L’astronomie moderne
Le tournant du XXe siècle s’accompagne de découvertes majeures qui transformeront profondément notre vision et notre compréhension de l’univers.
L’univers au dela de la Voie Lactée
En 1875, notre Voie Lactée est alors comprise comme étant un ensemble dense d’étoiles et d’autres objets. Cet ensemble est aplati, en rotation, avec notre Système Solaire situé vers son centre. Mais la nature des nébuleuses fait débat. Font-elles partie de la Galaxie ou sont elles en dehors ? Harlow Shapley a fait une cartographie détaillée de la Voie Lactée, mesurant les distances grâce à la relation distance/luminosité des étoiles variables céphéides, découverte par Henrietta Leawitt, permettant de fournir les premières estimations réalistes de sa taille gigantesque (elle est estimée alors à 300 000 années lumière). Shapley détermine également que son centre est situé dans la direction du Sagittaire, et donc que la Terre est plutôt en périphérie.
Mais Shapley pense que la Voie Lactée est tout notre Univers, contenant tout les objets observés, alors que d’autres astronomes comme Heber Doust Curtis pensent notamment que les nébuleses spirales sont externes. Ce « Grand Debat » perdurera un certain temps et ne trouvera sa conclusion en 1924 grace aux observations de Edwin Hubble qui établira, toujours en utilisant les cepheides, que la nébuleuse d’Andromède et celle du Triangle sont très éloignées de notre propre Voie Lactée. Les « Univers-Iles » de Curtis sont désormais eux aussi des Galaxies comme la notre.
La relativité et le Big Bang
Parallèlement, Michelson et Morley découvrent en 1887 que la lumière a une vitesse finie et constante, indépendante de la direction. Albert Einstein fait de cette mesure un postulat fondamental et en déduit la Relativité Restreinte puis Générale, Cette théorie révolutionne notre compréhension de la nature même de l’Univers, avec la notion d’espace-temps, et redéfinit ce qu’est la gravitation, supplantant les lois de Newton qui avaient cours depuis 300 ans.
La relativité permet en effet de répondre à plusieurs anomalies observationnelles que les lois de Newton ne pouvaient expliquer, comme la précession de l’orbite de Mercure. Le changement est comparable à la révolution Copernicienne, car cette théorie ouvre la voie à une modélisation de l’univers entier.
Plusieurs scientifiques comme Karl Swarszchild tentent alors d’interpréter cette toute nouvelle théorie. Ce dernier postule en 1916 une solution aux équations d’Einstein qui implique une singularité gravitationnelle, que l’on appelera plus tard les « trous noirs« .
Mais la rupture la plus marquante résulte aussi indirectement des observations de Vesto Slipher, qui observe les décalages vers le rouge des spectres lumineux des galaxies dès 1912. Ce phénomène, rappelant l’effet Doppler (celui qui fait qu’une sirène de pompiers change de ton selon que le camion s’approche ou s’éloigne), suggère que les galaxies s’éloignent de nous, et même les unes des autres.
Il se trouve que l’interprétation de la théorie de la Relativité Générale conduit également à postuler un univers « non stationnaire », qui peut être en « expansion ». Ce postulat est développé par Alexandre Friedman en 1922. Puis Georges Lemaitre aura l’idée de jouer le scénario à l’envers pour postuler un univers plus dense et plus chaud dans le passé. Il fait alors l’hypothèse d’un « Atome Primitif », ce qui deviendra plus tard la théorie du Big Bang. Ce modèle sera enfin raffermi et enrichi par George Gamow en 1948 (avec son étudiant Ralph Alpher), en intégrant la nucléosynthèse primordiale.
Les développements de la physique quantique et de l’astrophysique théorique indiquent alors qu’aux tout début de sa formation, la densité de matière devait être telle que la lumière ne pouvait pas se propager dans l’espace. Ce n’est que 380 000 ans après le « Big Bang » que la densité en baisse aurait enfin permis aux photons de voyager librement.
Ralph Alpher et Robert Hermann postulent alors que le « flash » lumineux résultant doit pouvoir être observé aujourd’hui sous la forme d’un résidu froid, justement grâce à l’expansion. Cette théorie trouvera une confirmation éclatante en 1964 avec la découverte du fond diffus cosmologique par Arno Penzias & Robert Wilson. Le modèle du Big Bang tient une belle preuve de sa validité !
Ainsi en 1950, l’univers est gigantesque, il a lui-même a une histoire, il est âgé de 13,7 milliards d’années, et il n’a pas toujours existé – en tout cas sous sa forme actuelle. Mais l’histoire ne s’arrête pas encore là…