Big bang

Big bang

Le Big Bang est l’epoque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards d’annees, ainsi que l’ensemble des modeles cosmologiques qui la decrivent, sans que cela prejuge de l’existence d’un « instant initial » ou d’un commencement a son histoire. Cette phase marquant le debut de l’expansion de l’univers, abusivement comparee a une explosion, a ete designee pour la premiere fois sous ce terme expressif de Big Bang par le physicien anglais Fred Hoyle.

Hoyle lui-meme proposait un autre modele cosmologique, alors en concurrence avec le Big Bang, mais aujourd’hui abandonne, la theorie de l’etat stationnaire, dans lequel l’univers n’a pas connu de phase dense et chaude. L’expression Big Bang est devenue le nom scientifique et vulgarise de l’epoque d’ou est issu l’univers tel que nous le connaissons.

Le concept general du Big Bang, a savoir que l’univers est en expansion et a ete plus dense et plus chaud par le passe, doit sans doute etre attribue au russe Alexandre Friedmann et au pretre catholique belge Georges Lemaitre qui respectivement en 1922 et 1927 decrivirent dans les grandes lignes l’expansion de l’univers, avant que celle-ci ne soit mise en evidence par Edwin Hubble en 1929. Son assise definitive ne fut cependant

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etablie qu’en 1965 avec la decouverte du fond diffus cosmologique, le « pale echo lumineux du Big Bang » selon les termes de Georges Lemaitre, ui attesta de facon definitive la realite de l’epoque dense et chaude de l’univers primordial. Introduction Selon le modele du Big Bang, l’univers actuel a emerge d’un etat extremement dense et chaud il y a un peu plus de 13 milliards et demi d’annees. La decouverte de la relativite generale par Albert Einstein en 1915 marque le debut de la cosmologie moderne. Einstein ajoute implicitement une hypothese qui parait aujourd’hui nettement moins justifiee, celle que l’univers est statique, c’est-a-dire n’evolue pas avec le temps..

L’avenir lui donne tort, car dans les annees 1920, Edwin Hubble decouvre la nature extragalactique de certaines « nebuleuses » (aujourd’hui appelees galaxies), puis leur eloignement de la Galaxie avec une vitesse proportionnelle a leur distance, c’est la loi de Hubble (Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle semble s’eloigner rapidement. ) Des lors, plus rien ne justifie l’hypothese d’un univers statique postulee par Einstein.

Avant meme la decouverte de Hubble, plusieurs physiciens dont Willem de Sitter, Georges Lemaitre et Alexandre Friedmann decouvrent d’autres solutions de la relativite generale decrivant un univers en expansion. Leurs modeles sont alors immediatement acceptes des la decouverte de l’expansion de l’univers. Big Bang ou etat stationnaire ? [modifier] La decouverte de l’expansion de l’univers prouve que celui-ci n’est pas statique, mais laisse place a plusieurs interpretations possibles : soit il y a conservation de la matiere (hypothese a priori la plus realiste), et donc dilution de celle-ci dans le mouvement d’expansion, et dans ce cas l’univers etait plus dense par le passe : c’est le Big Bang ; * soit on peut imaginer a l’inverse que l’expansion s’accompagne d’une creation (voire d’une disparition) de matiere. Dans ce cadre-la, l’hypothese la plus esthetique est d’imaginer un phenomene de creation continue de matiere contrebalancant exactement sa dilution par l’expansion. Un tel univers serait alors stationnaire.

Dans un premier temps, c’est cette seconde hypothese qui a ete la plus populaire, bien que le phenomene de creation de matiere ne soit pas motive par des considerations physiques. L’une des raisons de ce succes est que dans ce modele, appele theorie de l’etat stationnaire, l’univers est eternel. A l’inverse, dans l’hypothese du Big Bang, l’univers a un age fini, que l’on deduit directement de son taux d’expansion (voir equations de Friedmann). Dans les annees 1940, le taux d’expansion de l’univers etait tres largement surestime, ce qui conduisait a une importante sous-estimation de l’age de l’univers.

Or diverses methodes de datation de la Terre indiquaient que celle-ci etait plus vieille que l’age de l’univers estime par son taux d’expansion. Les modeles de type Big Bang etaient donc en difficulte vis-a-vis de telles observations. Ces difficultes ont disparu par la suite par une reevaluation plus precise du taux d’expansion de l’univers. Preuves observationnelles [modifier] Vision d’artiste du satellite WMAP collectant les donnees afin d’aider les scientifiques a comprendre le Big Bang

Deux preuves observationnelles decisives ont definitivement donne raison aux modeles de Big Bang : il s’agit de la detection du fond diffus cosmologique, rayonnement de basse energie (domaine micro-onde) vestige de l’epoque chaude de l’histoire de l’univers, et la mesure de l’abondance des elements legers, c’est-a-dire des abondances relatives de differents isotopes de l’hydrogene, de l’helium et du lithium qui se sont formes pendant la phase chaude primordiale. Ces deux observations remontent au debut de la seconde moitie du XXe siecle, et ont definitivement assis le Big Bang comme le modele decrivant l’univers observable

Le fond diffus cosmologique [modifier] : Fond diffus cosmologique. rayonnement electromagnetique issu de l’epoque dense et chaude qu’a connue l’Univers par le passe Le fond diffus cosmologique, decouvert en 1965 est le temoin le plus direct du Big Bang. Depuis, ses fluctuations ont ete etudiees par les sondes spatiales COBE (1992) et WMAP (2003). L’expansion induit naturellement que l’univers a ete plus dense par le passe. A l’instar d’un gaz qui s’echauffe quand on le comprime, l’univers devait aussi etre plus chaud par le passe.

Entre autres, l’univers doit etre empli d’un rayonnement qui perd de l’energie du fait de l’expansion Le fond diffus cosmologique correspond a un rayonnement a basse temperature (2,7 kelvins), Bien que correspondant a un rayonnement a basse temperature et peu energetique, le fond diffus cosmologique n’en demeure pas moins la plus grande forme d’energie electromagnetique de l’univers : pres de 96 % de l’energie existant sous forme de photons est dans le rayonnement fossile, les 4 % restants resultant du rayonnement des etoiles (dans le domaine visible) et du gaz froid dans les galaxies (en infrarouge).

Ces deux autres sources emettent des photons certes plus energetiques, mais nettement moins nombreux. La decouverte du fond diffus cosmologique fut historiquement la preuve decisive du Big Bang. La nucleosynthese primordiale Des la decouverte de l’interaction forte et du fait que c’etait elle qui etait la source d’energie des etoiles, s’est posee la question d’expliquer l’abondance des differents elements chimiques dans l’univers. Au tournant des annees 1950 deux processus expliquant cette abondance etaient en competition : la nucleosynthese stellaire et la nucleosynthese primordiale.

Les tenants de la theorie de l’etat stationnaire supposaient que de l’hydrogene etait produit constamment au cours du temps, et que celui-ci etait peu a peu transforme en helium puis en elements plus lourds au c? ur des etoiles. A l’inverse, les tenants du Big Bang supposaient que tous les elements, de l’helium a l’uranium avaient ete produits lors de la phase dense et chaude de l’univers primordial. La these actuelle emprunte a chaque hypothese :

D’apres celle-ci, l’helium et le lithium ont effectivement ete produits pendant la nucleosynthese primordiale(Selon ce modele, lors des premiers instants de l’univers, grace a la chaleur de l’ordre du milliard de degres, des atomes legers se seraient formes par les interactions de particules elementaires) , mais les elements plus lourds, comme le carbone ou l’oxygene, ont ete crees plus tard au c? ur des etoiles (nucleosynthese stellaire L’evolution des galaxies [modifier] Article detaille : Evolution des galaxies. Le modele du Big Bang presuppose que l’univers ait ete par le passe dans un etat bien plus homogene qu’aujourd’hui.

La preuve en est apportee par l’observation du fond diffus cosmologique dont le rayonnement est extraordinairement isotrope : les ecarts de temperature ne varient guere plus d’un cent-millieme de degre selon la direction d’observation. Le Big Bang predit donc que les galaxies que nous observons se sont formees quelque temps apres le Big Bang, et d’une maniere generale que les galaxies du passe ne ressemblaient pas exactement a celles que l’on observe dans notre voisinage. Comme la lumiere voyage a une vitesse finie, il suffit de regarder des objets lointains pour voir a quoi ressemblait l’univers par le passe.

Chronologie a rebours du Big Bang [modifier] Le scenario de l’expansion de l’univers depuis le Big Bang jusqu’a nos jours Du fait de l’expansion, l’univers etait par le passe plus dense et plus chaud. La chronologie du Big Bang revient essentiellement a determiner a rebours l’etat de l’univers a mesure que sa densite et sa temperature augmentent dans le passe. L’univers aujourd’hui (+ 13,7 milliards d’annees) [modifier] L’univers est a l’heure actuelle extremement peu dense (quelques atomes par metre cube) et froid (2,73 kelvins, soit -271 °C).

En effet, s’il existe des objets astrophysiques tres chauds (les etoiles), le rayonnement ambiant dans lequel baigne l’univers est tres faible. Ceci provient du fait que la densite d’etoiles est extremement faible dans l’univers : la distance moyenne d’un point quelconque de l’univers a l’etoile la plus proche est immense. L’observation astronomique nous apprend de plus que les etoiles ont existe tres tot dans l’histoire de l’univers : moins d’un milliard d’annees apres le Big Bang, etoiles et galaxies existaient deja en nombre. Cependant, a des epoques encore plus reculees elles n’existaient pas encore.

Si tel avait ete le cas, le fond diffus cosmologique porterait les traces de leur presence. Quelques idees fausses sur le Big Bang [modifier] Le Big Bang ne se refere pas a un instant « initial » de l’histoire de l’univers Il indique seulement que celui-ci a connu une periode dense et chaude. De nombreux modeles cosmologiques decrivent de facons tres diverses cette phase dense et chaude. Le statut de cette phase a d’ailleurs ete soumis a maints remaniements. Dans un des ses premiers modeles, Georges Lemaitre proposait un etat initial dont la matiere aurait la densite de la matiere nucleaire (1015 g/cm3).

Lemaitre considerait (avec raison) qu’il etait difficile de pretendre connaitre avec certitude le comportement de la matiere a de telles densites, et supposait que c’etait la desintegration de ce noyau atomique geant et instable qui avait initie l’expansion (hypothese de l’atome primitif, voir l’article en question). Auparavant, Lemaitre avait en 1931 fait remarquer que la mecanique quantique devait invariablement etre invoquee pour decrire les tout premiers instants de l’histoire de l’univers, jetant par la les bases de la cosmologie quantique, et que les notions de temps et d’espace perdaient probablement leur caractere usuel[8].

Aujourd’hui, certains modeles d’inflation supposent par exemple un univers eternel, d’autres modeles comme celui du pre Big Bang supposent un etat initial peu dense mais en contraction suivi d’une phase de rebond, d’autres modeles encore, bases sur la theorie des cordes, predisent que l’univers observable n’est qu’un objet appele « brane » (tire du mot anglais membrane, identique a sa traduction francaise) plonge dans un espace a plus de quatre dimensions (le « bulk »), le big bang et le demarrage de l’expansion etant dus a une collision entre deux branes (univers ekpyrotique).

Cependant, c’est lors de cette phase dense et chaude que se forment les particules elementaires que nous connaissons aujourd’hui, puis, plus tard toutes les structures que l’on observe dans l’univers. Ainsi reste-t-il legitime de dire que l’univers est ne du Big Bang, au sens ou l’univers tel que nous le connaissons s’est structure a cette epoque. Le Big Bang n’est pas une explosion, il ne s’est pas produit « quelque part » Le Big Bang ne s’est pas produit en un point d’ou aurait ete ejectee la matiere qui forme aujourd’hui les galaxies, contrairement a ce que son nom suggere et a ce que l’imagerie populaire vehicule souvent.

A l’epoque du Big Bang les conditions qui regnaient partout dans l’univers (du moins la region de l’univers observable) etaient identiques. Il est par contre vrai que les elements de matiere s’eloignaient alors tres rapidement les uns des autres, du fait de l’expansion de l’univers. Le terme de Big Bang renvoie donc a la violence de ce mouvement d’expansion, mais pas a un lieu privilegie. En particulier il n’y a pas de « centre » du Big Bang ou de direction privilegiee dans laquelle il nous faudrait observer pour le voir.

C’est l’observation des regions lointaines de l’univers (quelle que soit leur direction) qui nous permet de voir l’univers tel qu’il etait par le passe (car la lumiere voyageant a une vitesse finie, elle nous fait voir des objets lointains tels qu’ils etaient a une epoque reculee, leur etat actuel nous etant d’ailleurs inaccessible) et donc de nous rapprocher de cette epoque. Ce qu’il nous est donne de voir aujourd’hui n’est pas l’epoque du Big Bang lui-meme, mais le fond diffus cosmologique, sorte d’echo lumineux de cette phase chaude de l’histoire de l’univers.

Ce rayonnement est essentiellement uniforme quelle que soit la direction dans laquelle on l’observe, ce qui indique que le Big Bang s’est produit de facon extremement homogene dans les regions qu’il nous est possible d’observer. La raison pour laquelle il n’est pas possible de voir jusqu’au Big Bang est que l’univers primordial est opaque au rayonnement du fait de sa densite elevee, de meme qu’il n’est pas possible de voir directement le centre du Soleil mais que l’on ne peut observer que sa surface. Voir l’article fond diffus cosmologique pour plus de details. Statut actuel [modifier]

Les progres observationnels constants dans le domaine de la cosmologie observationnelle donnent une assise unanimement consideree comme definitive au Big Bang, du moins parmi les chercheurs travaillant dans le domaine[18]. Il n’existe d’autre part aucun modele concurrent serieux au Big Bang. Le seul qui ait jamais existe, la theorie de l’etat stationnaire, est aujourd’hui completement marginal du fait de son incapacite a expliquer les observations elementaires du fond diffus cosmologique, de l’abondance des elements legers et surtout de l’evolution des galaxies.

Ses auteurs se sont d’ailleurs finalement resignes a en proposer au debut des annees 1990 une version significativement differente, la theorie de l’etat quasi-stationnaire, qui comme son nom ne l’indique pas comporte un cycle de phases denses et chaudes, lors desquelles les conditions sont essentiellement semblables a celles du Big Bang. Il n’existe desormais pas d’argument theorique serieux pour remettre en cause le Big Bang. Celui-ci est en effet une consequence relativement generique de la theorie de la relativite generale qui n’a a l’heure actuelle (2009) pas ete mise en defaut par les observations [19].

Remettre en cause le Big Bang necessiterait donc soit de rejeter la relativite generale (malgre l’absence d’elements observationnels allant dans ce sens), soit de supposer des proprietes extremement exotiques d’une ou plusieurs formes de matiere. Meme dans ce cas il semble impossible de nier que la nucleosynthese primordiale ait eu lieu, ce qui implique que l’univers soit passe par une phase un milliard de fois plus chaude et un milliard de milliards de milliards de fois plus dense qu’aujourd’hui.

De telles conditions rendent le terme de Big Bang legitime pour parler de cette epoque dense et chaude. De plus, les seuls modeles realistes permettant de rendre compte de la presence des grandes structures dans l’univers supposent que celui-ci a connu une phase dont les temperatures etaient entre 1026 et 1029 fois plus elevees qu’aujourd’hui. Ceci etant, il arrive que la presse scientifique grand public se fasse parfois l’echo de telles positions marginales[14],[17]. Il est par contre faux de dire que l’integralite du scenario decrivant cette phase dense et chaude est comprise.

Plusieurs epoques ou phenomenes en sont encore mal connus, comme en particulier celle de la baryogenese, qui a vu se produire un leger exces de matiere par rapport a l’antimatiere avant la disparition de cette derniere, ainsi que les details de la fin de la phase d’inflation (si celle-ci a effectivement eu lieu), en particulier le prechauffage et le rechauffage : si les modeles de Big Bang sont en constante evolution, le concept general est en revanche tres difficilement discutable. « acquerir un perfectionnement plus profond de l’image astronomique de l’univers ».