Pour que la vie naisse, une fondation est nécessaire. Notre Univers a synthétisé des noyaux atomiques au stade initial de son histoire. Les noyaux ont piégé des électrons pour former des atomes. Des amas d'atomes ont formé des galaxies, des étoiles et des planètes. Enfin, les créatures vivantes avaient un endroit qu'elles pouvaient appeler chez elles. Nous tenons pour acquis que les lois de la physique permettent l'apparition de telles structures, mais tout pourrait être différent.
Au cours des dernières décennies, de nombreux scientifiques ont fait valoir que si les lois de la physique étaient même légèrement différentes, il n'y aurait pas de structures aussi complexes dans l'espace. Parallèlement à cela, les cosmologistes sont arrivés à la conclusion que notre Univers ne peut faire partie que du Multivers - un vaste ensemble d'univers qui occupent la majeure partie du continuum espace-temps. L'existence d'autres univers offre une opportunité attrayante pour expliquer la justesse apparente des lois de la physique, car les lois changent en fonction de l'univers, et nous vivons dans un univers qui permet la présence d'observateurs, puisque nous ne pourrions vivre nulle part ailleurs.
Les astrophysiciens débattent du concept de réglage fin de l'univers depuis si longtemps que beaucoup en sont venus à prendre pour acquis que notre univers est exceptionnellement adapté à des structures complexes. Même ceux qui sont sceptiques quant à l'hypothèse du multivers acceptent cette hypothèse; ils pensent simplement qu'une autre explication peut être trouvée. En fait, personne n'a clairement montré le réglage fin de l'Univers. Nous ne savons pas exactement quelles lois de la physique sont nécessaires au développement des structures astrophysiques et lesquelles sont nécessaires au développement de la vie. Des travaux récents sur l'évolution stellaire, l'astrophysique nucléaire et la formation des structures ont suggéré que les arguments en faveur d'un réglage fin de l'univers sont moins convaincants qu'on ne le pensait auparavant. Les conditions nécessaires au développement de la vie sont possibles dans d'autres univers, le nôtre n'est donc pas aussi unique qu'il y paraît.
Le premier type de réglage fin de l'Univers est constitué des forces primaires de la nature dans les étoiles agissantes. Si la force électromagnétique était trop grande, la répulsion électrique des protons arrêterait la fusion nucléaire à l'intérieur des étoiles et elles cesseraient de briller. Si l'électromagnétisme était trop faible, les réactions nucléaires deviendraient incontrôlables et les étoiles exploseraient de façon très spectaculaire. Et si la gravité était trop forte, les étoiles s'effondreraient en trous noirs ou ne s'enflammeraient tout simplement jamais.
Mais si vous regardez de plus près, les étoiles sont étonnamment tenaces. La force de l'interaction électrique peut changer au centuple dans les deux sens avant que l'activité de l'étoile ne soit compromise. La force de gravité pourrait devenir cent fois plus ou un milliard de fois moins, et l'étoile continuerait à vivre. Les valeurs admissibles des forces gravitationnelles et électromagnétiques dépendent des forces nucléaires. Si la vitesse de réaction était plus élevée, les étoiles pourraient fonctionner même avec une gamme plus large de forces gravitationnelles et électromagnétiques. Inversement, des réactions nucléaires moins rapides réduiraient cette plage.
Outre ces conditions minimales, l'état des étoiles doit également correspondre à un certain nombre d'autres indicateurs, qui réduisent encore le nombre de valeurs admissibles des forces d'interaction. Les étoiles doivent être chaudes. La température de leurs surfaces doit être suffisamment élevée pour déclencher les réactions chimiques nécessaires au développement de la vie sur la planète. Dans notre univers, les espaces autour de la plupart des étoiles sont assez grands, il y a donc des régions où la température de surface des planètes est maintenue à environ 27,85 ° C, ce qui est suffisant pour supporter la vie. Dans les univers, où les forces électromagnétiques sont plus importantes, les étoiles sont plus froides, ce qui rend difficile le développement de la vie.
Entre autres choses, les étoiles doivent vivre longtemps. L'évolution des formes de vie complexes se déroule sur de vastes périodes de temps. La vie étant guidée par un ensemble complexe de réactions chimiques, l'horloge maîtresse de l'évolution biologique est définie par la chronologie atomique. Dans d'autres univers, les horloges atomiques tourneront à une vitesse différente, en fonction de la force des interactions électromagnétiques, et cette différence doit également être prise en compte. Lorsque la force est faible, les étoiles brûlent le combustible nucléaire plus rapidement, et donc leur durée de vie est réduite.
Last but not least, les étoiles devraient juste se former. Pour que les galaxies, puis les étoiles, se condensent à partir du gaz source, elles doivent pouvoir perdre de l'énergie et se refroidir. La vitesse de refroidissement dépend (encore) des forces électromagnétiques. S'il est trop faible, le gaz ne pourra pas se refroidir assez rapidement et restera dans un état diffus au lieu de se condenser, créant une galaxie. Les étoiles doivent également être plus petites que leurs galaxies d'origine, sinon la formation d'étoiles deviendra problématique. Ces conditions réduisent davantage la force admissible de l'électromagnétisme.
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Il s'avère que les valeurs des forces fondamentales peuvent augmenter ou diminuer de plusieurs ordres de grandeur, et les planètes s'adapteront toujours aux conditions données (comme le montre le diagramme ci-dessous). Ces forces sont moins affinées que ne le pensent de nombreux scientifiques.
Un deuxième exemple du réglage possible de l'univers se présente dans le contexte de la formation de carbone. Après qu'une réaction nucléaire s'est produite dans les noyaux d'étoiles de taille moyenne, convertissant l'hydrogène en hélium, l'hélium lui-même devient du carburant. Dans une séquence complexe de réactions, l'hélium est brûlé en carbone et en oxygène. Parce que les noyaux d'hélium jouent un rôle important en physique nucléaire, ils ont reçu un nom spécial: les particules alpha. Les noyaux les plus courants sont composés d'une, trois, quatre ou cinq particules alpha. Comme vous pouvez le voir, un noyau à deux particules alpha, le béryllium-8, n'existe pas, ce pour quoi il y a une bonne explication: il est instable dans notre univers.
L'instabilité du béryllium rend difficile la formation du carbone. Lorsque les étoiles transforment les noyaux d'hélium en béryllium, les noyaux de béryllium commencent presque immédiatement à se désintégrer en leurs parties constituantes. À tout moment, le noyau d'une étoile contient une petite mais instable quantité de béryllium. Ces noyaux de béryllium rares peuvent interagir avec l'hélium pour former du carbone. Puisque finalement trois noyaux d'hélium participent au processus, on l'appelle le processus triple alpha. Mais cette réaction est trop lente pour produire autant de carbone que dans notre univers.
Pour résoudre ce paradoxe, le physicien Fred Hoyle a prédit en 1953 qu'à une certaine énergie, le noyau de carbone doit avoir un état de résonance: comme s'il s'agissait d'une petite cloche sonnant avec un certain ton. En raison de cette résonance, la vitesse de la réaction de production de carbone est beaucoup plus rapide qu'elle ne pourrait l'être: elle est si élevée qu'elle explique assez bien la grande quantité de carbone trouvée dans notre univers. Plus tard, cette résonance a été mesurée dans un laboratoire avec un niveau d'énergie calculé.
Le souci est que dans d'autres univers avec des forces différentes, l'énergie de cette résonance peut être différente et les étoiles ne produiraient pas assez de carbone. La production de carbone est perturbée si le niveau d'énergie change de plus de 4%. Ce problème est parfois appelé problème de réglage de l'univers triple alpha.
Heureusement, il existe une solution simple à ce problème. Ce que la physique nucléaire emporte, elle le donne. Supposons que la physique nucléaire ait vraiment suffisamment changé pour neutraliser la résonance du carbone. Parmi les changements possibles de cette ampleur, environ la moitié aurait un effet secondaire qui rendrait le béryllium stable, de sorte que la perte de résonance n'aurait pas d'importance. Dans de tels univers alternatifs, le carbone serait produit d'une manière plus logique - en ajoutant des particules alpha une à la fois. L'hélium pourrait être converti en béryllium, qui réagirait alors avec les particules alpha pour former du carbone. En fin de compte, aucun problème d'ajustement n'est nécessaire.
Le troisième exemple d'ajustement possible de l'univers concerne les noyaux les plus simples, constitués de deux particules: un deutéron, qui contient un proton et un neutron, un diproton, qui contient deux protons, et un dineutron, qui se compose de deux neutrons. Dans notre univers, seul le deutérium est stable. L'hélium se forme en y ajoutant deux protons.
Si la force nucléaire était plus grande, le diproton serait stable. Dans ce cas, les étoiles pourraient générer de l'énergie en utilisant les réactions nucléaires les plus simples et les plus rapides, lorsque les protons se combinent pour former des diprotons, puis d'autres isotopes de l'hélium. On soutient parfois que dans ce cas, les étoiles brûleraient leur combustible nucléaire à une vitesse très élevée, ce qui rendrait leur durée de vie trop courte pour supporter la biosphère. Inversement, si la force était moindre, alors le deutérium serait instable et le premier pas vers les éléments lourds serait inaccessible. De nombreux scientifiques ont émis l'hypothèse que l'absence de deutérium stable conduirait à un univers sans éléments lourds, et dans un tel univers, il n'y aurait pas de structures et de vie complexes.
En fait, les étoiles sont des entités incroyablement stables. Leur structure change automatiquement afin de brûler le combustible nucléaire à la vitesse nécessaire pour s'auto-entretenir contre sa propre gravité. Si le taux de réactions nucléaires est plus élevé, les étoiles brûleront leur combustible nucléaire à une température moyenne inférieure, sinon elles ne seraient pas si différentes. En fait, notre univers n'est qu'un exemple de ce genre de comportement. Les noyaux de deutérium peuvent se combiner avec des protons pour former des noyaux d'hélium avec une grande force. L'échantillon de données sur cette réaction, qui détermine la probabilité de son apparition, est un quadrillion de fois plus grand que pour les réactions thermonucléaires conventionnelles de l'hydrogène. Cependant, les étoiles de notre univers brûlent le deutérium de manière assez conventionnelle et sans événement. La température de fonctionnement du noyau d'une étoile est de 1 000 000 K, et pour brûler de l'hydrogène dans des conditions normales, une température de 15 000 000 K est nécessaire. Les étoiles qui brûlent du deutérium ont un centre plus froid et elles sont plus grandes que le soleil, mais à tous autres égards, elles ne sont rien remarquable.
De même, si la force nucléaire était moindre, les étoiles pourraient continuer à fonctionner en l'absence de deutérium stable. Plusieurs autres processus fournissent des moyens par lesquels les étoiles peuvent générer de l'énergie et synthétiser des éléments lourds. Au cours de la première partie de leur vie, les étoiles s'épaississent lentement, leur noyau devient plus chaud et plus dense, et elles brillent avec la puissance du soleil. Les étoiles de notre univers deviennent finalement si chaudes et denses qu'elles peuvent commencer la fusion nucléaire, mais dans des univers alternatifs, elles peuvent continuer à se contracter et à générer de la force par la perte d'énergie potentielle gravitationnelle. Les étoiles les plus anciennes pourraient briller avec une puissance de rayonnement comparable à celle du soleil pendant jusqu'à 1 milliard d'années, ce qui serait probablement suffisant pour l'évolution biologique.
Si les étoiles sont très grandes, la compression augmente et conduit à l'effondrement. Ces corps stellaires sont essentiellement des supernova. Leur température moyenne et leur densité augmentent à des valeurs si élevées que les réactions nucléaires commencent. Dans l'agonie de la mort, de nombreuses réactions nucléaires différentes ont lieu avec les étoiles. Ce processus de nucléosynthèse explosive peut fournir à l'univers des noyaux lourds malgré l'absence de deutérium.
Lorsqu'un tel univers contient même une petite quantité d'éléments lourds, une génération ultérieure d'étoiles a une autre option pour les réactions nucléaires. Ce processus, appelé cycle CNO (cycle carbone-azote-oxygène), ne nécessite pas de deutérium comme état de transition. Au lieu de cela, le carbone agit comme un catalyseur pour la formation d'hélium. Ce cycle a lieu dans les entrailles du soleil et ne représente qu'une petite partie de toute son énergie. En l'absence de deutérium stable, le cycle CNO domine la production d'énergie. Et les options de production d'énergie nucléaire ne s'arrêtent pas là. Les étoiles peuvent également produire de l'hélium par une réaction à triple nucléon, qui est globalement similaire au processus triple alpha de formation de carbone. Ainsi, dans des univers alternatifs, les étoiles ont de nombreux canaux, à la fois pour l'énergie et pour les noyaux complexes.
Un quatrième exemple de réglage fin concerne la formation de galaxies et d'autres structures à grande échelle. Ils ont initié les oscillations de faible densité, qui se sont produites aux premiers instants du temps cosmique. Une fois l'univers suffisamment refroidi, ces vibrations ont commencé à devenir plus fortes sous l'influence de la gravité, et finalement les régions les plus denses sont devenues des galaxies et des groupes de galaxies. Au début, les oscillations avaient une petite amplitude Q égale à 0,00001. Ainsi, l'univers primitif était incroyablement lisse: la densité, la température et la pression dans les régions les plus denses et les plus raréfiées ne différaient que de quelques centaines de millièmes. La valeur Q illustre un autre réglage fin possible dans l'univers.
Si Q était plus bas, les oscillations prendraient plus de temps pour devenir suffisamment fortes pour se transformer en structures cosmiques, et les galaxies seraient moins denses. Lorsque la densité d'une galaxie est trop faible, le gaz qu'elle contient ne peut pas se refroidir. Il ne peut jamais se condenser en disques galactiques ou se fondre en étoiles. Les galaxies de faible densité ne sont pas des habitats appropriés. Pour aggraver les choses, un délai suffisamment long pourrait empêcher la formation de galaxies. Il y a 4 milliards d'années, l'expansion de l'univers a commencé à s'accélérer et à étirer la matière plus vite qu'elle ne pouvait en recueillir. Ce changement de vitesse est généralement associé à une mystérieuse énergie sombre. Si Q était trop petit, il faudrait tant de temps aux galaxies pour s'effondrer,que l'accélération commencerait avant l'achèvement de la formation des structures et que toute croissance ultérieure serait supprimée. L'univers pourrait rester sans vie et dépourvu de complexité. Pour éviter que cela ne se produise, la valeur de Q ne peut pas être inférieure à la nôtre de plus de 10 fois.
Et si Q était plus grand? Les galaxies se formeraient plus tôt et seraient plus denses. Cela constituerait également une menace pour l'habitabilité potentielle. Les étoiles seraient beaucoup plus proches les unes des autres et interagiraient plus souvent. Dans le processus, ils pourraient jeter des planètes hors des orbites et les envoyer dans l'espace extra-atmosphérique. De plus, comme les étoiles seraient plus proches, le ciel nocturne serait plus lumineux, peut-être aussi brillant que le jour. Le fond étoilé serait trop dense, la lumière combinée des étoiles pourrait faire bouillir les océans de toute planète autrement habitable.
Dans ce cas, l'argument du réglage fin n'est pas très convaincant. Les régions centrales des galaxies pourraient en effet émettre un rayonnement de fond si fort que toutes les planètes seraient inhabitées. Mais à la périphérie des galaxies, la densité serait toujours suffisamment faible pour que les planètes habitables survivent. Une grande partie de l'espace galactique reste viable, même si Q est des milliers de fois plus grand que dans notre univers. Dans certains cas, cette galaxie peut être encore plus bénigne. À travers la galaxie, le ciel nocturne pourrait être aussi brillant que la lumière du soleil que nous voyons sur Terre pendant la journée. Les planètes recevraient leur énergie vitale de nombreuses étoiles lointaines, et pas seulement de leur soleil. Ils pourraient être situés sur presque n'importe quelle orbite. Dans un univers alternatif avec des vibrations de densité plus élevée que le nôtre,même Pluton aurait autant de lumière du jour que Miami. En conséquence, une galaxie relativement dense pourrait avoir plus de planètes habitables que la Voie lactée.
En bref, les paramètres de notre univers pourraient différer des dizaines de fois, et il y aurait encore des étoiles fonctionnelles et des planètes potentiellement habitables. La force de gravité aurait été mille fois plus forte, ou un milliard de fois plus faible, mais les étoiles fonctionnaient toujours comme un moteur durable de combustion nucléaire. La force électromagnétique serait cent fois plus forte ou plus faible. Les taux de réactions nucléaires varieraient plusieurs fois. La physique stellaire alternative pourrait créer des éléments lourds qui constituent le principal matériau de départ pour les planètes et les humains. De toute évidence, les paramètres qui déterminent la structure des étoiles et leur évolution ne sont pas affinés.
Étant donné que notre univers ne semble pas particulièrement affiné, peut-on dire que notre univers est le meilleur pour le développement de la vie? Notre compréhension actuelle dit non. On pourrait facilement imaginer un univers plus convivial, et peut-être plus logique. Un univers avec des vibrations de densité initiale plus élevées créerait des galaxies plus denses qui pourraient supporter plus de planètes habitables que les nôtres. Dans un univers avec du béryllium stable, des canaux directs de production de carbone pourraient exister sans la nécessité d'une réaction complexe de triple hélium. Bien que ces questions soient encore explorées, nous comprenons déjà que les univers ont de nombreux chemins vers des structures et une biologie complexes, et certains peuvent être plus enclins à la vie que le nôtre. À la lumière de ces généralisations, les astrophysiciens devraient reconsidérer les conséquences possibles du multivers,y compris le degré de réglage fin dans notre.
Fred Adams est professeur de physique à l'Université du Michigan à Ann Arbor. Lauréate du prix Helena Warner de l'American Astronomical Society, du prix Young Investigator de la National Science Foundation et de nombreux prix de l'Université du Michigan. Co-auteur du livre Five Ages of the Universe. Au plus profond de la physique de l'éternité ».