The Big Bang

La théorie du Big Bang !

Imaginons que vous soyez un scientifique fou qui veut jouer les Dieux, et que vous vouliez que votre prochaine création soit un nouvel univers qui imite le notre. Comment vous y prendriez-vous ?

Selon la théorie du Big Bang, il faudrait commencer par ce que les scientifiques appellent la singularité gravitationnelle. Il s’agit d’un point infiniment compact, infiniment dense, infiniment chaud et sans dimensions, contenant l’ensemble de l’espace, du temps, de l’énergie et de la matière. C’est un point où notre conception actuelle de l’espace-temps et où nos lois de la physique en général n’ont plus de sens. Avec le temps, cette singularité commence à se dilater et à se refroidir.

L’expansion expliquée uniquement par la théorie du Big Bang ne conduirait pas à un univers comme le notre, car cette théorie laisse plusieurs questions sans réponse, notamment :

  • Le problème de l’horizon: Pourquoi le fond diffus cosmologique (CMB en anglais), qui est le résidu du rayonnement des premiers instants du Big Bang que nous pouvons encore détecter, a-t-il la même température — à 10-5 kelvins près — dans toutes les directions ? Alors qu’il ne s’est pas écoulé assez de temps pour que l’information relative à la température circule d’une extrémité à l’autre sans aller plus vite que la vitesse de la lumière ?
  • Le problème de platitude: Pourquoi observe-t-on l’effet « Boucles d’or » ? En d’autres termes, comment se fait-il que la densité de matière et d’énergie soit exactement la bonne pour que l’univers soit plat ? S’il était ne serait-ce qu’un peu plus dense, l’univers s’effondrerait sur lui-même dans un Big Crunch, et s’il était moins dense, il deviendrait trop clairsemé pour que des structures comme les galaxies puissent se former.
  • Baryogenèse: Pourquoi y a-t-il une prédominance de la matière sur l’antimatière alors que l’on pensait que la densité initiale était égale pour toutes les particules ?
  • Fluctuations de densité: Comment ces poches de plus forte densité dans lesquelles les galaxies et leurs amas se sont formés par la suite, ont-elles été créées ?
  • Reliques manquantes : Où sont les particules lourdes et stables, comme les monopôles magnétiques, alors que les théories de jauge unifiées prédisent qu’elles devraient être présentes sous forme de reliques du Big Bang même de nos jours, puisqu’elles auraient dû survivre à l’annihilation ?

Afin de répondre à certaines de ces questions, la théorie de l’inflation a été introduite par Alan Guth en 1980. Selon cette théorie, dans les premières 10-37 à 10-32 secondes du « Big Bang », l’univers s’est dilaté de façon exponentielle jusqu’à 1026 fois sa taille initiale ! Cette théorie explique d’un coup la plupart des questions anticipées par la théorie du Big Bang. Elle explique que les régions du fond diffus cosmologique qui semblent extrêmement éloignées ne sont pas déconnectées causalement, mais qu’elles ont été connectées avant que l’inflation n’ait lieu, et qu’elles ont pour cette raison la même température. L’inflation aurait alors fait apparaitre les régions comme étant beaucoup plus éloignées dans le rayonnement CMB. Cela résout le problème de l’horizon.

Passons maintenant au problème de la platitude. L’inflation suggère que l’univers est tellement grand, en fait 1023 fois plus grand que l’univers observable, que sa géométrie en devient presque plate, tout comme la Terre nous semble plate parce que, à notre échelle, nous ne pouvons pas percevoir sa courbure. Cela résout également le problème des reliques manquantes dans la mesure où l’immense taille de l’univers fait que la probabilité de trouver de telles reliques est minuscule. Le modèle inflationnaire permet également d’expliquer la présence des fluctuations de densité à l’aide d’un concept que l’on appelle les fluctuations quantiques qui se sont produites à des échelles subatomiques aux tout premiers stades de l’univers. Ces fluctuations ont été les points de départ des incroyables structures des galaxies et de leurs amas que nous voyons aujourd’hui !

Bien, donc maintenant vous commencez à construire votre univers à partir de la singularité. Ce point de singularité est tout ce qu’il y a dans votre univers. Il n’y a pas d’espace, pas de vide autour. Pendant la première seconde de la création de votre univers, les quatre forces fondamentales de la nature, gravitationnelle, électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible, unies au début, commencent à se séparer les unes des autres. Il s’ensuit la formation des particules élémentaires. Vient ensuite le processus de nucléosynthèse, à la température de 109 °C à laquelle la fusion nucléaire entraîne la formation d’hydrogène, d’hélium et d’un peu de noyaux de lithium. Ces processus durent environ 20 minutes. Puis, pendant les 240 000 premières années, l’énergie de l’univers est dominée par le rayonnement ; cette ère est d’ailleurs appelée l’ère dominée par le rayonnement. Les photons n’ont aucun moyen d’échapper aux constantes collisions avec les noyaux qui les entourent. Cependant, à mesure que l’univers se refroidit, les noyaux commencent à se combiner avec les électrons pour former des atomes neutres. L’Univers devient enfin transparent et les photons sont libres de s’échapper. Il est encore possible de voir les vestiges de cette époque aujourd’hui grâce au fond diffus cosmologique ! Cette époque dure environ 300 000 ans après le Big Bang. Vient ensuite la période des âges sombres, où il n’y a pas beaucoup de lumière et où l’univers est dominé par une substance mystérieuse appelée matière noire. Cette ère dure environ 150 millions d’années et est suivie par l’ère de la réionisation où l’univers recommence à former des ions. Les premiers quasars apparaissent ! Les étoiles, les galaxies et les amas de galaxies sont créés ! Cela dure environ un milliard d’années. Notre système solaire a mis environ 9 milliards d’années à se former et notre univers a maintenant environ 13,7 milliards d’années.

Pour amener votre univers à l’état dans lequel se trouve le nôtre, il vous faudrait attendre patiemment pendant environ 13,7 milliards d’années. Et voilà ! Vous auriez enfin l’univers que vous avez commencé à construire ! Cependant, à ce stade une question lancinante peut bien vous trotter dans l’esprit : « Quel est le destin ultime de cet univers que j’ai créé ? » Quel est son destin en effet ? À l’heure actuelle, nous ne possédons pas suffisamment de connaissances pour être certains de la façon dont tout cela va se terminer. Nous savons qu’en ce moment, notre univers se dilate à un rythme accéléré. Les scientifiques expliquent cette expansion par la présence d’une forme d’énergie invisible et hypothétique, qui a les propriétés de la gravité répulsive. C’est ce qu’on appelle l’énergie noire. En fonction de la quantité d’énergie qu’il contient, notre univers peut continuer à se dilater à jamais, à moins que la gravité finisse par prendre le dessus et que tout se contracte en une nouvelle singularité, le Grand Crunch. Dans ce cas, il est possible que nous vivions dans un univers cyclique dans lequel des Big Bang alternent avec des Grands Crunchs dans une séquence de recréations.

En fonction de la géométrie de l’univers, il pourrait y avoir deux fins ultimes. Si l’univers est plat ou ouvert, nous irions vers une fin plus affreuse et plus déprimante. Selon cette théorie, qui est considérée comme la plus probable, notre univers continuerait de se dilater jusqu’à ce qu’il n’y ait plus d’énergie et que tout, la vie, les étoiles, les trous noirs et finalement les atomes eux-mêmes, se désintègrent. Le concept de temps perdrait alors son sens puisqu’il n’y aurait pas d’événements dans ce Grand Gel, ou « mort thermique ». Selon une autre théorie, l’univers pourrait continuer à se dilater à un rythme accéléré, ce qui conduirait à ce qu’on appelle une Grande Rupture qui le déchiquetterait et le ferait se désintégrer en rayonnement.

Il est intéressant de noter que pour que notre univers existe, un grand nombre de conditions initiales doivent être « finement réglées ». Comment est-ce possible ? Pour certains, la réponse se trouve dans le principe anthropique, selon lequel l’univers, et finalement la vie telle que nous la connaissons, existe précisément parce que nous sommes là pour l’observer. D’autres supposent la présence de multiples univers parallèles, une théorie du multivers, selon laquelle il peut y avoir une infinité d’univers en plus du nôtre, chacun ayant ses propres lois physiques, avec des conditions initiales différentes. Il se trouve qu’on existe dans un endroit dans lequel la vie peut apparaitre !


Vous voulez en savoir plus sur le Big Bang et sur l'inflation cosmique ? Comme il s'agit d'un sujet assez complexe, nous avons rassemblé une série de vidéos de Paul Sutter, astrophysicien à l'Ohio State University à Columbus, Ohio.