolué à partir de conditions initiales si peu familières qu'on peut à
peine les imaginer, et doit finir par s'éteindre dans un froid interminable ou dans une chaleur d'enfer.
Plus l'univers nous semble compréhensible, et plus il semble absurde. Mais si les fruits de notre recherche ne
nous apportent aucun soulagement, nous pouvons au moins trouver quelque consolation dans la recherche
elle-même. Les hommes et les femmes ne se contentent pas de se rassurer avec des contes de dieux et de géants,
ou de confiner leurs pensées dans les problèmes de la vie quotidienne ; ils construisent aussi des télescopes,
des satellites et des accélérateurs, et restent assis des heures sans fin devant leurs bureaux à chercher la
signification des données qu'ils ont assemblées. L'effort consenti pour comprendre l'univers est l'une des
rares choses qui élèvent la vie humaine au-dessus du niveau de la farce, et lui confèrent un peu de la dignité
de la tragédie.
Weinberg S.
Les trois premières minutes de
l'univers (op.cit)
p. 179
La cosmologie peut-être à la veille d'une nouvelle révolution. Le mystère de la matière sombre.
Et si l'univers était fait d'une matière d'un type totalement insoupçonné, sans neutron ni proton ?
Ce dimanche, le chanoine Georges Lemaître aurait eu cent ans. Ce professeur de l'université de Louvain n'est
sans doute pas connu des foules, et, pourtant, il apparaît désormais comme un véritable pionnier de cette
science elle-même fort hermétique que l'on appelle la cosmologie. Cette discipline, dont on ne connaît
généralement que le très médiatique Big Bang, pourrait connaître ces prochains mois une révolution qui n'aurait
d'égale que celle qui fut initiée au XVIe siècle par Copernic. Cet astronome polonais fut le premier à suggérer
que la Terre n'était pas le centre du monde. De nos jours, il est question de remettre en cause un autre dogme
: la matière telle que nous la connaissons ne constituerait pas l'essentiel de l'univers...
L'EXPANSION DE L'UNIVERS EST-ELLE CONTINUE ?
Rien n'est encore sûr, et, si deux articles de revues scientifiques en parlaient naguère (" Nature " du 14
avril et " Physics World " de juin), ce n'était qu'avec d'infinies précautions oratoires. Il n'empêche : deux
mesures effectuées indépendamment par deux équipes américaines travaillant aux observatoires Keck (Hawaii) et
Kitt Peak (Arizona) arrivent à la conclusion que l'essentiel de la masse sombre de l'univers est faite de
composés non baryoniques. Traduisez : on n'y retrouve ni neutrons ni protons, c'est-à-dire aucun des deux
fondements de la matière telle que nous la connaissons...
Depuis sa formation à partir d'un noyau de matière et d'énergie extrêmement denses, le fameux Big Bang,
l'univers n'a cessé de s'étendre. C'est d'ailleurs Georges Lemaître qui fut le premier à le suggérer dans un
article qui est demeuré inconnu car il eut la modestie -ou la naïveté ?- de le publier dans une revue
bruxelloise. Cette théorie a connu de nombreuses vérifications dans les mesures astronomiques et dans
l'expérimentation au sein de ces gigantesques accélérateurs de particules qui s'efforcent de simuler les
premiers instants de l'univers. Mais, parmi les questions qui restent non résolues, il y a celle-ci : l'univers
continuera-t-il indéfiniment son expansion ou va-t-il se stabiliser ou encore va-t-il connaître le cheminement
inverse, au Big Bang succédant un Big Crunch ?
Pour le savoir, les astrophysiciens s'efforcent de " peser " l'univers, d'en évaluer la masse, ce qui passe par
l'étude des confins de l'univers ou du moins de sa partie qui nous est visible. De telles observations
aboutissent toujours à la conclusion qu'à côté de ce que nous voyons il y a de la matière sombre (" dark matter
" comme disent les astrophysiciens) qui donc ne produit pas d'énergie et n'est pas éclairée par une source
proche de lumière. Faute de mieux, les chercheurs considéraient que cette matière était du même type que celle
que nous connaissons.
Mais les deux dernières mesures de nuages lointains d'hydrogène et l'analyse fine de leurs composantes
aboutissent à des résultats (nous vous ferons grâce des détails...) qui ne peuvent être interprétés que par une
révision déchirante de notre vision " anthropocentriste " de la matière sombre : Un résultat d'une
signification énorme pour la physique et l'astronomie, commente Nature dans un éditorial qui commence par ces
mots : Une nouvelle ère de l'astronomie...
EN ÉTUDIANT DES NUAGES LOINTAINS D'HYDROGÈNE
Il reste toutefois des incertitudes dans les calculs des observateurs (les équipes des Prs Songaila et
Carswell) et les intéressés le reconnaissent : il n'est nullement impossible qu'ils aient mesuré autre chose
que ce qu'ils visaient. Mais cette possibilité reste très faible, selon eux. Il va donc falloir que les
physiciens fassent preuve d'imagination pour dresser le portrait de cette matière d'un tout nouveau type. À
moins que la science-fiction ne les précède...
[...]
Poncin J.
Le Soir - Vendredi 15 juillet 1994 N° 164
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