De l’origine de l’Univers : le Big Bang
Etoiles au dessus de la Vallée des Rêves, Nouveau-Mexique, USA
Le Big Bang.
Nous connaissons tous ce terme. Mais, qu’on se le dise, nous ne le comprenons pas vraiment ! Dans notre imaginaire collectif, nous n’y voyons qu’un moyen de dire que notre Univers est né d’une sorte d’explosion il y a très longtemps.
La réalité est bien différente cependant. Tout d’abord par sa complexité (Grands Dieux, sa complexité…) mais aussi par ce que cette théorie signifie pour nos connaissances actuelles.
Mais le Big Bang, d’où ça vient ?
Avant de nous lancer dans l’explication tortueuse de ce que signifie ce terme et cette théorie dans leur ensemble, il serait sage de revenir sur ce qu’était l’état de nos connaissances avant cette révolution.
Avant Albert Einstein et sa relativité restreinte puis générale (pour en savoir plus sur l’homme derrière le savant, n’hésitez pas à lire cet article disponible sur notre journal), l’idée que les gens se faisaient de l’Univers était celle d’un Tout absolument statique et éternel, sans que rien n’existe en dehors de notre galaxie. Les physiciens cherchent alors une théorie permettant d’expliquer l’univers dans son ensemble, sur la base de ces préconceptions, sans pouvoir y parvenir.
Arrive notre génie physicien préféré. Laissez-moi vous rappeler en quoi il a révolutionné notre monde. Avec ses théories, entre 1905 et 1915, il parvient à prouver que l’univers dans son ensemble obéit à la gravitation, sous la forme d’une courbure du continium de l’Univers, les astres pesant sur celui-ci de la même façon qu’une balle courbe un drap tendu, proportionnellement à sa masse. Albert Einstein prouve dans le même instant que le temps est lui aussi soumis à cette représentation, ce qui explique que le temps passe plus lentement auprès d’astres très lourds (littéralement, si vous vous approchiez assez d’un trou noir, le type d’astre le plus lourd connu, sans mourir, vous verriez passer le temps à une vitesse toujours plus importante à mesure que vous seriez proche du centre de l’astre, alors que votre propre temps ralentirait sans cesse.)
Les thèses d’Einstein sont tout de même limitées par sa propre vision : il ne peut imaginer que l’Univers est en réalité en expansion constante. Ainsi, il inclut dans sa formule un présupposé : celui que l’univers est inchangé et inchangeable dans le temps : éternel et sans commencement.
L’Univers grandit ! C’est incroyable !
Certaines découvertes dans les années 20 révolutionnent cependant cette vision du monde : le physicien Hubble (dont tire son nom le fameux télescope) parvient à prouver qu’il existe des objets cosmiques en dehors de notre galaxie, d’autres galaxies. Il découvre aussi que ces galaxies s’éloignent toutes de la nôtre, à une vitesse proportionnelle à leur distance par rapport à nous (exactement comme, lorsqu’un ballon couvert de point au feutre est gonflé, tous les points s’éloignent les uns des autres).
Cette découverte met entièrement à bas l’idée d’un Univers fixe et intemporel : il s’agrandit, donc il n’est pas intemporel ! C’est une véritable révolution parmi les physiciens de l’époque : une conception millénaire s’effondre.
Mais une question apparaît alors instantanément : si l’Univers s’agrandit, c’est que, au commencement de sa vie, sa taille avoisinait forcément le 0. Pour grandir, il faut un commencement. le hic : Personne ne peut expliquer l’origine de ce phénomène. De plus, selon certains opposants à cette théorie, l’Univers devait voir son expansion ralentir, jusqu’à s’arrêter et devenir fixe. Mais depuis, nous avons découvert qu’au contraire, l’expansion de l’Univers s’accélère sans cesse. En calculant sa vitesse d’expansion, les chercheurs ont été capables de calculer son âge : 13,8 milliards d’années.
Mais cela ne suffit pas à expliquer le début de l’Univers, à donner une preuve observable en dehors du mouvement des galaxies. C’est à ce moment-là qu’intervient le fond diffus cosmologique !
Le fond diffus cosmologique, où la photographie naturelle des premiers millénaires de l’univers.
Tout commence par une interrogation : si l’Univers a autrefois été très petit et condensé, il devait, à l’image des gaz que l’on condense, avoir vu sa température grimper proportionnellement. Cela implique que plus il grandit et s’étend, et plus il se refroidit.
En 1965, deux physiciens américains découvrent un peu par hasard un rayonnement très faible, mais présent dans toutes les directions vers lesquelles ils pointent leurs appareils. Après quelques études, ils comprennent l’importance de ce qu’ils observent : il s’agit d’une sorte de photographie de l’Univers primordial, 380 000 années après son commencement. D’un coup, dans tout l’Univers, la lumière s’est libérée d’une sorte de voile qui la bloquait. C’est-à-dire, pour être plus précis, que jusqu’à ce moment les électrons, composants des atomes, se baladaient librement, sans être attachés à un noyau atomique. Lorsque cet état de fait a pris fin, la lumière a enfin pu se déplacer, résultant un flash cosmique, qui garde encore aujourd’hui, plus de 13,5 milliards d’années plus tard, l’image de l’entièreté de l’Univers. Les zones plus rouges que l’on voit sont les zones les plus chaudes, et les bleus les plus froides.
Cette découverte du fond diffus cosmologique, ou rayonnement fossile, est la première preuve formelle du Big Bang.
Le Big Bang est le modèle le plus solide du commencement de l’Univers
Au final, je ne vous ai pas expliqué pourquoi cet évènement cosmique dantesque porte ce nom.
La théorie de la création de l’Univers par une expansion rapide est pour la première fois citée en 1927 par Georges Lemaître, astrophysicien belge. Le nom même de Big Bang est à la base une blague destinée à discréditer la théorie. Elle fut utilisée pour la première fois en 1949 à la BBC par le physicien britannique Fred Hoyle, un scientifique partisan de la théorie de l’Univers stationnaire et éternel. Mais, malgré ce nom parodique, c’est celui qui restera dans l’histoire, même s’il induit en erreur en décrivant une “grosse explosion” alors que ce n’en est justement pas une.
Au contraire de l’idée commune que l’on se fait de cette dilatation de l’Univers, il nous est impossible de savoir s’il y a eu un moment 0, un moment initial. Tout ce que nous savons, c’est qu’il nous est impossible de remonter plus loin dans le temps, car nos connaissances s’effondre face aux toutes premières microsecondes de l’Univers : c’est ce que l’on appelle le temps de Plank, et qui correspond à 10 puissance -43 secondes après le Big Bang, des durées que l’on ne peut imaginer tant elles sont courtes.
Avant de commencer à retracer les différentes étapes du phénomène, il faut d’abord comprendre qu’il aurait été impossible d’y assister depuis un point de vue extérieur. Tout ce qui a existé, existe et existera un jour, moi, vous, tout le monde, la Terre, les étoiles, les galaxies, votre café du matin étaient contenus dans un espace plus petit qu’un atome, qui a commencé alors à se dilater, à grandir à une vitesse vertigineuse en créant l’espace autour de lui. L’Univers ne grandit pas au milieu de quelque chose, il grandit, c’est tout. Il n’y a rien autour de lui-même en dehors de lui-même.
Entre 10 puissance -43 et -36, les 4 forces de l’univers apparaissent : la gravitation, ce qui fait bouger le tissu même de l’espace-temps par cette force d’attirance, l’interaction forte, ce qui permet aux atomes de rester compacts et de ne pas se séparer, l’électromagnétisme, qui dirige la lumière et l’électricité et enfin l’interaction faible, qui provoque la radioactivité et est à l’origine des réactions atomiques qui font briller les étoiles.
Entre 10 puissance -36 et -32, l’Univers semble avoir été soufflé plus rapidement que la lumière, car certains espaces ont la même origine alors que la lumière n’a pas encore eu le temps de l’atteindre. C’est l’un des plus grands mystères actuels de la physique.
20 minutes après le Big Bang, les noyaux atomiques se forment car la température de l’Univers a déjà commencé à se réduire. La matière apparaît.
Après 380 000 années, comme nous l’avons vu plus tôt, les électrons finissent par rejoindre les noyaux atomiques. La lumière se libère. On y voit enfin quelque chose !
Vers 180 millions d’années après le Big Bang, la matière finit par s’effondrer sur elle-même dans certains endroits, sous l’influence de la gravité. Si assez de matière se concentre, une étoile apparaît et se met à briller. En son sein se forment de nouveaux éléments atomiques, tels que le fer, l’or, l’argent et presque tout le reste. Une grande partie de ce qui nous entoure est née au milieu du cœur ardent d’étoiles aujourd’hui mortes.
Finalement, vers 500 millions d’années, il y avait assez d’étoiles pour que les premières galaxies apparaissent (notre Voie Lactée semble s’être formée après 600 millions d’années, en faisant l’un des plus anciennes observables !).
Et, depuis lors, l’Univers n’a cessé de s’étendre, de se refroidir et de perdre de sa densité. Mais les étoiles continuent de se former, la matière de se réunir pour créer astres, corps et même nous et nos objets. Le Big Bang, même si nos connaissances ne sont pas parfaites, reste le seul modèle qui tienne la route scientifiquement pour expliquer les tous premiers instants de notre Univers. D’un espace plus petit qu’un atome à son état actuel, en 13,8 milliards d’années, il a fait un bon bout de chemin.
Mais il reste encore tant à expliquer, à découvrir et à s’émerveiller devant. Restez à l’affût de ce savoir, il arrivera peut-être un jour !
Nicolas Graingeot
