Crise de la cosmologie

L’origine de la théorie du Big Bang est l’observation des décalages vers le rouge des raies spectrales des astres. En observant des astres proches, Hubble a montré que leur "rougissement" est proportionnel à leur distance. En appliquant la loi de Hubble à des astres très rougis, et en supposant que ce rougissement soit dû à un effet Doppler, on trouve que l’Univers devait être très petit il y a environ 13 milliards d’années. De nombreuses observations contredisent la théorie initiale du Big Bang, par exemple :

- On observe des éléments lourds dans des astres très lointains ( donc très jeunes lorsqu’ils ont émis leur spectre), alors qu’on pensait que ces éléments étaient produits dans de vieilles étoiles. Un nouveau processus de génération de ces éléments a dû être inventé.
- Dans les spectres d’astres appelés "quasars" (quasi-stars), la raie de l’hydrogène "Lyman alpha" et quelques autres raies apparaissent avec des rougissements périodiques. Il faut supposer que ces raies sont absorbées par des nuages d’hydrogène situés entre l’astre et nous, pour obtenir de nombreux décalages spectraux proportionnels à la distance. Pour donner des raies fines, ces nuages doivent être assez minces, contraints par une "matière noire" inventée à cet effet et mystérieuse ; pis, du fait des périodicités, les nuages se trouvent sur des sphères, de sorte que la Terre est à nouveau le centre du monde...
- Certains atomes émettent des ensembles de raies nommés "multiplets" ; toutes les raies d’un multiplet ont ainsi la même origine, mais les variations relatives des fréquences des multiplets émises par des quasars ne sont pas strictement égales, comme elles le seraient par un effet Doppler ou d’expansion de l’Univers.
- Halton Arp a observé des alignements de quasars avec une galaxie. Le nombre de ces alignements est trop grand pour qu’ils résultent d’un hasard, par projection des images des astres sur la voûte céleste : ces astres sont alignés dans l’espace. Mais le rougissement d’une de ces galaxies est beaucoup plus faible que le rougissement des quasars associés, qui ont ainsi nécessairement un "rougissement intrinsèque" non lié à la distance. Par ailleurs, les objets observés au voisinage de quasars sont beaucoup plus rouges que des objets analogues situés ailleurs.

La plupart des participants au colloque jugent qu’il faut ajouter beaucoup trop d’hypothèses ad hoc à la théorie du Big Bang pour qu’elle puisse être considérée comme fiable. Pour obtenir une théorie alternative, deux problèmes doivent être résolus :

- Il faut trouver une théorie de l’évolution des astres. Des recherches faisant appel à l’évolution de plasma en présence de champs magnétiques ont été présentées ; la complexité du problème n’en permet pas une exposition simple.
- Il faut trouver un mécanisme de rougissement susceptible d’être confondu avec un effet Doppler par interaction de la lumière avec la matière au cours de sa propagation. On a longtemps cherché un tel effet sans penser aux interactions "paramétriques".

Les interactions paramétriques entre des faisceaux de lumière réfractés simultanément par une matière transparente obéissent à deux critères :
- elles sont "spatialement cohérentes", de sorte que les faisceaux de lumière restent bien définis, les images restent nettes.
- la matière qui permet des interactions revient à son état initial après une interaction ; les lois de la thermodynamique sont respectées.

L’interaction paramétrique la plus connue ne fait intervenir qu’un faisceau de lumière, c’est la réfraction. On connaît surtout le résultat d’autres effets paramétriques : génération de faisceaux de fréquences doubles ou triples de la fréquence d’un faisceau laser, plus généralement combinaisons de fréquences. Mais, à l’exception de la réfraction, ces effets ne sont observés qu’avec des appareillages complexes et des sources laser.

En 1968, deux auteurs ont indépendamment observé des variations de fréquence par transfert d’énergie entre faisceaux de lumière. Les impulsions laser qui transmettent l’information (téléphone, Internet...) dans les fibres optiques sont rougies au cours de leur propagation par transfert d’énergie vers le rayonnement thermique ambiant. La théorie de ces expériences (souvent involontaires et gênantes) s’applique à la lumière naturelle, mais seulement dans des milieux très particuliers : en pratique, un gaz raréfié contenant de l’hydrogène atomique excité.

Tous les problèmes de rougissement cités ci-dessus s’expliquent immédiatement par la présence d’hydrogène atomique excité :
- Une grande partie des spectres des quasars, dite "forêt Lyman", est constituée de raies fines dont les fréquences se déduisent du spectre de l’hydrogène atomique ; ces raies sont simplement engendrées par la propagation de la lumière dans de l’hydrogène atomique, à une température de quelques dizaines de Kelvins.
- Pour interpréter aussi le reste des spectres des quasars, il suffit de supposer qu’un quasar est un "micro-quasar" plongé dans un nuage d’hydrogène. Les micro-quasars sont des astres bien connus dans les galaxies ; ce ne sont pas des astres énormes, seulement des résidus de vieilles étoiles.
- Comme tout effet optique, les effets paramétriques sont sujets à une dispersion : il est normal que les variations relatives de fréquence observées dans les multiplets de raies émis par les quasars ne soient constants qu’en première approximation.
- L’excitation d’hydrogène par l’ultraviolet lointain émis par les quasars rend ce gaz susceptible de transférer de l’énergie entre faisceaux d’ondes électromagnétiques, rougissant la lumière. Une intensité ultraviolette plus grande au voisinage des quasars qu’au voisinage des galaxies rougit plus les spectres des quasars que ceux des galaxies. Il n’est évidemment pas indispensable que les astres soient alignés comme dans les systèmes d’Arp.
- Le "vent solaire" est un flux de protons et d’électrons émis par la couronne solaire (il est à l’origine des aurores boréales). Au delà de 5 unités astronomiques (UA : distance de la Terre au Soleil), électrons et protons du vent solaire se combinent en hydrogène atomique excité, qui autorise un transfert d’énergie de la lumière solaire vers les ondes radio et le rayonnement thermique ambiant.

Ce transfert a deux conséquences observées :
- Les fréquences des signaux radio reçus des sondes lointaines (Pioneer 10 et 11 en particulier) sont trop élevées, ce qui a l’apparence d’une "accélération anormale" de ces sondes
- Les fluctuations du rayonnement thermique à 2,7 K sont liées à l’écliptique car le vent solaire est émis de façon anisotrope par le Soleil.