Comprendre l'espace > Le Big-Bang

Définition

Explosion ayant marqué le commencement de l’expansion de l’Univers, selon certains astrophysiciens, la théorie du Big Bang, est un modèle cosmologique décrivant les premiers instants et l’évolution de l’Univers à grande échelle. Élaboré dans les années 1940 par George Gamow, le modèle du big bang constitue actuellement la représentation théorique la moins contestée des modèles cosmologiques et la plus en accord avec les observations.
Selon le modèle du big bang, une explosion initiale survenue il y a une quinzaine de milliards d’années dans un Univers alors extrêmement dense et chaud est à l’origine de l’expansion et de la structure de l’Univers tel qu’il est observé aujourd’hui. La théorie du big bang est donc un modèle évolutif qui s’oppose aux modèles cosmologiques statiques et stationnaires. L’expression big bang, de l’anglais big (grand) et de l’onomatopée « bang » décrivant le bruit d’une explosion violente, a été formulée en 1950 par l’astronome américain Fred Hoyle dans un esprit de facétie et de provocation, puisqu’il était lui-même l’un des fondateurs d’un modèle rival, celui de l’Univers stationnaire. Cette dénomination, bien que décriée par certains, et en particulier par le mensuel américain Sky & Telescope dans les années 1990, est fortement intégrée dans le vocabulaire de la cosmologie et dans le langage courant.

Perspective historique

L’Univers statique selon Einstein
Tout modèle cosmologique moderne est fondé sur une théorie généralisée de la gravitation, interaction dominante à grande échelle. Ainsi le modèle du big bang se fonde sur les équations mathématiques, dites équations de champ, issues de la théorie de la relativité générale élaborée en 1915 par le physicien allemand Albert Einstein. Conscient de l’application possible de sa théorie à la cosmologie, Einstein calcule en 1917 des solutions décrivant l’Univers. Intimement persuadé que celui-ci est statique, il adopte le principe cosmologique qui postule que l’Univers est statique, uniforme et isotrope à grande échelle. Dans ces conditions, la seule solution qu’il obtient est un Univers vide. Il ajoute alors dans les équations une constante, la constante cosmologique (notée delta), afin d’obtenir une solution non triviale pour l’Univers. L’insertion de la constante cosmologique a pour effet d’annuler dans les équations les termes correspondant à une expansion ou à une contraction. Lorsque l’expansion de l’Univers est effectivement démontrée par Edwin Hubble en 1929, Einstein confesse que l’introduction de la constante cosmologique est la plus grande erreur de sa vie. Cependant, que ce soit par tradition ou pour inclure une hypothétique interaction supplémentaire qui agirait, comme la gravité, à grande échelle, la constante cosmologique est toujours conservée dans les équations.
L’Univers en expansion selon Friedmann, Lemaître et Gamow
En 1922, le physicien russe Alexander Friedmann et simultanément l’abbé astronome Georges Lemaître obtiennent, en résolvant les équations de champ, un ensemble de trois solutions attribuant toutes trois à l’Univers une phase première d’expansion (modèles de Friedmann-Lemaître, ou modèles standard). Cette prédiction est brillamment confirmée en 1929 par les observations de galaxies lointaines, réalisées par l’astronome américain Edwin Hubble. En effet, il note la présence systématique, dans le spectre des galaxies lointaines, d’un décalage des signatures spectrales vers les plus grandes longueurs d’onde (décalage spectral vers le rouge), décalage d’autant plus grand que les galaxies sont plus éloignées. Ce décalage vers le rouge indique que les galaxies s’éloignent les unes des autres d’autant plus rapidement qu’elles sont lointaines, ce qui conforte la prédiction d’un Univers en expansion uniforme. Mais il faut attendre la théorie élaborée par le physicien américain d’origine russe George Gamow dans les années 1940 avant d’obtenir une description physique des premiers instants de l’Univers, prédisant une phase primordiale extrêmement dense et chaude qui a incité Hoyle à lui donner, de façon ironique, le nom de big bang.
Les modèles de Friedmann-Lemaître confèrent une géométrie non euclidienne à l’espace, c’est-à-dire qu’une courbure lui est associée. La courbure de l’Univers, fixée par sa concentration en masse (densité), en détermine l’évolution future : si la courbure est positive, l’Univers subira une phase de contraction succédant à la phase d’expansion (Univers fermé); si elle est négative, l’expansion se poursuivra indéfiniment et l’Univers deviendra de plus en plus froid (Univers ouvert). Le modèle développé par l’astrophysicien néerlandais Willem De Sitter et par Einstein décrit un modèle d’Univers de courbure nulle (Univers plat).

Théorie du Big-Bang

Temps de Planck et unification des interactions fondamentales
La théorie du big bang cherche à décrire l’état physique de l’Univers lors de l’explosion primordiale. Mais les modèles se heurtent à une barrière temporelle, jusqu’à présent infranchissable, fixée à 10^-43 seconde après le big bang. En deçà de cette limite, nommée temps de Planck, la théorie classique de la gravitation cesse d’être valide. Les quatre interactions fondamentales (gravitationnelle, électromagnétique, nucléaire faible, nucléaire forte) ont des portées comparables et sont confondues en une seule interaction (voir théorie des champs unifiée). C’est seulement plus tard, lorsque l’Univers s’est refroidi lors de son expansion, que cette force initiale se scinde en quatre forces distinctes de portée différente. Cependant, en l’état actuel des connaissances, la gravitation n’est toujours pas incluse dans une théorie quantique des champs (voir standard, modèle). Or une telle théorie serait nécessaire pour remonter le temps au-delà du temps de Planck.
Puisque aucune théorie ne décrit l’Univers en deçà du temps de Planck, le big bang, proprement dit, reste inaccessible aux scientifiques. L’origine même de l’Univers demeure donc une énigme indéchiffrable. De plus, la théorie du big bang ne décrit pas les événements précédant immédiatement l’explosion primordiale. Il se peut que le temps lui-même débute à l’instant du big bang ; tenter la description d’un « avant » n’aurait donc aucun sens.
Théorie inflationnaire
Selon le modèle du big bang, la phase d’expansion de l’Univers est extrêmement rapide dans les premières microsecondes. L’une des versions du big bang inclut même une phase d’inflation, dans laquelle la taille de l’Univers augmente d’un facteur de 1040 en 10^-20 s après l’explosion primordiale, pour continuer d’augmenter par la suite à un taux beaucoup plus faible. La théorie de l’inflation a été proposée par l’astrophysicien Alan Guth dans les années 1980, et développée peu après par Paul Steinhardt, Andrei Linde et Andres Albrecht. La théorie inflationnaire de l’Univers résout divers problèmes cosmologiques. Les modèles cosmologiques standard (modèles de Friedmann-Lemaître) sont caractérisés par un espace non euclidien, c’est-à-dire courbe. Or la mesure de la courbure de l’Univers est très proche de zéro. Ainsi, notre Univers est très proche de l’Univers plat décrit par les lois de la géométrie euclidienne. L’inflation offre une explication à cette propriété puisque l’Univers observable serait limité à une infime fraction de l’Univers ; de même, nous ne nous apercevons pas de la courbure de la Terre, car notre perspective est limitée par l’horizon qui nous dissimule la rotondité de la Terre. De plus, l’inflation fournit un cadre pour rendre compte de l’apparente homogénéité de l’Univers à grande échelle : puisque l’Univers observable correspond à une infime fraction de l’Univers primordial, il n’est pas étonnant qu’il apparaisse uniforme.
Le modèle inflationnaire prédit un Univers dont l’état est juste à la limite entre un état ouvert (courbure négative) et un état fermé (courbure positive). Si l’Univers est ouvert, l’expansion de l’Univers se poursuivra indéfiniment de plus en plus lentement ; si l’Univers est fermé, la contraction de l’Univers succédera à la phase d’expansion pour s’achever par une phase d’effondrement, surnommée le big crunch, par analogie au big bang. En fait, pour prédire l’avenir de l’Univers, il convient de déterminer sa densité de matière et d’énergie. Cependant, la détermination de celle-ci reste un défi pour les astrophysiciens, l’Univers étant principalement constitué de matière et d’énergie noires.

Le scénario du big-bang

Avant 10-43 seconde : superforce ou gravité quantique
La phase primordiale de l'Univers est le domaine de la superforce (appelée aussi gravité quantique), qui unifie alors les quatre connues (voir la théorie des champs unifiée). À ce stade d'évolution, la matière n’est pas encore née, seul règne le vide au sens quantique du terme (apparition et disparition de particules virtuelles).
10-43 à 10-35 seconde : grande unification des forces
Au temps de Planck, l’Univers a un diamètre d’environ 10-33 cm et sa température est de l’ordre de 1032 K. Dans cet Univers, l’énergie se matérialise sporadiquement en d'éphémères paires particules-antiparticules. La superforce se scinde en deux forces : la gravitation et la force électronucléaire. La gravitation quitte ainsi le monde quantique ; désormais, son action à l'échelle des particules est négligeable. La force électronucléaire, quant à elle, regroupe les interactions fortes et électrofaibles ; elle est décrite par la théorie actuelle de grande unification (TGU, ou GUT en anglais), c’est pourquoi cette période est dite de grande unification.
De 10-35 à 10-32 seconde : inflation de l'Univers
À ce moment de l'évolution universelle, la température chute à environ 1028 K, ce qui permet la sécession de la force électronucléaire en interaction forte et en interaction électrofaible. Avec la gravitation, l’Univers compte désormais trois forces distinctes. L’énorme énergie du vide est alors brutalement libérée et imprime à l'Univers une expansion fulgurante que le physicien Alan Guth a appelé inflation. Dans ce laps de temps ultra court (de 10-35 à 10-32 seconde), son volume augmente de manière inimaginable (d'un facteur 1027 ou 1050, selon les théories) alors que dans les 15 milliards d'années suivantes, son volume n'augmentera que d'un facteur 109.
De 10-32 à 10-12 seconde : naissance des quarks
La période d’inflation s’achève vers 10-32 seconde après le big bang. Suite à cette formidable expansion, l'Univers a désormais la taille d'une orange et sa température est de l’ordre de 1025 K.
C'est à ce moment que les premières particules de quarks et d'antiquarks surgissent du vide quantique dans une « mare » de photons. Cette création de matière et d’antimatière entraîne aussitôt un équilibre entre ces deux composantes antagonistes : les paires de particule-antiparticule s’annihilent en formant des photons (première matérialisation de lumière) ; puis ces mêmes photons, par une réaction symétrique, se matérialisent en paires de particule-antiparticule. L'Univers est alors une « soupe » de quarks et d'antiquarks en perpétuelle matérialisation-annihilation.
Si ce processus de matérialisation-annihilation était parfaitement symétrique, la matière (dont nous sommes constitués) n’aurait jamais vu le jour. Heureusement, la nature a un léger penchant pour la matière : pour chaque création d’un milliard d'antiquarks, un milliard et un quarks sont créés.
De 10-12 à 10-6 seconde : naissance des leptons
À 10-12 seconde, l’Univers, qui poursuit son refroidissement (sa température passe à 1015 K) et son expansion, devient une sphère de 300 millions de kilomètres. L’interaction électrofaible se dissocie à son tour en interactions faible et électromagnétique. Dès lors, les quatre interactions fondamentales de l'Univers sont différenciées comme elles le sont toujours actuellement. Par ailleurs, de nouvelles particules et antiparticules apparaissent aux côtés des quarks et des antiquarks : les leptons. Ces particules légères, sensibles à l'interaction faible, regroupent les électrons, muons, tauons et leurs neutrinos correspondants, ainsi que leurs antiparticules.
De 10-6 à 10-4 seconde : ère hadronique
À la température de 1013 K, le diamètre de l'Univers est équivalent au Système solaire actuel, soit environ 10 milliards de km. Les quarks n'ont plus assez d'énergie pour exister de manière isolée : l'interaction forte se charge alors de les grouper en hadrons. Ainsi apparaissent les premiers baryons (notamment protons et neutrons) et mésons, ainsi que leurs antiparticules. L’ère hadronique est une période de grande annihilation de matière et d’antimatière. La fin de cette période marque notamment la disparition des antiquarks. En outre, la température est devenue trop faible pour que les photons puissent se rematérialiser en couples particule-antiparticule. Ainsi, seuls quelques protons et neutrons survivent à cette période et constituent l’unique matière de l'Univers.
De 0,000 1 à 1 seconde : ère leptonique
À 0,000 1 seconde après le big bang, la température de l’Univers étant de l’ordre de 1010 K (soit 10 milliards de degrés), débute une seconde période de grande annihilation de matière et d’antimatière : l’ère leptonique. Les leptons subissent le même sort que des hadrons : ils s'annihilent en myriades de photons et seule une fraction d'un milliardième de leptons survit à ce processus destructeur. L'antimatière disparaît ainsi de l'Univers. Toutes les particules de matière sont désormais présentes dans l’Univers, cependant la température est toujours trop élevée pour permettre la formation des atomes. L'Univers forme alors une grosse masse lumineuse de plasma brûlant, constitué de hadrons et de leptons isolés. Dans ces conditions, les neutrinos cessent d'interagir avec la matière et s'en séparent.
De 1 seconde à 3 minutes : formation des premiers noyaux atomiques
Une seconde après le big bang, la température de l’Univers est suffisamment basse (de l’ordre de 106 K, soit un million de degrés) pour que les protons et neutrons puissent s'assembler durablement et former des noyaux atomiques stables. Les protons seuls constituent des noyaux d’hydrogène. Protons et neutrons peuvent aussi s'assembler pour former des noyaux d’hélium (constitués de 2 protons et de 2 neutrons). Cette phase se nomme la nucléosynthèse primordiale. La matière de l'Univers se compose alors de 75 p. 100 de noyaux d'hydrogène 1H et de 25 p. 100 de noyaux d'hélium 2He. En fait, il existe aussi des traces de 7Li (lithium à 3 protons et 4 neutrons) et d'isotopes tels que deutérium D, 3He, 4He, etc. Près de 99 p. 100 de la matière actuelle de l'Univers se forme à cette époque. Le 1 p. 100 restant, non encore apparu, est constitué de tous les atomes ayant plus de 2 protons dans leur noyau. Tous ces atomes complexes seront formés au cours des réactions thermonucléaires qui se dérouleront au cœur des futures étoiles qui vont naître. Par ailleurs, les électrons de cette époque sont suffisamment énergétiques pour rester libres ; la formation des premiers atomes (hydrogène et hélium) n’est pas pour tout de suite.
De 3 minutes à 300 000 ans : formation des atomes et découplage photon-matière
Jusque-là, les photons étaient continuellement émis et absorbés par les particules environnantes. Vers 300 000 ans, la température de l’Univers passe sous la barrière des 4 000 K. Dans ces nouvelles conditions de température et de densité, les électrons sont enfin captés par les noyaux atomiques donnant naissance aux premiers atomes d'hydrogène et d'hélium. La formation de ces atomes s’accompagne du découplage entre les photons et la matière : les photons cessent d'interagir avec la matière et peuvent enfin traverser l'Univers sans obstacle. L'Univers devient subitement transparent. Ce rayonnement provenant de tout point de l'espace, détecté en 1965 par les radiotélescopes, constitue le fameux « rayonnement fossile » à 3 K de l'Univers ou rayonnement de fond du ciel, vestige du big bang.
De 300 000 ans à nos jours : ère stellaire
Les fluctuations minimes de température du fond diffus cosmologique, observées par le satellite américain COBE (COsmic Background Explorer) en 1992, sont associées à des fluctuations de densité de l’Univers lorsqu'il était âgé d'environ 300 000 ans. Ces fluctuations (ou inhomogénéités) sont probablement à l’origine de la formation des structures de l’Univers observées de nos jours. Ainsi, selon la théorie, dans certaines régions de l’Univers, des fluctuations font apparaître des zones plus denses. Ces régions attirent alors la matière environnante du fait de leur plus grande attraction gravitationnelle, devenant ainsi de plus en plus dense. Cependant, la matière s’échauffe en se comprimant, et dès que la température est suffisamment élevée, des réactions nucléaires successives se déclenchent, donnant naissance à une étoile. Les réactions de fusion thermonucléaire permettent la synthèse des éléments chimiques jusqu’au fer : c’est la nucléosynthèse stellaire. À la mort de l’étoile, la matière interstellaire peut capter des neutrons issus de l’explosion finale, et former ainsi tous les éléments de masse supérieure au fer par radioactivité bêta : c’est la nucléosynthèse interstellaire.
Ce scénario de la formation de la matière présente pour le moment encore beaucoup de lacunes. On ne sait toujours pas, par exemple, si la matière a commencé par former les futures galaxies dans lesquelles se sont formées par la suite les étoiles ou si les étoiles sont apparues en premier lieu pour se grouper ensuite en galaxies. On estime à 12 milliards d'années l’âge de notre galaxie (la Voie lactée), et à 4,6 milliards d'années celui de notre Système solaire.

Preuve du big-bang et observations

La phase d’expansion de l’Univers s’accompagne d’un refroidissement de celui-ci. Une seconde après l’explosion primordiale, les protons apparaissent. Dans les quelques minutes suivantes, nommées parfois les « trois premières minutes », les protons et les neutrons s’assemblent pour former les premiers noyaux atomiques, tels le deutérium et les autres éléments légers, comme l’hélium, le lithium, le béryllium et le bore. L’étude de l’abondance du deutérium, de l’hélium et des autres éléments légers dans l’Univers est un domaine de recherche très actif, puisque la détermination de l’abondance primordiale de ces éléments procure des informations sur les conditions physiques de l’Univers à ses débuts. L’abondance du deutérium primordiale est un indice très important pour estimer la courbure de l’Univers, puisqu’elle est indirectement reliée à la densité de celui-ci.
Un million d’années après le big bang, la température de l’Univers atteint le seuil de 3 000 K ; les noyaux et les électrons se combinent alors pour former les premiers atomes stables de l’Univers (ère de la recombinaison). Cette époque détermine l’ère de découplage entre les photons et la matière ; le rayonnement devient libre de se propager, l’Univers devient optiquement mince. Le rayonnement qu’émet l’Univers à cette époque est aujourd’hui observé après des milliards d’années de refroidissement sous la forme du rayonnement de fond du ciel à 3 K. Ce rayonnement a été observé et identifié pour la première fois en 1965 par deux scientifiques américains, Arno Penzias et Robert Wilson.
La mission spatiale COBE (COsmic Background Explorer) de la NASA (National Aeronautics and Space Administration) a relevé, entre 1989 et 1993, les données infrarouges et submillimétriques relatives à ce rayonnement dans toutes les directions de l’Univers. Ces observations ont confirmé très précisément la prédiction de la théorie du big bang selon laquelle la distribution de l’intensité du rayonnement de fond du ciel correspond exactement au rayonnement thermique émis par la matière (rayonnement du corps noir). Les hétérogénéités du fond diffus cosmologique sont très faibles (10-5) ; elles décriraient l’émergence des premières structures de l’Univers, donnant naissance aux futurs amas de galaxies.
Par ailleurs, à la fin de l’année 2002, une nouvelle observation a contribué à la confirmation de la théorie du big bang : la détection de la polarisation du rayonnement du fond du ciel prédite dans le modèle cosmologique. Cette polarisation, issue de l’interaction entre les photons et les électrons avant le découplage matière-rayonnement, a été mise en évidence par une équipe d’astrophysiciens dirigée par John Carlstrom de l’université de Chicago, à l’aide du radiotélescope DASI (Degree Angular Scale Interferometer).
Astronomes et astrophysiciens réalisent continuellement de nouvelles observations pour tester au mieux le modèle du big bang. Jusqu’à présent, aucune observation n’est venue contredire de façon fondamentale ce modèle. Mais il est vrai qu’il est suffisamment souple pour être modifié, si nécessaire, en fonction des observations. Par exemple, la théorie de l’inflation, bien utile pour rendre compte de la courbure et de l’homogénéité de l’Univers, est une théorie ad hoc, difficilement falsifiable.