La théorie du Big Bang est l’un des plus fascinants et des plus importants concepts de la cosmologie moderne. Elle décrit l’origine et l’évolution de l’Univers, expliquant comment un point infiniment dense et chaud a donné naissance à tout ce que nous voyons aujourd’hui. Comment sommes-nous arrivés là ? D’où venons-nous ? Que s’est-il passé avant l’explosion de ce minuscule atome primordial ? Comment l’Univers va-t-il évoluer ? Pour ce voyage vers les origines de l’Univers, nous allons explorer les principes fondamentaux de la théorie du Big Bang, les preuves qui la soutiennent, et les mystères qui l’entourent.
La naissance de l’Univers : une incroyable explosion
La singularité initiale ou l’instant zéro
Tout aurait commencé il y a environ 13,7 milliards d’années. À cette époque il n’y avait ni matière ni atome. Cela ressemblait à une sorte de bouillon de particules élémentaires énergétiques, constitué de photons, d’électrons et de quarks. Toute cette énergie pure était condensée dans un état de densité infinie où régnait le chaos et la température avoisinait les millions de degrés. La taille de l’Univers n’était alors nullement observable : on pouvait le visualiser comme un point microscopique. C’est ce qu’on appelle la singularité initiale ou l’instant zéro, qui précède l’explosion du Big Bang.
L’inflation cosmique ou l’expansion soudaine de l’Univers
Environ 10⁻³⁵ secondes après l’explosion de ce point dense est chaud, est survenue une incroyable phase d’expansion évoluant plus rapidement que la vitesse de la lumière. Durant un intervalle de temps estimé à 10−34 et 10−32 secondes, l’Univers se met à croître de manière exponentielle multipliant ainsi les distances d’un facteur 1050 ! Lors du Big Bang, les 4 forces fondamentales (la gravitation, la force électromagnétique, l’interaction forte et l’interaction faible) qui régissent les interactions entre les particules élémentaires étaient unifiées. Après cette inflation explosive, ces forces et leurs particules se sont séparées lors du refroidissement de l’Univers et sont subitement réparties à travers tout le cosmos. Cette période est nommée « inflation cosmique » pour la première fois en 1979 par le physicien américain Alan Guth.
Les scientifiques ne savent pas ce qui a provoqué cette inflation ou ce qui l’a alimentée. Les cosmologistes pensent que celle-ci explique de nombreux aspects de l’Univers que nous observons aujourd’hui, comme sa planéité, ou son manque de courbure, sur les plus grandes échelles. Il s’agit de la densité critique ou masse volumique critique, c’est-à-dire la densité d’énergie pour laquelle l’espace-temps est plat à grande échelle. En d’autres termes, un univers dont la densité est égale à la densité critique possède une courbure spatiale nulle. Cependant, dans les dernières données transmises par le satellite Planck lancé en 2009, des astronomes affirment avoir trouvé des indices pointant sur un univers fermé en forme de sphère. Cette étude fut publiée dans la revue Nature Astronomy le 4 novembre 2019.
Le Big Bang expliqué en 8 étapes
- De l’instant 0 à 10-43 seconde après le Big Bang, l’espace et le temps apparaissent simultanément dans une explosion d’énergie. Nous ne connaissons pas exactement l’état de l’Univers après cette explosion mais il est extrêmement chaud et les 4 forces fondamentales sont réunies (la gravitation, la force électromagnétique, l’interaction forte et l’interaction faible).
- À 10-43 seconde, on parle de l’ère unifiée ou Grande Unification. Cette ère marque la séparation entre la gravitation et les autres forces fondamentales. Lors de ce court laps de temps, la matière et l’énergie ne font qu’une et sont sous forme liquide que l’on nomme la masse-énergie.
- À 10-35 seconde, on entre dans la phase de l’inflation, ce moment où l’Univers subit une inflation explosive, pendant laquelle une quantité phénoménale de masse-énergie apparaît. Durant cette étape, l’interaction nucléaire forte se sépare des deux forces fondamentales restantes. L’Univers est alors rempli d’amas d’énergie électromagnétique, les photons (particules élémentaires qui composent la lumière).
- À 10-32 seconde, c’est la fin de l’inflation cosmique. À ce stade, la température de l’Univers atteint 10 trillions de degrés Celsius. L’Univers baigne alors dans un plasma de particules et d’antiparticules (paire de quark/antiquark) connue sous le nom de « plasma de quarks et de gluons » ou QGP pour Quark-Gluon Plasma.
- À 10-12 seconde, c’est la séparation finale : l’interaction faible, responsable de la radioactivité bêta, et l’interaction électromagnétique, à la base de tous les phénomènes électriques, magnétiques, optiques et chimiques se divisent en deux. À ce stade, l’Univers a atteint 100 millions de kilomètres de diamètre.
- À 10-6 seconde, l’Univers s’est refroidi pour que les quarks (briques fondamentales de la matière) commencent à être liés par les gluons pour former des particules composites comme les protons et les neutrons. Par la suite, le refroidissement « gèle » la production de paires hadrons/antihadrons (quarks/antiquarks), et celles qui existent encore s’annihilent. Cependant, un léger excès de matière demeure : plusieurs scénarios tentent d’expliquer cette domination de la matière sur l’antimatière, toujours mystérieuse.
- 3 minutes : Les trois premières minutes cruciales dans l’histoire de l’univers, pendant lesquelles les collisions entre les protons et neutrons commencent à former des noyaux d’hélium-4, puis des noyaux légers tels que les noyaux d’hydrogène, de deutérium, de lithium et de béryllium. L’hélium est le second élément le plus présent dans l’Univers.
- 380 000 ans après le Big bang, les premiers atomes se forment. Les électrons qui ont une charge électrique négative ont été capturés par l’orbite des noyaux, donnant ainsi naissance aux premiers atomes, notamment celui d’hydrogène, qui reste encore aujourd’hui le plus répandu dans l’Univers. Une fois liés, ils ne pouvaient plus interférer avec les photons qui commencèrent à se déplacer librement dans l’espace sous forme de radiations électromagnétiques et la lumière envahit ainsi l’Univers créant le fond diffus cosmologique. À ce stade, l’Univers n’atteint plus que 2 700 degrés Celsius tandis que son diamètre a désormais atteint 100 millions d’années-lumière. Cette date de 380 000 ans correspond à la limite observable de l’Univers.
Selon les scientifiques, les premières étoiles se sont formées à partir de nuages interstellaires composés essentiellement d’hydrogène et d’hélium environ 150-200 millions d’années après le Big Bang.
La théorie du Big Bang est l’un des plus fascinants et des plus importants concepts de la cosmologie moderne. Elle décrit l’origine et l’évolution de l’Univers, expliquant comment un point infiniment dense et chaud a donné naissance à tout ce que nous voyons aujourd’hui.
L’origine de la théorie du Big Bang
Le début de la cosmologie moderne
De 1907 à 1915, le célèbre physicien Albert Einstein travaille depuis quelques années sur la plus grande œuvre de sa carrière : la théorie de la relativité générale (E=mc²), selon laquelle la matière aurait une influence sur le mouvement des astres. Elle énonce notamment que la gravitation n’est pas une force, mais la manifestation de la courbure de l’espace-temps. Einstein soutient alors fermement la thèse d’un univers immuable et statique. Cette découverte majeure marque le début de la cosmologie moderne.
Les preuves d’un Univers en expansion
En 1912, Vesto Slipher, un astronome américain, observe un décalage vers le rouge de certaines galaxies qui suggère qu’elles s’éloignent de nous. Mais ce n’est qu’en 1922 que le physicien et mathématicien russe Alexandre Friedmann découvre que les équations sur la relativité générale d’Einstein permettent la description d’un univers qui n’est pas statique mais dynamique dans le temps, impliquant notamment une « explosion initiale ». Il corrobore ainsi les constatations de Slipher. La thèse d’un univers en constante évolution se répand alors au sein de la communauté scientifique.
Quelques années plus tard, Georges Lemaître, un prêtre et cosmologiste belge, propose à son tour que l’Univers s’est formé à partir d’une seule particule infiniment dense, qu’il baptisa « atome primitif ». En explosant, il suggère que cette particule donna naissance à l’espace, au temps et à l’expansion de l’Univers. En 1927, il publie dans les « Annales de la Société scientifique de Bruxelles » un article dans lequel il s’oppose frontalement au père de la relativité générale, et y suggère au contraire l’idée que celui-ci pourrait bien être en constante évolution.
« Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable », lui lance alors Einstein.
Cette contribution de Lemaître a jeté les bases de ce qui deviendra plus tard connu sous le nom de la théorie du Big Bang. Et en 1933, Einstein adhérait sans réserve à la théorie défendue par le prêtre belge.
La loi de Hubble : des galaxies qui s’éloignent les unes des autres
Deux ans plus tard, les observations de l’astronome américain Edwin Hubble vont lui donner raison. En 1929, il publie ses résultats qui démontrent une relation linéaire entre la distance des galaxies et leur vitesse de récession (vitesse d’éloignement). Le décalage vers le rouge de leur spectre lumineux témoigne que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. Autrement dit, la vitesse de récession est d’autant plus élevée que la galaxie est éloignée dans l’Univers. Cela confirme avec brio l’idée d’une expansion constante telle que proposée par le prêtre belge. Cette étude rebaptisée aujourd’hui sous le nom de loi de Hubble-Lemaître est une preuve cruciale que l’Univers s’étend de plus en plus à mesure du temps.
La nucléosynthèse primordiale : l’explosion d’un atome primitif
Le 1er avril 1948, le physicien et astronome russe George Gamow publie un article avec l’aide de son étudiant Ralph Alpher, définissant l’origine du cosmos comme une « soupe dense de neutrons et de protons ». Ils démontrent ensuite par des calculs qu’une formation d’éléments légers, tels que l’hydrogène, l’hélium et le lithium, s’est constituée dans les premières minutes après l’explosion d’un atome primitif. C’est ce que les scientifiques nomment la nucléosynthèse primordiale.
Cette démonstration scientifique corrobore le concept du Big Bang, terme employé pour la première fois à la radio en 1949 par l’astronome britannique Fred Hoyle. Les observations modernes confirment que les proportions de ces éléments dans le cosmos sont en accord avec les hypothèses théoriques.
La découverte du fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background)
Au cours de l’année 1964, deux astronomes américains, Arno Penzias et Robert Wilson, travaillent sur l’antenne cornet de Holmdel pour les laboratoires Bell. L’objectif de cet antenne construite en 1959 était de détecter l’écho radar de satellites en forme de ballon agissant comme réflecteur. Les deux physiciens avaient pour mission d’observer la Voie lactée à des longueurs d’onde aux alentours de 7 cm. Mais alors qu’ils éliminèrent toutes les sources de bruit d’origine thermique pour mesurer le signal, ils constatèrent un fond sonore équivalent à une température d’environ 3,5 ± 1 Kelvin. En 1965, ils expliquèrent qu’il s’agissait d’un rayonnement électromagnétique diffus et isotrope (qui présente les mêmes propriétés dans toutes les directions), en provenance de l’Univers et apparu peu après le Big Bang : le fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background) ou rayonnement fossile. Il s’agit de la plus ancienne lumière observable de l’Univers. Cette découverte s’est révélée être une confirmation majeure de la théorie du Big Bang, car elle permet d’étayer les travaux menés par Gamow et ses collègues. Les deux américains furent récompensés en 1978 par le prix Nobel de physique pour cette incroyable découverte accidentelle.
Les mystères non résolus autour du Big Bang
Une matière noire qui consoliderait tout
En 1933 l’astrophysicien suisse Fritz Zwicky tente d’expliquer les comportements mystérieux d’objets cosmiques. En étudiant l’amas de galaxies de la Chevelure de Bérénice, il remarqua que la masse gravitationnelle totale des galaxies était bien plus élevée que celle déduite de leur luminosité observable. Il en déduisit qu’une matière invisible devait exercer une force gravitationnelle suffisamment puissante pour maintenir les galaxies rapprochées, autrement elles se disperseraient. Il est le premier à suggérer l’existence d’une matière noire. Malheureusement, les idées de Fritz Zwicky étaient souvent rejetées et considérées comme farfelues par ses pairs à cause de son caractère jugé « détestable ». Ainsi, cette hypothèse ne trouva pas d’écho au sein de la communauté scientifique.
Trente ans plus tard, des astronomes étudièrent le mouvement des étoiles et des gaz dans des galaxies spirales. Et c’est en 1970 que l’astronome américaine Vera Rubin fait sa grande découverte, en étudiant les astres en rotation dans la galaxie d’Andromède. Elle observe que les étoiles situées à la périphérie tournent aussi vite que celles du centre. Ainsi, d’après la théorie d’Albert Einstein, la gravité produite par la matière visible ne pourrait pas les faire tenir ensemble. Logiquement, elles devraient être expulsées par la force centrifuge, qui se manifeste lorsqu’un corps est en mouvement circulaire. Il en est de même pour les amas de galaxies.
C’est pourquoi l’astronome est convaincu qu’intervient un élément invisible : une masse supplémentaire, qui produit le surplus de gravité dont elles ont besoin pour ne pas se démanteler. Elle suppose que la galaxie est entourée d’un halo de matière noire qui affecterait le mouvement des étoiles, tel que le suggérait Fritz Zwicky. Cette matière obscure représenterait un volume six fois supérieur à celui de la matière ordinaire — que l’on nomme également matière baryonique car elle est composée essentiellement de baryons (protons et neutrons). Mais contrairement à cette dernière, elle n’est pas sensible à la force électromagnétique. De ce fait, elle ne peut absorber, refléter ou émettre de la lumière, ce qui la rend extrêmement difficile à détecter.
Aujourd’hui, l’existence de cette matière noire aurait été confirmée depuis que nous sommes capables d’observer le ciel aux rayons X. Des gigantesques nuages de gaz très chauds (quelques dizaines de millions de degrés) ont été détectés dans les amas de galaxies.
L’énergie noire : une puissance mystérieuse à l’origine de l’expansion
L’Univers n’en finit pas de nous surprendre. À partir de 1998, des astrophysiciens découvrent avec stupéfaction que, non seulement ce dernier s’étire, mais que l’expansion est entrée dans une phase d’accélération inexpliquée depuis 6 milliards d’années. À force d’observations, une conclusion s’impose néanmoins : tout se passe comme si le cosmos était empli d’une forme d’énergie sombre de nature inconnue qui, s’opposant à la gravitation, conduit celui-ci à se dilater toujours plus vite.
Cette force invisible, nommée énergie noire par les scientifiques, est insaisissable et impossible à observer. Elle représenterait pourtant 70 % du contenu total en énergie de l’Univers. Depuis, cette énigme hante la cosmologie et les scientifiques tentent de comprendre en vain cette mystérieuse puissance qui pousse notre espace à s’étaler davantage.
L’énergie sombre pourrait représenter une propriété encore inconnue du cosmos et de la gravité, ou bien être constituée de tachyons, des particules hypothétiques se déplaçant plus rapidement que la lumière. Actuellement, la compréhension des chercheurs s’arrête à ce stade, mais grâce à l’émergence de nouvelles technologies, telles que le télescope spatial James Webb, la connaissance de l’univers promet de s’approfondir dans les années à venir !
La théorie du Big Crunch : l’effondrement de l’Univers ou le Big Bang inversé
Et si l’Univers venait à disparaître ? L’expansion semble vouée à se poursuivre indéfiniment, conduisant à une mort froide. Toutefois, une autre hypothèse théorique prévoit que cette expansion pourrait s’inverser, entraînant une contraction et un Big Crunch ou effondrement terminal. Actuellement, cette possibilité est écartée à cause de l’énergie noire qui accélère l’expansion, mais sa nature inconnue pourrait bien changer la compréhension que les scientifiques ont de l’Univers.
Si l’énergie noire n’influençait pas l’expansion et si la densité de matière était double de celle actuellement estimée, la relativité générale prévoit que celle-ci continuerait pendant environ 50 milliards d’années, ralentissant progressivement, jusqu’à atteindre sa taille maximale. Ensuite, l’Univers commencerait à se contracter pendant encore 60 milliards d’années, avec une densité et une température croissantes.
À l’approche du Big Crunch, les amas de galaxies fusionneraient et les galaxies commenceraient à s’interpénétrer, augmentant la température de l’Univers. Lorsque la température atteindrait 3000 degrés, le processus du Big Bang se déroulerait à l’envers : les photons détruiraient les atomes, rendant l’Univers opaque.
Finalement, à des températures de dix millions à dix milliards de degrés, les étoiles et les noyaux atomiques se désintégreraient, et les forces fondamentales se réunifieraient. À un certain point, les conditions deviendraient similaires à celles de l’ère de Planck, une phase que les théories actuelles ne peuvent décrire. Cela pourrait aboutir à une singularité ou à un nouveau Big Bang, créant potentiellement un nouvel univers !
Les premiers instants de l’Univers : un secret encore bien gardé
Qu’y avait-il avant l’instant zéro ? Voilà une des principales questions toujours en suspens. Les conditions exactes et les mécanismes physiques des premiers instants de l’Univers, pendant l’ère de Planck, restent obscurs et font l’objet de recherches intenses. Comprendre ces premiers moments nécessite une théorie unifiée de la gravité quantique, qui n’a pas encore été développée. Car au-delà de cette limite de temps (la plus petite mesure à laquelle nous puissions avoir accès), les lois physiques cessent d’être valides. Les scientifiques sont donc pour l’heure face à un mur, le fameux mur de Planck, qui les empêche de comprendre les tous premiers instants de l’Univers, soit les quelque 10-43 secondes survenues après le Big Bang. A quoi ressemblait l’univers « avant » ce mur ? Peut-on réellement considérer le Big Bang comme l’instant 0 ?
Certaines théories suggèrent même que ce que nous nommons Big Bang ne serait qu’une période de transition entre une phase de contraction et l’expansion que nous observons actuellement. La genèse de l’Univers commencerait alors bien plus tôt ! On l’imagine souvent comme une grosse explosion, mais qui avait-il avant ? Voilà la plus grande énigme de la cosmologie moderne encore non élucidée à ce jour. Il n’est également pas exclu que l’Univers soit né à partir de rien mais cela nous emmènerait au-delà de la physique, d’après Johan Richard, astrophysicien à l’université Claude Bernard de Lyon.
Malgré tout, la théorie du Big Bang a révolutionné notre compréhension de l’Univers, offrant des réponses à certaines de nos interrogations les plus fondamentales sur nos origines. Cependant, elle soulève également de nouvelles questions passionnantes. À mesure que la technologie avance et que les observations scientifiques deviennent plus précises, les chercheurs continuent à approfondir leur connaissance de cet événement cosmique extraordinaire. Et si un jour nous venions à découvrir enfin la vérité, ceci bouleverserait sûrement la vision que nous avons du monde. Les scientifiques pourront-ils vraiment la découvrir un jour ? Selon le physicien et philosophe des sciences Étienne Klein : « Les scientifiques n’ont pas la preuve que l’Univers a une origine mais nous n’avons pas non plus la preuve scientifique qu’il n’en n’a pas eu ! »
