Avant de commencer : quelques mots au lecteur

À la fin d’une journée de travail, beaucoup d’entre nous sortent un moment. Peut-être marchons-nous vers l’arrêt de bus, descendons-nous les poubelles ou attendons-nous le début d’un service. Parfois, sans l’avoir prévu, nous levons les yeux. Il y a la Lune, ou une seule étoile brillante, ou, les soirs de chance, tout un ciel d’étoiles. Et parfois, dans ce moment de calme, une vieille question nous revient : d’où vient tout cela ?

Ce livre essaie de répondre doucement à cette question, un soir après l’autre. Il raconte le commencement de l’Univers, tel qu’on le comprend aujourd’hui : comment il a été autrefois extrêmement chaud et dense, comment il est en expansion et se refroidit depuis environ 13,8 milliards d’années, comment se sont formés les premiers atomes, les premières étoiles et les premières galaxies, et comment, bien plus tard, sont apparus le Soleil, la Terre et les atomes de notre propre corps. Il raconte aussi, plus brièvement, comment on a découvert tout cela. Beaucoup de grandes découvertes ont été faites par des gens au travail : une femme payée pour mesurer des étoiles sur des plaques de verre, deux ingénieurs qui cherchaient à supprimer un bruit dans une antenne, un professeur de physique qui mettait au point ses idées avec un crayon et du papier.

L’histoire se déroule sur quinze nuits, et chaque chapitre est une nuit. Chaque chapitre commence par une journée de travail de Noor, une astronaute qui passe six mois sur une station spatiale, très haut au-dessus de la Terre. Son métier est fait d’emplois du temps, de listes de contrôle, de petites réparations et de longues heures, comme beaucoup de métiers au sol. Quelque chose dans sa journée fait naître une question, et cette question mène à l’histoire de la nuit. Avant de dormir, Noor envoie un court message à son frère cadet, Sami, qui conduit un camion de livraison la nuit et lit ses messages pendant sa pause. Noor, Sami et l’équipage de la station sont des personnages imaginaires, et la station n’existe pas vraiment, mais la vie qu’ils mènent est proche de celle des vrais astronautes.

Chaque chapitre se termine par quelques idées reçues : des choses que beaucoup de gens croient sur l’Univers, ou sur la vie dans l’espace, et qui ne sont pas tout à fait justes. Elles ne sont pas là pour donner à quiconque le sentiment d’être naïf. Presque tout le monde en a cru certaines à un moment ou à un autre, y compris de nombreux scientifiques avant que les faits soient connus. Examiner de près une idée reçue est souvent la façon la plus simple de comprendre ce qui est vraiment vrai.

Comment lire ces nuits

Vous n’avez besoin d’aucune formation scientifique pour lire ce livre. Chaque mot nouveau est expliqué à sa première apparition, et les explications s’appuient sur des choses ordinaires : le pain qui lève dans le four, une sirène qui passe, un verre d’eau, un long service qui se termine à l’aube. Si un passage vous semble difficile, vous pouvez poursuivre votre lecture sans crainte. La nuit suivante l’éclairera souvent.

Un chapitre se lit en une vingtaine de minutes, et les chapitres sont faits pour être lus dans l’ordre, un par soir, comme une série d’histoires du soir pour adultes. Les premières nuits rassemblent les indices, et les suivantes s’en servent. Mais rien ne presse. Si vous lisez deux chapitres pendant un week-end tranquille et aucun pendant une semaine chargée, l’Univers vous attendra. Il attend depuis très longtemps.

Les nombres de ce livre sont arrondis, et la plupart sont précédés du mot « environ ». Les astronomes mesurent beaucoup de choses avec une grande précision, mais pour une histoire racontée le soir, un nombre rond est plus facile à retenir. Lorsque quelque chose n’est pas encore connu, le livre le dit clairement. Il reste énormément de choses que personne ne comprend sur le commencement de l’Univers, et certaines des questions les plus intéressantes sont encore ouvertes.

Enfin, vous aimerez peut-être lever les yeux de temps en temps pendant votre lecture. Vous n’avez besoin ni d’un télescope ni d’une montagne bien sombre. Une fenêtre, le pas d’une porte ou une courte promenade après le travail suffisent. La lumière que vous voyez ces soirs-là fait partie de la même histoire que celle que raconte ce livre.

À présent, la première journée de travail sur la station touche à sa fin. Noor est fatiguée, sa tête lui semble étrange en apesanteur, et les étoiles se lèvent derrière la fenêtre. Rejoignons-la pour la première nuit.

Chapitre 1 : Une question dans le noir

Nuit 1 : La première nuit dans le sac de couchage

La première journée de travail de Noor sur la station spatiale avait commencé très tôt, bien avant d’atteindre la station elle-même. Elle s’était réveillée dans une petite chambre au sol, avait pris un petit-déjeuner tranquille, enfilé sa combinaison de vol, puis était montée avec ses coéquipiers dans la capsule placée au sommet d’une haute fusée. Quelques heures après l’allumage des moteurs, la capsule s’était amarrée à la station, les écoutilles s’étaient ouvertes, et ceux qui y vivaient déjà avaient accueilli le nouvel équipage avec des visages fatigués et heureux.

Le reste de la journée fut rempli de petites tâches minutieuses. Noor apprit où était rangé le matériel d’urgence. Elle s’exerça à rejoindre sa cabine de couchage en se tirant le long des mains courantes, car ses pieds n’avaient plus aucune utilité pour le sol. Elle déballa un sac de vêtements, une brosse à dents et un carnet, et elle attacha chaque objet, car tout ce qui restait libre dans l’air finissait par s’éloigner en flottant. Le soir venu, elle avait la tête pleine et lourde, comme souvent pendant les premières heures en apesanteur, et ses mains étaient un peu maladroites. Tomás, le commandant, lui dit que c’était normal. Ade, le scientifique, raconta que le premier soir, il avait perdu trois stylos en dix minutes.

À la fin de la journée, Noor se rendit dans la petite pièce ronde à la grande fenêtre. Cette fenêtre est faite de plusieurs vitres épaisses, et à travers elle, Noor voyait la courbe de la Terre défiler. Un océan bleu, des nuages blancs, puis la fine ligne lumineuse de l’atmosphère au bord de la planète. Tandis qu’elle regardait, la station passa du côté nuit de la Terre. Le sol s’assombrit, et au-dessus, le ciel se remplit d’étoiles.

Sur la face obscure de la planète, elle distinguait les lumières des villes éparpillées comme du sucre renversé sur les terres, et au loin le scintillement blanc d’un orage à l’intérieur des nuages. Moins d’une heure plus tard, une fine ligne orange et bleue apparut au bord de la Terre, et le Soleil se leva de nouveau. Tomás vint flotter à côté d’elle et lui dit qu’à partir de maintenant, elle verrait environ seize levers et seize couchers de soleil toutes les vingt-quatre heures. La station suit une seule horloge, convenue avec les équipes au sol, lui expliqua-t-il, afin que l’équipage puisse dormir, manger et travailler selon un horaire régulier, même quand le Soleil se lève toutes les heures et demie.

Plus tard, glissée dans son sac de couchage, lui-même attaché à la paroi d’une cabine de la taille d’un placard étroit, Noor lut un message de son frère cadet. Sami conduit un camion de livraison la nuit. Il lit ses messages pendant sa pause, vers trois heures du matin, garé au bord d’une route tranquille. Son message était bref. « Content que tu sois bien arrivée. J’ai une question pour toi, puisque tu es plus près du ciel que nous tous. Comment tout cela a-t-il commencé ? Tout, je veux dire. L’Univers entier. »

Noor sourit dans le noir. C’était une très grande question pour une très petite cabine. Mais elle avait quinze nuits en tête, réparties sur ses six mois à bord de la station, et elle décida d’y répondre lentement, une histoire par nuit. Ce livre suit ces nuits-là. Si vous le souhaitez, vous pouvez le lire de la même manière : un chapitre par soir, après votre propre journée de travail.

La plus vieille question

La question de Sami est peut-être la plus vieille que les êtres humains se soient posée. Bien avant les télescopes, bien avant l’écriture, les gens levaient les yeux vers le ciel nocturne et se demandaient d’où il venait. Presque toutes les cultures que nous connaissons ont raconté des histoires sur le commencement du monde. Certaines commençaient par l’eau, d’autres par un œuf, d’autres par les ténèbres, d’autres encore par un grand silence. Ces histoires étaient racontées autour du feu, à la fin de longues journées de travail dans les champs et sur la mer, par des gens aussi curieux que nous.

Ces récits remplissaient bien des rôles importants. Ils donnaient aux gens le sentiment de leur place dans le monde. Ils expliquaient les saisons et les étoiles d’une façon qu’un enfant pouvait retenir. Ils transmettaient des valeurs d’une génération à l’autre. La science ne cherche pas à remplacer ce genre de sens. Elle pose une question plus étroite : que peut-on apprendre sur le commencement en observant attentivement l’Univers lui-même, en mesurant ce que l’on voit et en vérifiant ses idées encore et encore ?

Pendant la plus grande partie de l’histoire humaine, cette question plus étroite ne pouvait pas vraiment être posée. On pouvait observer très attentivement le Soleil, la Lune et les planètes, et de nombreuses cultures ont tiré d’excellents calendriers de ce qu’elles voyaient. Mais pour étudier le commencement de l’Univers tout entier, les astronomes avaient besoin de deux choses qui n’existaient pas il y a encore un siècle environ : des télescopes assez grands pour voir des galaxies très lointaines, et une théorie de la gravitation assez puissante pour décrire l’Univers dans son ensemble. Cette théorie, la relativité générale d’Albert Einstein, est apparue en 1915. Les grands télescopes sont arrivés à peu près à la même époque. Ce n’est qu’à partir de là que la vieille question a pu devenir une question scientifique.

Cette question plus étroite s’est révélée très féconde. Au cours des cent dernières années environ, les astronomes ont appris davantage sur l’Univers primitif que pendant tous les siècles précédents. Ils l’ont fait lentement, par un travail patient. Beaucoup des découvertes de ce livre ont été faites par des gens qui faisaient simplement leur travail : mesurer des étoiles sur des plaques photographiques, éliminer un bruit dans une antenne, vérifier des chiffres tard le soir. Leurs journées de travail, mises bout à bout, ont formé une histoire qu’aucun d’eux n’aurait pu raconter seul.

C’est aussi une histoire qui a des lacunes. Certaines de ses parties sont très bien connues et vérifiées de bien des manières différentes. D’autres sont encore ouvertes, et les scientifiques en débattent. Au fil de ces quinze nuits, j’essaierai de bien distinguer les unes des autres. Quand une chose est connue, je le dirai. Quand une chose n’est pas encore connue, je le dirai aussi. Ne pas savoir n’est pas un échec. C’est simplement l’endroit où commence la prochaine journée de travail.

La réponse courte

Avant la longue histoire, voici la réponse courte, celle qui tient au dos d’une carte. Il y a environ 13,8 milliards d’années, l’Univers était extrêmement chaud et extrêmement dense. Tout ce qui est aujourd’hui dispersé dans le ciel, chaque étoile et chaque galaxie, était serré dans un état plus chaud que le centre de n’importe quelle étoile. Depuis, l’Univers est en expansion et se refroidit. En se refroidissant, il a vu se former les premières particules, puis les premiers atomes, puis les premières étoiles et les premières galaxies, et bien plus tard le Soleil, la Terre et nous.

Voilà l’idée principale. Tout le reste de ce livre vient la compléter. Le nombre de 13,8 milliards d’années est si grand qu’il est difficile de le ressentir. Une première façon de l’aborder est de le comparer à une vie humaine. Si vous viviez jusqu’à quatre-vingts ans, l’âge de l’Univers représenterait plus de cent soixante-dix millions de vies comme la vôtre. Une autre façon, que nous utiliserons lors de la dernière nuit, consiste à faire tenir toute cette histoire dans une seule journée de travail et à regarder ce qui se passe à chaque heure.

Vous entendrez souvent appeler cet état chaud des débuts le Big Bang. C’est un nom célèbre, et nous l’emploierons dans ce livre, mais ce n’est qu’un nom. Il ne signifie pas qu’il y a eu une grande détonation, ni que quelque chose a explosé dans une pièce vide. Lors d’une nuit prochaine, nous rencontrerons l’homme qui lui a donné ce nom, et nous verrons que lui-même ne croyait pas à cette idée. Pour l’instant, il suffit de retenir que le Big Bang désigne l’Univers primitif, chaud et dense, et son expansion.

Pourquoi un univers en expansion devrait-il aussi se refroidir ? Vous avez peut-être déjà senti la réponse dans vos propres mains. Quand on utilise une bombe aérosol pendant un moment, elle devient froide, parce que le gaz qu’elle contient se détend en s’échappant. Quand un gaz est comprimé, il se réchauffe, et c’est pourquoi le bas d’une pompe à vélo devient chaud après qu’on a pompé fort. L’Univers suit la même règle à une échelle immense. À mesure que l’espace s’est étiré au fil de milliards d’années, tout ce qu’il contient s’est dispersé et refroidi, d’une chaleur sans commune mesure avec quoi que ce soit sur Terre jusqu’au froid profond de l’espace d’aujourd’hui.

La réponse courte laisse aussi de côté quelque chose d’important. Elle ne nous dit pas ce qui a causé le commencement, ni s’il y avait quelque chose avant. Ces questions font partie des questions ouvertes. La science de l’Univers primitif décrit ce qui s’est passé après le tout premier instant, et elle le décrit très bien. Quant au tout premier instant lui-même, les scientifiques disent honnêtement qu’ils ne le savent pas encore.

Comment peut-on le savoir ?

La question suivante de Sami arriva la nuit d’après, et c’était une bonne question. « Comment peut-on savoir ce qui s’est passé il y a des milliards d’années ? Personne n’était là. » C’est la question que toute personne prudente devrait se poser. Nous ne pouvons pas voyager dans le temps, et nous ne pouvons pas rejouer l’Univers dans un laboratoire. Alors comment les astronomes peuvent-ils savoir quoi que ce soit de son commencement ?

La réponse est que le passé a laissé des indices, un peu comme ceux que lit une mécanicienne quand un camion entre à l’atelier. Une bonne mécanicienne peut regarder des freins usés, une rayure sur la peinture et la boue dans les passages de roue, et vous en dire long sur les endroits où le camion est allé, alors qu’elle n’était pas dans la cabine. Les astronomes font quelque chose de semblable avec l’Univers. Ils regardent ce qui est là aujourd’hui et se demandent quelle histoire a pu le produire.

Il y a trois indices principaux, et les prochaines nuits raconteront chacun d’eux tour à tour. Le premier indice, c’est que les galaxies, ces immenses familles d’étoiles qui remplissent l’Univers, s’éloignent les unes des autres. Si elles s’éloignent aujourd’hui, elles devaient être plus proches dans le passé. Le deuxième indice est une faible lueur qui vient de toutes les directions du ciel, la plus ancienne lumière qui soit, héritée d’une époque où l’Univers entier était chaud et lumineux. Le troisième indice est le mélange des atomes les plus légers, l’hydrogène et l’hélium, que l’on trouve exactement dans les proportions qu’un Univers primitif chaud aurait produites.

Chacun de ces indices, pris isolément, pourrait peut-être s’expliquer autrement. Ce qui a convaincu la plupart des scientifiques, c’est que les trois désignent la même histoire, et que les mesures ultérieures, faites avec des instruments de plus en plus perfectionnés, ont continué de la confirmer. C’est ainsi que fonctionne une grande partie de la science. Ce n’est pas une preuve spectaculaire unique, mais de nombreuses vérifications patientes qui s’accordent toutes entre elles.

Un type de vérification est particulièrement convaincant. C’est lorsqu’une idée prédit quelque chose que personne n’a encore vu, et que, plus tard, quelqu’un le trouve. Si une mécanicienne dit : « Vu cette usure, je m’attends à trouver un boulon desserré derrière ce panneau », et que le boulon est bien là, vous lui faites davantage confiance. Dans l’histoire de l’Univers primitif, cela s’est produit plus d’une fois. La plus ancienne lumière, par exemple, a été prédite en 1948 et découverte par hasard en 1965, comme nous le verrons lors d’une nuit prochaine.

Il existe un quatrième allié qui rend tout cela possible, et c’est la lumière elle-même. La lumière met du temps à voyager. Quand nous regardons quelque chose de très lointain, nous le voyons tel qu’il était au moment où la lumière l’a quitté. Cela signifie qu’un télescope est aussi une sorte de machine à remonter le temps, même s’il ne peut que regarder, sans jamais s’y rendre. La lumière sera le sujet de l’histoire de la nuit prochaine.

Un livre de quinze nuits

Voici la forme du voyage qui nous attend. Au cours des prochaines nuits, nous suivrons la lumière comme une messagère, et nous apprendrons comment les astronomes ont découvert que l’Univers est bien plus grand que quiconque ne l’avait imaginé. Nous verrons comment ils ont constaté que les galaxies s’éloignent les unes des autres, et ce que signifie passer ce film à l’envers. Nous rencontrerons la plus ancienne lumière, et nous apprendrons ce qui s’est passé pendant les toutes premières minutes, quand les atomes les plus légers ont été fabriqués, et même plus tôt, avant qu’il n’existe le moindre atome.

Ensuite, l’histoire repart vers l’avant. Nous regarderons les premières étoiles s’allumer après une longue obscurité, et nous verrons comment les galaxies ont grandi. Nous apprendrons comment les atomes de votre propre corps ont été fabriqués à l’intérieur des étoiles, et comment sont nés le Soleil et la Terre. Puis nous nous tournerons vers les grandes inconnues : l’étrange poussée appelée énergie noire, et les questions situées tout au bord de ce que nous pouvons voir. Lors de la dernière nuit, Noor fera ses bagages pour le voyage du retour, et nous regarderons l’histoire entière d’un seul coup d’œil.

Chaque nuit a la même forme simple. D’abord, nous suivons Noor pendant une partie d’une journée de travail sur la station. Vient ensuite l’histoire de la nuit. Puis nous retournons à la station pour quelques minutes tranquilles avant le sommeil. À la fin de chaque chapitre, une courte section est consacrée aux idées reçues : des idées que beaucoup de gens partagent, souvent pour de bonnes raisons, et qui ne sont pas tout à fait justes. Les dissiper est l’une des façons les plus douces d’apprendre.

Vous n’avez besoin d’aucune formation scientifique pour suivre ce livre. Chaque mot nouveau sera expliqué à sa première apparition. Si un nombre vous semble trop grand pour être imaginé, ce n’est pas grave. Les astronomes ne peuvent pas vraiment l’imaginer non plus. Ils emploient ces nombres avec soin, les arrondissent quand ils le peuvent et gardent intact leur émerveillement.

Un message pour Sami

La première réponse de Noor à son frère fut brève, car elle était très fatiguée. Elle écrivit : « La version courte : il y a environ 13,8 milliards d’années, tout était chaud et tassé, et depuis, tout ne cesse de s’étaler et de se refroidir. La version longue prendra quinze nuits. Sois prudent sur la route. »

Avant qu’elle ne referme le message, Ade passa en flottant devant sa cabine pour aller se coucher et remarqua le carnet dans sa main. Quand elle lui parla de la question de Sami, il eut un petit rire et dit que c’était la meilleure sorte de question, puisque personne ne pouvait y répondre en une seule nuit. « Quinze nuits ne suffiront peut-être pas, dit-il. Mais c’est un bon début. »

Puis elle éteignit la petite lampe de sa cabine. L’apesanteur rend le sommeil étrange au début. Il n’y a pas d’oreiller qui appuie sur la tête, pas de matelas en dessous, et ses bras flottaient devant elle jusqu’à ce qu’elle les glisse dans le sac. Dehors, la station poursuivait sa route, faisant le tour de la Terre en environ quatre-vingt-dix minutes, entrant dans le côté jour puis en ressortant. Quelque part très loin en dessous, vers trois heures du matin, Sami garerait son camion, ouvrirait son téléphone et lirait ses mots.

Peut-être lisez-vous ces lignes à la fin de votre propre longue journée. Si vous le pouvez, sortez une minute avant d’aller au lit, ou regardez par une fenêtre, et trouvez une étoile. Vous n’avez pas besoin de connaître son nom. Remarquez simplement que sa lumière a parcouru un très long chemin pour vous atteindre, et que vous faites partie du même Univers que cette étoile, avec la même longue histoire derrière vous. C’est là que l’histoire commence.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que les astronautes flottent parce qu’il n’y a pas de gravité dans l’espace. C’est une erreur facile à commettre, car les images donnent exactement cette impression. Mais à l’altitude de la station, à environ 400 kilomètres au-dessus du sol, la gravité terrestre a encore environ les neuf dixièmes de sa force à la surface. Si vous pouviez construire une tour aussi haute et vous tenir à son sommet, vous sentiriez encore près des neuf dixièmes de votre poids habituel.

La véritable raison pour laquelle on flotte, c’est que la station et tous ceux qui s’y trouvent sont en train de tomber. Ils tombent sans cesse, vers la Terre. Mais la station se déplace aussi latéralement, très vite, à environ 28 000 kilomètres à l’heure. Pendant qu’elle tombe, la surface courbe de la Terre se dérobe sous elle, si bien qu’elle ne s’en rapproche jamais. Elle continue de tomber autour de la planète au lieu de tomber dessus. Comme Noor, ses coéquipiers, chaque stylo et chaque brosse à dents tombent ensemble à la même vitesse, rien n’appuie sur rien. C’est cette sensation que nous appelons l’apesanteur.

Beaucoup de gens pensent aussi que le Big Bang a été une explosion survenue en un point d’un espace vide, comme un feu d’artifice dans un ciel noir, avec tout ce qui s’envolait vers l’extérieur à partir d’un centre. C’est probablement l’idée reçue la plus répandue sur le commencement de l’Univers. Pour autant que nous puissions le dire, il n’y avait pas d’espace vide à l’extérieur qui attendait d’être rempli, et il n’y avait pas de centre. L’état chaud et dense des débuts était partout à la fois, et c’est l’espace lui-même qui n’a cessé de s’étirer depuis. Cette idée n’est pas facile, et nous y reviendrons lentement au cours des nuits à venir.

Enfin, certains croient que les scientifiques prétendent tout savoir sur le commencement de l’Univers, et d’autres croient que les scientifiques ne savent presque rien et ne font que deviner. Ni l’un ni l’autre n’est vrai. Certaines parties de l’histoire, comme l’expansion et la plus ancienne lumière, sont mesurées avec un grand soin et vérifiées de nombreuses façons. D’autres, comme le tout premier instant et la vraie nature de la matière noire et de l’énergie noire, sont honnêtement inconnues. Une bonne façon de lire ce livre est de garder les deux à l’esprit : de la confiance là où les preuves sont solides, et un esprit ouvert là où elles ne le sont pas. Lors de la prochaine nuit de ce livre, nous commencerons par la messagère qui nous apporte toutes ces preuves : la lumière.