Chapitre 7 : Les toutes premières minutes

Nuit 70 : La machine à eau

Le soixante-dixième jour était une journée de maintenance. Sur le programme que le sol envoyait chaque matin, la tâche principale de Noor portait un nom tout simple : remplacer un filtre du système de récupération de l’eau. Sur une station spatiale, l’eau est trop précieuse pour être gaspillée. Elle est lourde à envoyer depuis la Terre, si bien que la station récupère presque chaque goutte possible et la purifie encore et encore. La vapeur d’eau que l’équipage expire et la sueur qui quitte la peau sont extraites de l’air. L’eau de toilette est récupérée. Même l’urine est récupérée, purifiée et transformée de nouveau en eau potable.

Noor s’était entraînée bien des fois à ce travail au sol, sur une copie de la machine. Sur la station, il lui prit la plus grande partie de la matinée. Elle ferma les vannes dans le bon ordre, vérifia les relevés de pression, ouvrit un panneau et fit glisser l’ancien filtre hors de son logement. Chaque pièce libre était attachée ou tenue dans un sachet. Ade flottait à côté avec la liste de contrôle et lisait chaque étape à voix haute avant qu’elle l’exécute, et Noor lui répétait l’étape. Au sol, cela pourrait sembler lent. En orbite, c’est ainsi que l’on évite les erreurs.

Une fois le nouveau filtre en place, la machine lança ses tests. Une rangée de petits voyants passa au vert, l’un après l’autre. Les équipes au sol suivaient les mêmes relevés sur leurs écrans et confirmèrent que tout semblait normal. Noor nota l’heure dans le journal de bord et mit l’ancien filtre dans un sac, qui serait chargé dans un vaisseau cargo et emporté plus tard.

Au déjeuner, elle remplit sa poche à boire à la réserve d’eau de la station et la leva vers la lumière. L’eau était parfaitement limpide. Elle n’avait aucun goût, ce qui est exactement le goût que doit avoir une bonne eau. Tomás leva sa propre poche et dit, comme chaque fois que quelqu’un réparait la machine à eau, que le café d’hier était devenu le café d’aujourd’hui. Ade dit que ce n’était pas une phrase à laquelle il voulait penser en mangeant.

Ce soir-là, Sami écrivit qu’il avait passé toute la nuit à décharger des packs d’eau en bouteille dans un supermarché, et qu’il était content que personne ne lui demande de boire l’eau deux fois. Noor lui répondit que, d’une certaine façon, tout le monde sur Terre boit une eau qui a déjà servi, aux nuages, aux rivières, aux plantes et aux animaux, depuis des milliards d’années. Puis elle remonta plus loin en pensée, jusqu’à l’origine de l’eau elle-même. Une molécule d’eau est faite de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. L’oxygène a sa propre histoire, que nous entendrons lors d’une nuit prochaine. Mais l’hydrogène de chaque goutte d’eau est bien plus ancien. Il vient des toutes premières minutes de l’Univers.

Les plus petites briques

Lors de la nuit précédente, nous avons rencontré la plus ancienne lumière, libérée quand l’Univers avait environ 380 000 ans. Ce soir, nous remontons beaucoup plus loin, à une époque où l’Univers n’avait que quelques minutes. Pour comprendre ce qui s’est passé alors, nous devons savoir un peu de quoi sont faits les atomes. Les mots sont peut-être nouveaux, mais l’idée est simple, comme apprendre les pièces d’une machine avant de la réparer.

Chaque atome possède un minuscule centre appelé noyau. Autour du noyau se trouvent des particules encore plus petites, appelées électrons. Le noyau lui-même est fait de deux sortes de particules. Les protons portent une charge électrique positive. Les neutrons ne portent aucune charge, d’où leur nom. Protons et neutrons ont presque le même poids, et tous deux sont bien plus lourds qu’un électron.

Il est difficile de se représenter à quel point un noyau est petit. Voici une comparaison que les professeurs emploient souvent. Si un atome entier avait la taille d’un grand stade, son noyau aurait à peu près la taille d’un petit pois posé au milieu du terrain. Les électrons se trouveraient quelque part, loin, dans les tribunes. Presque tout le poids de l’atome se trouve dans ce minuscule petit pois au centre.

Le nombre de protons du noyau détermine de quelle sorte d’atome il s’agit. Un atome à un proton est de l’hydrogène. Un atome à deux protons est de l’hélium. Un atome à six protons est du carbone, et un atome à huit protons est de l’oxygène. Chacune de ces sortes fondamentales d’atome s’appelle un élément. Les neutrons ajoutent du poids et aident à maintenir le noyau en un seul morceau, mais ils ne changent pas l’élément.

Le plus simple de tous les noyaux est un proton tout seul. C’est le noyau de l’hydrogène ordinaire. Un noyau d’hélium est plus compliqué. Il est fait de deux protons et de deux neutrons, étroitement serrés. Pour construire un noyau d’hélium, il faut rapprocher énormément protons et neutrons, si près qu’une force très puissante, à l’intérieur du noyau, puisse les saisir. Dans des conditions ordinaires, cela n’arrive presque jamais, car les protons se repoussent les uns les autres à cause de leur charge électrique. Il faut une chaleur et une pression énormes pour les forcer à se rejoindre.

Dans les premiers instants de l’Univers, il n’y avait encore ni atomes ni noyaux. Il n’y avait qu’un mélange chaud de protons libres, de neutrons libres, d’électrons, de lumière et d’autres minuscules particules, tous en mouvement très rapide. Il faisait bien trop chaud pour que quoi que ce soit puisse coller ensemble. Chaque fois qu’un proton et un neutron s’unissaient, la chaleur les séparait de nouveau presque aussitôt. L’Univers ressemblait à une cuisine si chaude qu’aucune pâte n’aurait jamais pu lever, parce que tout brûlait à l’instant même où on le mélangeait.

Une courte fenêtre pour construire

À mesure que l’Univers s’étendait, il se refroidissait. Au bout de quelques minutes, il atteignit une température à laquelle protons et neutrons pouvaient enfin tenir ensemble. Cette température était encore bien plus élevée que celle du centre du Soleil aujourd’hui, mais elle n’était plus trop élevée. Pendant un court moment, l’Univers entier devint un lieu où des noyaux légers pouvaient être construits. Protons et neutrons s’unirent par paires, les paires s’assemblèrent en noyaux d’hélium, et une très petite quantité d’un élément un peu plus lourd, le lithium, fut également produite.

Cette fenêtre ne resta pas ouverte longtemps. L’Univers continuait de s’étendre et de se refroidir. En une vingtaine de minutes environ, la température et la densité avaient tellement baissé que la construction s’arrêta. Les particules étaient désormais trop dispersées et trop lentes pour se rencontrer avec assez de force. Ce qui avait été fabriqué jusque-là constituait tout ce dont l’Univers disposait. Pendant des dizaines de millions d’années ensuite, jusqu’à ce que les premières étoiles commencent à briller, aucun élément nouveau ne fut fabriqué.

Vous vous demandez peut-être comment quelqu’un peut connaître la température de l’Univers à l’âge de quelques minutes. Le raisonnement est plus simple qu’il n’y paraît. Les astronomes savent à quelle vitesse l’Univers s’étend aujourd’hui et quelle est la température de la plus ancienne lumière aujourd’hui. Quand l’Univers était plus petit, cette même lumière était comprimée dans un espace plus petit, donc plus chaude, d’une façon simple et bien comprise. En passant le film à l’envers avec ces règles, les physiciens peuvent calculer la température de l’Univers à chaque instant, jusqu’aux toutes premières minutes.

Il y avait une autre raison pour laquelle le temps était compté. Un neutron seul, hors d’un noyau, ne dure pas longtemps. En un quart d’heure environ, en moyenne, un neutron libre se transforme en proton. Les neutrons disparaissaient donc lentement, en permanence. Les seuls neutrons qui pouvaient survivre étaient ceux qui avaient été intégrés à des noyaux d’hélium. On pourrait comparer cela à une boulangerie où la levure perd peu à peu sa force. Le boulanger doit l’utiliser vite, sinon elle ne servira plus à rien.

Quand la construction s’arrêta, il y avait beaucoup moins de neutrons que de protons. En gros, il y avait un neutron pour sept protons. Ce nombre détermine le résultat. Imaginez seize particules : deux neutrons et quatorze protons. Les deux neutrons s’unissent à deux des protons pour former un noyau d’hélium, soit quatre particules en tout. Les douze autres protons restent seuls, sous forme de douze noyaux d’hydrogène. Ainsi, en poids, quatre parts sur seize sont de l’hélium, soit un quart. Les trois autres quarts sont de l’hydrogène.

Telle est la prédiction des toutes premières minutes : en masse, environ trois quarts d’hydrogène et environ un quart d’hélium, avec d’infimes traces d’une forme plus lourde d’hydrogène et de lithium. Des centaines de milliers d’années plus tard, quand l’Univers se fut encore refroidi et que les électrons se furent placés autour de ces noyaux, les premiers atomes se formèrent. C’étaient les atomes du brouillard lumineux, ce brouillard qui se leva et libéra la plus ancienne lumière.

Deux histoires qui se rejoignent

Il y a ici une belle rencontre entre deux histoires. La première est celle de la prédiction. En 1948, George Gamow, Ralph Alpher et Robert Herman, que nous avons rencontrés lors de la nuit précédente, calculèrent comment un Univers jeune, chaud et dense pouvait construire des noyaux légers pendant ses premières minutes. Au cours des années suivantes, d’autres physiciens améliorèrent les calculs, en s’appuyant sur de meilleures mesures du comportement des protons et des neutrons. Il fallut de nombreuses années pour mettre au point les détails de leur travail, mais le résultat principal resta le même : l’Univers jeune avait dû produire surtout de l’hydrogène et environ un quart d’hélium.

La seconde histoire commença plus tôt encore, avec une jeune femme nommée Cecilia Payne. Dans les années 1920, elle était étudiante et travaillait dans un observatoire, où elle étudiait la lumière des étoiles. Lors de la nuit des galaxies qui s’éloignent, nous avons vu que la lumière peut être étalée en spectre, une bande de couleurs traversée de raies sombres. Chaque élément y laisse sa propre disposition de raies. Pendant longtemps, les astronomes avaient supposé que, puisque le spectre du Soleil montrait des raies du fer et de nombreux autres éléments, le Soleil devait être fait à peu près des mêmes choses que la Terre.

Payne utilisa des idées nouvelles de la physique pour comprendre comment la température d’une étoile modifie la disposition de ses raies. En en tenant compte, elle parvint à une conclusion stupéfiante. Les étoiles sont faites surtout d’hydrogène et d’hélium. Les éléments plus lourds sont présents, mais seulement en petites quantités. Elle acheva ce travail en 1925. À l’époque, l’idée semblait si improbable qu’un astronome confirmé et respecté la persuada d’écrire que son résultat n’était probablement pas réel. Quelques années plus tard, d’autres astronomes, dont ce même astronome confirmé, parvinrent à la même conclusion par d’autres voies. Payne avait eu raison.

Il vaut la peine de réfléchir un instant à la situation de Payne. Elle était jeune, elle était une femme dans un domaine où peu de femmes avaient le droit de faire ce genre de travail, et son résultat allait à l’encontre de ce que presque tout le monde croyait. Beaucoup, à sa place, auraient abandonné l’idée. Elle n’abandonna pas son travail. Elle fut rigoureuse, elle le publia, et les preuves étaient là pour que d’autres les vérifient. Son résultat est aujourd’hui l’un des fondements de l’astronomie.

Réunissez les deux histoires, et quelque chose de remarquable apparaît. Les physiciens se demandaient ce que les premières minutes avaient dû produire. Les astronomes mesuraient de quoi les étoiles et les nuages de gaz sont réellement faits. Les deux réponses désignent la même chose : un univers fait surtout d’hydrogène, avec environ un quart d’hélium. Quand les astronomes mesurent les plus vieux nuages de gaz et les plus vieilles étoiles, ceux qui ont eu le moins de temps pour être modifiés par des étoiles plus tardives, les quantités concordent bien avec la prédiction.

L’un des indices les plus solides

Lors de la première nuit, ce livre a cité trois indices principaux montrant que l’Univers a eu un commencement chaud et dense. Le premier était que les galaxies s’éloignent les unes des autres. Le deuxième était la plus ancienne lumière. Le troisième est l’histoire de ce soir : les quantités des éléments les plus légers. Ce troisième indice est particulièrement solide parce qu’il s’agit d’un test chiffré. Une théorie qui dit seulement « les choses étaient chaudes autrefois » pourrait s’accorder avec bien des résultats. Une théorie qui dit « environ un quart d’hélium, pas la moitié, pas un dixième » peut être vérifiée, et elle aurait pu échouer.

Elle n’a pas échoué. L’hélium est présent à peu près dans la bonne quantité, partout où les astronomes regardent, dans les vieilles étoiles comme dans le gaz qui se trouve entre les galaxies. Les traces d’hydrogène lourd correspondent elles aussi à la prédiction. Et les nombres tirés de ces éléments légers concordent avec les nombres obtenus, de façon totalement indépendante, à partir des motifs de la plus ancienne lumière. Deux types de mesures très différents, effectués avec des instruments très différents, racontent la même histoire de l’Univers jeune.

Il existe aussi un test que l’on peut faire sur Terre. La construction des noyaux légers dépend de la facilité avec laquelle protons et neutrons s’unissent à une température donnée. Ces taux ne sont pas devinés. Ils sont mesurés dans des laboratoires, où des machines projettent des protons et d’autres particules les uns contre les autres et comptent ce qui en sort. Les calculs des premières minutes utilisent ces nombres mesurés. En ce sens, un petit laboratoire sur Terre et l’Univers jeune tout entier obéissent aux mêmes règles.

Il faut mentionner honnêtement une énigme. La quantité de lithium que les astronomes trouvent dans certaines très vieilles étoiles est plus faible que ce que prédisent les calculs des premières minutes. Les scientifiques cherchent encore pourquoi. Peut-être que quelque chose, à l’intérieur de ces vieilles étoiles, a lentement détruit une partie de leur lithium. Peut-être qu’un élément du calcul doit être amélioré. Cette énigme n’est pas encore entièrement comprise. Mais c’est une petite énigme au sein d’un large accord, et elle ne change pas la représentation générale des toutes premières minutes.

Il est bon de savoir aussi ce que les premières minutes n’ont pas produit. Elles n’ont presque rien fabriqué de plus lourd que le lithium. Il n’y avait ni carbone, ni oxygène, ni fer, ni or. L’Univers issu des premières minutes était très simple : de l’hydrogène, de l’hélium, un peu de leurs proches parents et rien d’autre. Tous les autres éléments, y compris l’oxygène que vous respirez et le carbone de chaque être vivant, ont dû être fabriqués plus tard. Ce travail a été accompli par les étoiles, et leur histoire appartient aux nuits suivantes.

Ainsi, quand vous tenez un verre d’eau, vous tenez deux histoires très différentes. L’oxygène qu’il contient a été fabriqué à l’intérieur d’étoiles, longtemps après le commencement. Mais l’hydrogène, les « deux » des deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène, a été fabriqué pendant les toutes premières minutes, il y a environ 13,8 milliards d’années. Cet hydrogène a séjourné dans des nuages, des étoiles, des comètes, des océans et la pluie. Le voici maintenant dans votre verre.

Avant le sommeil

Avant de dormir, Noor remplit une poche de plus à la réserve d’eau propre et la but lentement près de la fenêtre. En dessous, la Terre était dans la lumière du jour. Elle voyait le bleu d’un océan parsemé de nuages blancs, et le bord d’une côte. Toute cette eau, pensa-t-elle, et dans chaque goutte, le même vieil hydrogène, qui avait attendu pendant des milliards d’années.

Elle écrivit à Sami : « L’eau que tu as déchargée ce soir est très ancienne. L’hydrogène qu’elle contient a été fabriqué pendant les vingt premières minutes de l’Univers. Tes packs étaient plus lourds que tu ne le pensais. » Sami répondit que son dos le lui avait déjà fait savoir, merci bien. Puis il ajouta qu’il regarderait la prochaine bouteille un peu différemment.

Ade, qui l’avait vue écrire, lui demanda ce qu’elle racontait à son frère ce soir. Quand elle le lui expliqua, il resta silencieux un moment, puis dit qu’il avait lu chaque page du manuel de la machine à eau sans jamais penser une seule fois que l’eau était ancienne. Tomás dit que c’était là le problème des experts : ils connaissent une chose si bien qu’ils oublient de s’en étonner.

Demain, ou ce soir, vous remplirez peut-être vous aussi un verre d’eau à la fin de votre journée de travail. Vous n’avez pas besoin de penser à l’Univers à chaque fois. Mais une fois, peut-être, vous pourriez tenir le verre un instant avant de boire. Dans votre main se trouve quelque chose qui a été fabriqué presque au commencement du temps, et qui a fait un très long voyage pour arriver jusqu’à vous.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que tous les éléments ont été fabriqués lors du Big Bang. Cela semble naturel, puisque le Big Bang est le commencement de tout. Mais les premières minutes n’ont produit que les éléments les plus légers : l’hydrogène, l’hélium et une infime quantité de lithium. Les éléments plus lourds, comme le carbone, l’oxygène, le fer et l’or, ont été fabriqués bien plus tard, à l’intérieur des étoiles et lors des événements violents qui marquent la fin de vie de certaines étoiles. L’Univers a commencé simple, et il s’est enrichi au fil du temps.

Beaucoup de gens pensent aussi que l’hélium est un élément rare, parce que sur Terre, la plupart des gens ne le connaissent que par les ballons de fête, et qu’il vient parfois à manquer. En réalité, l’hélium est le deuxième élément le plus répandu de l’Univers, après l’hydrogène. S’il est rare sur Terre, c’est pour une autre raison. L’hélium est très léger et ne s’associe pas aux autres éléments, si bien que tout l’hélium présent dans l’air s’échappe lentement dans l’espace. La plus grande partie de l’hélium que l’on recueille sur Terre vient des profondeurs du sous-sol, où il est lentement produit par la désintégration de certaines sortes d’atomes contenus dans les roches. Dans l’Univers, l’hélium est partout.

Enfin, beaucoup de gens imaginent que les toutes premières minutes relèvent de la pure supposition, puisque personne n’était là pour les voir. Il est vrai que personne n’y a assisté, et il est vrai que certaines questions sur les tout premiers instants restent ouvertes, comme nous le verrons lors de la prochaine nuit. Mais cette partie de l’histoire est l’une des mieux vérifiées de toutes. Elle utilise la même physique que celle que l’on mesure soigneusement dans les laboratoires sur Terre, elle fait des prédictions claires et chiffrées, et ces prédictions concordent avec ce que les astronomes mesurent dans le ciel. Lors de la prochaine nuit, nous remonterons plus loin encore, à une époque où même les protons et les neutrons n’existaient pas, et là, le sol sous nos pieds deviendra beaucoup moins ferme.