Quel âge à l’Univers ?

Notre univers est âgé de 13,8 milliards d’années, une échelle de temps bien plus longue que les durées plus réalistes de centaines ou de milliers d’années qui influencent nos expériences. Alors comment les astronomes arrivent ils à un chiffre aussi énorme ?

L’univers, tout simplement, doit être au moins aussi vieux que la plus ancienne chose que nous pouvons y trouver. Ainsi, un test direct de l’âge de l’univers consiste à partir à la chasse aux étoiles anciennes.

Les étoiles des amas, ou agglomérations d’étoiles, toutes nées en même temps, peuvent être datées avec le plus de précision en recherchant ce que l’on appelle le « tournant de la séquence principale » de l’amas. La phase la plus longue de la vie d’une étoile est celle de la combustion de l’hydrogène. Pendant cette phase, les étoiles suivent une relation entre leur température et leur luminosité connue sous le nom de séquence principale. En d’autres termes, les étoiles les plus chaudes sont les plus brillantes.

Lorsqu’une étoile n’a plus d’hydrogène à brûler, elle commence à se refroidir et quitte donc cette relation de séquence principale avant de devenir une supergéante, une naine blanche ou même un trou noir.

Sur la base de nos connaissances de l’évolution stellaire, les astronomes peuvent estimer combien de temps certains types d’étoiles continueront à brûler de l’hydrogène sur la séquence principale.

Notre Soleil, une étoile de masse relativement faible, brûle de l’hydrogène depuis près de 5 milliards d’années et continuera à le faire pendant encore 4 à 5 milliards d’années.

Bien qu’elles aient plus de combustible à brûler, les étoiles plus massives passent moins de temps sur la séquence principale car elles brûlent ce combustible beaucoup plus rapidement.

Lorsqu’un amas d’étoiles vieillit, les étoiles les plus massives quittent la séquence principale en premier, suivies par les étoiles de masse décroissante. Les observations d’amas d’étoiles relativement jeunes révèlent donc tous les types d’étoiles qui remplissent la séquence principale. Les amas plus anciens présenteront une séquence principale moins complète, car les étoiles les plus massives ont déjà épuisé leur combustible hydrogène et  » éteint  » la séquence principale.

Naines blanches

Dans un épisode précédent, nous avons abordé les dernières étapes de la vie d’une étoile mourante et la façon dont une étoile de faible masse comme notre soleil peut se transformer en naine blanche.

Les naines blanches sont des objets extrêmement denses qui renferment l’équivalent de la masse du Soleil dans la taille de la Terre. Une cuillère à café de matériau de naine blanche pèse 15 tonnes !

Étant donné que les naines blanches ne brûlent plus d’éléments par fusion pour produire et émettre des rayonnements, elles refroidissent comme les braises mourantes d’un feu.

Les températures des naines blanches peuvent donc nous indiquer combien de temps elles ont passé à se refroidir et nous donner une limite à leur âge. D’après les observations effectuées à l’aide du télescope spatial Hubble, les naines blanches les plus anciennes ont entre 12 et 13 milliards d’années.

Si la datation de l’univers par les étoiles anciennes est une vérification importante, la détermination la plus directe de son âge provient du rayonnement résiduel laissé par le Big Bang, appelé rayonnement de fond cosmologique, ou CMB en abrégé.

En termes simples, notre univers s’étend au fil du temps, laissant de plus en plus d’espace entre nous et nos voisins extragalactiques.

Nous pouvons toutefois remonter le temps en rembobinant cette expansion, grâce aux informations codées dans le CMB, afin de déterminer depuis combien de temps l’univers est en expansion.

Qu’est-ce que le CMB ?

Le CMB est le rayonnement produit lors du Big Bang, la singularité qui, en une fraction de seconde, a déclenché la combinaison de densités, de températures et de pressions élevées qui se sont ensuite étendues et refroidies pour former l’univers que nous observons aujourd’hui. Le rayonnement CMB s’est considérablement refroidi au cours de son voyage, mais il contient toujours des informations sur le Big Bang. Le CMB nous offre donc l’équivalent d’une image de bébé de notre univers, un instantané de ce qui s’est produit au début.

L’âge de l’univers est lié à trois paramètres cosmologiques qui, ensemble, décrivent l’expansion de l’univers :

• le taux d’expansion de l’univers, connu sous le nom de constante de Hubble
• la densité de la matière baryonique (normale) et de la matière noire dans l’univers (c’est-à-dire la quantité de matière nécessaire à son expansion)
• la constante cosmologique, un paramètre lié à l’accélération de cette expansion.

À partir de cartes très précises du CMB réalisées par des sondes spatiales comme WMAP et le satellite Planck, les astronomes et les physiciens mesurent ces paramètres. A partir de ceux-ci, ils déterminent une estimation de l’âge de l’univers dans le cadre théorique de la cosmologie Lambda Cold Dark Matter, qui inclut notre compréhension des composants de l’univers.

Selon cette méthode, l’âge de l’univers est de 13,8 milliards d’années, plus ou moins 37 millions d’années. Cette incertitude sur l’âge, qui est relativement faible par rapport à un temps total de 13,8 milliards, provient des incertitudes associées à la mesure de chacun des trois paramètres cosmologiques.

Pour mettre cet âge en perspective, l’âge de notre système solaire n’est que d’environ 4,5 milliards d’années.

Certains isotopes qui ont été créés avec le système solaire, comme le potassium et l’uranium, offrent des indices sur l’âge de notre système solaire.

Ces isotopes subissent une désintégration radioactive et offrent donc une mesure très précise du temps écoulé depuis leur formation.

Le fait que l’âge déterminé par le CMB soit cohérent avec les âges minimums calculés pour les amas d’étoiles et les naines blanches les plus anciens nous indique, à nous astronomes, que nous sommes sur la bonne voie. N’oubliez pas, cependant, que nous définissons l’âge de l’univers comme le temps qui s’est écoulé depuis le Big Bang.

Aucune de nos données d’observation ne peut nous dire ce qui a pu se passer avant le Big Bang – une question à laquelle un astrophysicien théorique ou même un philosophe, plutôt qu’un astronome observateur, serait mieux à même de répondre.