L'univers a-t-il vraiment son âge ?

Il est devenu banal de dire que l'univers a (environ) 15 milliards d'années. On entend aussi des réserves.
Sur quoi se fonde cette datation ? Quelle est sa fiabilité ? Quel sens lui donne-t-on ?

Les datations historiques

On peut connaître l'âge d'une personne, d'une œvre, d'un événement en consultant des "écrits" (des caractères cunéiformes des tablettes d'Ugarit aux octets de nos actuels registres d'état civil). Cette méthode ne concerne jusqu'à présent que les 4 ou 5 derniers milliers d'années. Plus on remonte dans cette période historique et plus les lacunes, l'absence de redondance et la part de mythe rendent aléatoire le procédé qui est alors avantageusement complété par des techniques plus modernes.
 

Les datations géologiques

Le cycle des saisons et de la flore a pour conséquence celui des dépôts sédimentaires. Lorsque les conditions sont favorables la stratification des dépôts peut être préservée durant des centaines de millions d'années. Une coupe naturelle ou un carottage artificiel peuvent alors livrer une chronologie.

La relation profondeur-temps est exprimée au XVIIe siècle et les épaisseurs de certains sédiments ont conduit dès le XVIIIe siècle a donner à la Terre des âges bien supérieurs à ceux des chronologies historiques. Les datations atteignaient 400 millions d'années au milieu du XIXe siècle (en concurrence toutefois alors avec une "chronologie courte" à 20 millions).

À travers la conjonction entre la lente évolution et la rapide dissémination du vivant les fossiles permettent de raccorder les relevés des stratigraphies de sites   géographiquement éloignés.

Avec la profondeur et la pression les couches se métamorphosent et la relation temps-profondeur s'estompe mais peut être améliorée par une corrélation avec d'autres données physiques. Les courbes d'ensoleillement que permet de retrouver la mécanique céleste en sont un exemple : l'ensoleillement a un effet direct sur  la photosynthèse, la température et donc sur les dépôts organiques et l'on atteint ainsi aujourd'hui une excellente précision jusqu'à quelques millions d'années, une précision très correcte jusqu'à quelques dizaines de millions d'années et des mesures plus indicatives ensuite.

La stratigraphie moderne est depuis longtemps corrélée avec beaucoup d'autres données physiques et notamment celles des mesures radioactives.
 

Les datations radioactives

La proportion des produits de désintégration d'un nuclide radio-actif permet de dater le temps écoulé depuis la solidification du matériau dans lequel il est présent.  Depuis le plomb 210Pb pour les dizaines d'années jusqu'au Samarium 147Sm pour les centaines de milliards d'années, c'est plus que toute la gamme des âges qui est ainsi accessible à travers celle des "temps de demi-vie" des plus de 60 isotopes radioactifs naturels (minéraux ou cosmogéniques) recensés.

Dès le début  du XXe siècle cette méthode donnait à certaines roches des âges de plus d'un milliard d'années. Une confusion dans l'estimation des distances extragalactiques conduisait par ailleurs à un taux d'expansion beaucoup trop élevé et à un âge de l'univers qui (sans constante cosmologique) était de moins de 2 milliards d'années. Enfin le succès de la relativité restreinte ( E = m c2) appliqué avec enthousiasme donnait alors aux étoiles des âges mille fois plus élevés qu'aujourd'hui.

Dans les années 1950 la méthode des datations radioactives a été appliquée aux météorites et révélé un âge commun de 4,55 milliards d'années. Ils fournissent la meilleure datation du système solaire car, contrairement aux planètes, le fort rapport surface/volume que leur affecte leur petite taille a du les conduire à  se refroidir et se solidifier très rapidement après leur formation. La concordance de leurs datations confirmait et précisait le scénario de formation du système solaire dont l'essentiel se serait joué en un temps de l'ordre du million d'années. On distinguera plus tard les météorites primitifs de ceux qui sont les résidus plus tardifs (de quelques dizaines de millions d'années) de la fragmentation collisionnelle d'objets déjà "différenciés" (décantés).

Les plus vieux terrains affleurant aujourd'hui à la surface de la terre sont ainsi datés de plus de 3 milliards d'années. En 2008 les plus anciennes inclusions réfractaires des météorites indiquent environ 4,567 milliards d'années..

                    Le système solaire semble bien s'être formé il y a environ 4,57 milliards d'années.

Les progrès des techniques permettent à présent de mesurer sur des plus faibles quantités et des dosages sur des micro inclusions (vraisemblablement forgées dans des atmosphères d'étoiles géantes) donnent des âges plus élevés et commencent à fournir la datation des étoiles qui en mourant ont enrichi la nébuleuse qui enfanta plus tard (entre autres) notre système solaire.
 

Les datations "astrophysiques"

Le terme "astrophysique" est employé ici à son sens strict de "physique des astres" , c'est-à-dire des objets différenciés (planètes, étoiles, galaxies, amas de galaxies). Il exclue donc la "cosmologie",  science de l'ensemble et du contexte spatio-temporel du cosmos.

La source d'énergie des étoiles (du moins dans la plus grande partie de le leur vie active) est attribuée à la fusion thermonucléaire de l'hydrogène en hélium. Il serait trop long de décrire ici la quantité d'observations qui établissent ce modèle basé sur de la physique connue et expérimentée au laboratoire (et pour d'autres applications tristement célèbres) depuis  plus d'un demi siècle.

Cette physique connue (hydrostatique, thermodynamique, rayonnement, nucléaire,...) permet de faire des modèles d'étoiles et de calculer ainsi leurs paramètres  en fonction de leur masse et de leur composition initiales et de simuler leur évolution. Il s'avère que la durée de vie de ces "étoiles" (temps d'épuisement de leur réserve d'hydrogène) y est extrêmement sensible à  leur masse initiale : environ 10 milliards d'années pour une masse voisine de celle du soleil mais 10 millions d'années seulement pour une masse 20 fois supérieure et des milliers de milliards d'années pour celles qui, 10 fois moins massives que le soleil, sont tout juste en-dessus de la limite qui permet le fonctionnement thermonucléaire. La sensibilité de la longévité à la masse est essentiellement celle du taux des réactions nucléaires à la température centrale.

Pour le soleil, sa datation par celle des météorites permet d'affiner le modèle évolutif (il faut qu'il ressemble au soleil actuel au bout de 4,57 milliards d'années de fonctionnement). On peut alors laisser poursuivre la simulation avec plus de confiance sur la précision. Selon un modèle récent (1993) l'extinction naturelle de notre étoile est ainsi  prévue lorsqu'il atteindra l'âge de 12,4 milliards d'années.

Pour les autres soleils on ne dispose pas pour mesurer leur âge des datations radioactives de leurs météorites et il est fait le plus souvent appel aux modèles d'évolution stellaire. Mais les étoiles ont une propension très nette à naître en amas (comprenant plusieurs centaines à plusieurs millions d'individus qui se forment vraisemblablement en un temps très bref) et certains de ces amas ne se dispersent pas avec le temps. On peut dater de  tels amas en examinant statistiquement l'ensemble de leurs étoiles encore brillantes. En effet les étoiles d'un amas ayant le même âge, elles s'éteignent par ordre de longévité croissante et donc de masse décroissante. La luminosité (puissance rayonnée) et la couleur d'une étoile étant de plus très fortement liée à sa masse (les étoiles massives étant dans leur fonctionnement stable les plus lumineuses et les plus bleues) on peut repérer la couleur limite où se produit le "décrochage" et en déduire la masse des étoiles qui arrivent en fin de vie. Ce "décrochage" est d'autant plus repérable que les étoiles avant de s'éteindre connaissent une brève phase de gigantisme et d'hyper-luminosité qui les fait aisément repérer. Ayant ainsi accès à la masse des étoiles en train de s'éteindre dans un amas et les modèles liant la longévité à la masse on obtient la longévité de ces étoiles finissantes c'est-à-dire leur âge et donc celui des autres étoiles de l'amas. Les âges observés vont de quelques millions à plus de 10 milliards d'années. D'autres méthodes existent.  La recherche des étoiles inertes les plus froides (refroidies) en est une.

La datation radioactive individuelle des étoiles est toutefois possible à travers la mesure des raies spectrales de certains éléments. La méthode est évidemment moins directe qu'avec un échantillon de matière puisqu'il faut alors déduire les abondances des nuclides à partir des intensités des raies observées dans le spectre et que le lien entre les deux est le résultat d'un modèle (avec entre autres le calcul des "forces d'oscillateur") difficile surtout pour les éléments lourds...

Alors que la précision sur l'âge un échantillon au laboratoire est  de 1/1000 celle de la détermination observationnelle de l'âge des étoiles est au mieux de 1/10. Quel est l'âge astrophysique des plus vieilles étoiles observées à ce jour ?  Une fourchette vraisemblable est de 12 à 16 milliards d'années . Nous allons voir que cette plage  encadre les déterminations cosmologiques de l'âge de notre univers.

Il est déjà remarquable que  l'âge des plus vieilles étoiles observées soit extraordinairement plus faible (près d'un millier de fois plus faible) que la longévité des étoiles les moins massives (qui sont aussi les plus nombreuses).

L'étude des autres galaxies de plus en plus lointaines avec les progrès instrumentaux ne ne remet pas en cause pour l'instant les estimations ci-dessus.

    L'astrophysique met en évidence une coupure à environ 14 milliards d'années pour l'âge des étoiles.
 

Les datations cosmologiques

La cosmologie moderne est fondée sur la relativité générale d'Einstein (1915) qui, avec la mécanique quantique, constitue depuis trois quart de siècle le fondement de la science contemporaine. La relativité générale lie l'espace, le temps et la matière.
Appliquée à une distribution homogène et sans mouvement de matière (qui semble bien aujourd'hui pouvoir représenter en première approximation l'univers à très grande échelle) elle conduit (avec quelques hypothèses supplémentaires qui paraissent naturelles) aux équations de Friedmann-Lemaître (1922, 1927) qui, elles, déterminent l'évolution du "facteur d'échelle" de l'univers en fonction de quelques paramètres apparemment libres.

Ce facteur d'échelle R(t) est une fonction du temps t (le même temps pour tous puisqu'on néglige les petits mouvements locaux) qui lie les distances spatiales aux coordonnées et qui rend ainsi variable la distance entre deux points (de coordonnées) fixes.

Les observations depuis les années 1920 montrant que les durées observées (notamment les périodes des raies spectrales ) croissent lorsque l'on observe des sources plus éloignées on en déduit que la fin des signaux a eu plus de distance à parcourir que le début et que nous sommes donc dans une phase de croissance de R(t).

Le taux d'expansion H(t) est défini comme la dérivée logarithmique de R(t). Son inverse serait donc le temps écoulé depuis une singularité à R=0 si la croissance de R(t) était linéaire. En 1927, Georges Lemaître donne la première expression théorique de H(t) et estime observationnellement sa valeur présente H0 à 2 10-17 s-1 (ou 625 km s-1 Mpc-1), soit 1/H0 = 1,6 109 ans. Cette première estimation de "H0"   (qui s'appellera "constante" "de" Hubble à partir de 1929) est trop forte (et donc celle de l'âge  1/H0 trop faible) en raison des évaluations de distance extragalactiques erronées qui étaient alors disponibles dans la littérature scientifique.

Le taux d'expansion présent H0 est aujourd'hui évalué environ 10 fois plus bas (70 km s-1 Mpc-1) soit  1/H0 = 14 109 ans. Les autres paramètres libres de la théorie (la masse volumique de l'univers et la constante cosmologique) commencent à être cernés observationnellement depuis 1998. Curieusement ils se compensent pour donner un âge voisin  de1/H0. On trouve en 2008 une estimation du modèle "concordance" entre  13,7 et 13,8 milliards d'années (cf  le calcul détaillé des modèles et âges d'univers).

Il reste encore à affiner les valeurs mais on ne peut que remarquer la bonne adéquation de l'âge physique (plus vieilles étoiles) et de l'âge géométrique (expansion à grande échelle) de l'univers à environ 14  milliards d'années.

Jointe à l'astrophysique, la cosmologie nous trace également une histoire assez cohérente de l'histoire de  la matière  (tout au moins de la matière ordinaire).
 

Le Big Bang, science établie

Bien des données sont arrivées depuis la genèse de cette théorie (1931) qui ont progressivement rallié l'écrasante majorité des spécialistes. Pour ne citer que les mieux principales :


La recherche cosmologique

Actuellement les recherches portent sur les mesures précises des paramètres cosmologiques actuels, sur la formation des structures à grande échelle, sur la physique des tout premiers instants et sur la nature de la masse cachée . En fait ces quatre ensembles de démarches sont étroitement (causalement) liés. Le statut ou l'existence de la singularité initiale est évidemment concerné.
 

Par son questionnement sur les fondements même de toute science, la recherche cosmologique moderne est nécessairement philosophique. C'est un bien. Mais son avancement passé comme ses orientations présentes montrent qu'elle s'expose parfois à des ingérences idéologiques. La part des choses devient alors bien difficile à établir. Quelques réflexions sur la quête des origines sont proposées.
 

Conclusion

Une durée d'environ 14 milliards d'années semble bien nous séparer d'un moment où tout l'univers observé était dans un état de rayonnement extrêmement concentré, physiquement descriptible et portant en germe ses caractéristiques statistiques actuelles.

La science n'est jamais certitude mais ce concept ainsi réduit d'âge de l'univers a atteint au cours  de ces dernières années un niveau de vraisemblance très élevé, l'accord de presque tous les spécialistes et rejoint le corpus de la science établie. Certaines théories, à ce jour encore spéculatives, envisagent un multivers dont notre univers serait une des péripéties.

La physique du premier 10-32 ème de seconde de notre univers est également très mal connue et l'existence même de la singularité initiale est un sujet de recherches actuelles qui interfère parfois avec d'autres domaines de la réflexion humaine.

                                                                                                         H. Reboul 07/11/2013