Questions Pour un Big Bang
La théorie du big bang suscite toujours de nombreuses questions. Deux d'entre elles suffisent à alimenter des siècles de débats: qu'y avait-il avant? qu'y aura-t-il après?
A ces deux questions fondamentales d'en ajoutent deux autres : qu'est-ce qui incite les scientifiques actuels à croire au big bang? Et n'existe-til pas des modèles alternatifs?" Pour y répondre il convient d'abord de se remémorer la théorie elle-même sous forme de deux questions: qu'est-ce que le big bang et comment est-il survenu?
Qu'est-ce que le big bang?
Toute la théorie du big bang repose sur le fait que l'Univers est apparu à partir d'un point, d'une singularité initiale il y a près de 15 milliards d'années!
Les "pères du big bang"
C'est au russe Alexandre Friedman et à un Belge, l'abbé Georges Lemaître, que l'on doit cette théorie. Le premier écrit en 1922 que l'Univers est en pleine expansion, c'est-à-dire que sa taille augmente constamment... et dès 1925, Lemaître met en place les bases e ce que l'on connaît aujourd'hui comme la théorie du big bang..
En effet, il a considéré que si l'Univers était réellement en expansion, alors, à un moment donné il a dû être plus petit... si petit qu'il l'appela "atome primitif". Cet atome evait contenir la totalité de la matière et devait donc être très dense et posséder une température extrême. Et puis, brusquement, en une fraction infime de seconde, l'atome serait entré dans une phase d'expansion rapide s'accompagnant d'une diminution de température. Cet instant serait situé il y a 15 milliards d'années, et le processus n'est toujours pas terminé.
Comment s'est passé le big bang?
En l'état actuel des recherches nous pouvons comprendre les origines de l'Univers à partir de t=10 -43(=comprendre puissance -43) s.
La "soupe primordiale"
On pense que, à cette date (t=10-43 s.), notre Univers actuel était confiné dns une sphère de 10-33m(=comprendre puissance -33) de diamètre (10 millions de milliards de milliards de fois plus petit qu'un atome d'hydrogène!) à la température de 10+32(=comprendre puissance +32) degrés et constitué non pas de matière, mais d'une multitud de particules et d'antiparticules en mouvement, formant une "soupe primordiale" en pleine ébulition mais encore stérile...
L'inflation
A t=10-35 s. (=comprendre puissance -35), l'Univers continue son expansion et sa temérature est maintenant de 10+27 degrés (=comprendre puissance +27). C'est à cet instant précis que toute énergie contenue dans la soupe primordiale est libérée sous la forme d'une expansion extrêment rapide connue sous le nom d'"inflation". Cette expansion n'a duré qu'un millième de seconde mais cela a suffi pour que l'Univers voit ses dimensions multipliées par 10+50 (=comprendre puissance +50) pour arrivé à la taille d'une orange.
Les premières particules
L'Univers va continuer à se refroidir et les particules, au gré des collisions mutuelles, vont enfin devenir matière: les premières particules élémentaires comme les électrons, les neutrinos et les quarks avec leur antiparticule respective apparaissent à t=10-32 s. (=comprendre puissance -32) Les collisions entre particules et antiparticules vont créer de la lumière qui, en diparaissant à son tour redeviendra particule et antiparticule, et ainsi de suite. Peu à peu, le cycle matière-lumière-matière se calme et on assiste à la naissance des composants fondamentaux des atomes, comme les protons et les neutrons.
Constitution de la matière
Une secondes après le big bang, les particules vont se combiner pour former les premiers noyaux d'atomes (d'hydrogène et d'hélium en particulier). C'est ce que l'on appelle la "nucléosynthèse primordiale". La matière se différencie ainsi de la lumière et l'expansion de l'Univers aidant, les réactions nucléaires vont s'arrêter, la gravitation prenant peu à peu le dessus pour former les premières structures. Il faudra atteindre néanmoins 300 000 ans pour avoir les premiers atomes, et quelque 3 milliards d'années pour assister à la naissance des galaxies et des étoiles.
Qu'est-ce qui fait croire au big bang?
De nos jours, la plupart des scientifiques adhèrent à la théorie du big bang. Trois observations essentielles constituent en effet la force majeure de cette théorie.
La "fuite" des galaxies
En 1929, la première vérification expérimentale fut mise en évidence lorsque Hubble observa que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. On avait là la preuve de l'expansion de l'Univers. Avec le temps, cette observation a été maintes fois confirmée.
De Gamow à COBE
La deuxième observation confirmant la brutale expansion initiale fut prévue théoriquement, dès 1945 par George Gamow. Il pensait que l'Univers devait garder une trace de l'expansion primordiale sous forme d'un rayonnement qui aurait refroidi depuis. Il avait calculé une valeur de 5 degré Kelvin. En 1965, Penzias et Wilson mesuraient un rayonnement étonnament constant et isotrope, d'une valeur de 3 degré Kelvin qui fut assimilé au fond cosmologique prévu par Gamow. En 1991, le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) vérifiait cette prédiction en observant et calculant la répartition de ce fond cosmologique avec des valeurs très précises.
L'hydrogène majoritaire
Enfin, une troisième observation pousse les scientifiques à croire au big bang: l'énorme quantité d'éléments chimiques légers (comme l'hydrogène) qui constituent les corps célestes et qui témoignent d'un passé très chaud et très dense.
Qu'y avait-il avant le big bang?
Telle que nous la connaissons, la physique ne permet pas d'aller au-dessous de t=10-43s. (=comprendre puissance -43) pour la simple raison qu'aucune théorie ni aucune tentative expérimentale ne permettent de gérer des températures et des énergies aussi faramineuses que celle qui sont en jeu lors du big bang. La théorie du big bang est incapable de répondre à cette question car, selon la théorie de la relativité sur laquelle elle se fonde, la matière, l'espace et le temps sont apparus au même instant.
Si l'on admet que l'Univers, c'est l'ensemble de matière et d'espace qu'il contient (infini ou non) alors, avant le big bang, il n'y avait rien.
Qu'y aura-t-il après le big bang?
Les modèles standard de big bang se fondent, nous l'avons vu, sur la relativité générale. Ainsi, matière, espace et temps sont liées. La quantité de masse de l'Univers, sa densité, va déterminer la forme de l'espace (courbe ou plat par exemple) et, par conséquent, son évolution au cours du temps (s'il se contracte ou se dilate).
Tout dépend de la densité critique
Si la densité moyenne dépasse une valeur dite valeur critique (on l'estime aujourd'hui à trois atomes d'hydrogène par mètre cube), alors l'espace a une courbure positive et l'Univers est "fermé", fini, comme une sphère, par exemple. Dans ce cas, bien que l'on ait constaté un mouvement d'expansion, il sera irrémédiablement suivi d'un mouvement de contraction et s'effondrera peu à peu sur lui-même. On assisterait au déroulement du big bang à l'envers... c'est ce qu'on appelle le "big crunch"!
Au contraire, si la densité moyenne est faible comparée à la valeur critique, alors l'espace à une courbure négative et l'Univers est ouvert. Dans ce cas, l'Univers serait éternellement en expansion accélérée, et 'lon pourrait dire s'il est infini ou fini. Les observations penchent plutôt pour cette hypothèse. Dans le cas limite où la densité moyenne serait égale à la valeur critique, alors l'Univers serait plat, sans courbure et en expansion perpétuelle, mais elle se ralentirait avec le temps pour tendre vers une stabilité.
Quelles alternatives pour un big bang?
Bien que faisant la quasi-unanimité, la théorie du big bang ne permet pas de répondre à toutes les questions. En effet, les modèles standard de big bang dont les piliers sont le "principe cosmologique" (homégénéité et isotropie) et la relativité génrale, ne permettent pas bien d'élucider la naissance des galaxies, l'existence de matière sombre - les trous noirs -, ou l'étonnante uniformité de la matière à grande échelle. Ce qui est beaucoup.
Mais on pense que des améliorations portées aux modèles de big bang pourraient apporter des réponses. Ainsi, le phénomène d'inflation qui se serait produit à t=10-35s (=comprendre puissance -35) permettrait d'expliquer l'uniformité de la répartition de matière et pourrait prédire l'apparition de petites brisures de symétrie favorisant la naissance des galaxies.
Un Univers stationnaire?
Des scientifiques tels G. Burdidge, F. Hoyle et J. Narlikar n'adhèrent cependant pas à la théorie du big bang. Ils proposent une autre théorie, qui postule l'existence de particules à énergie négative, avec une pression négative, et qui provoqueraient une expansion sans avoir besoins d'une expansion primordiale.
Dans ce scénario, les particules d'énergie négative, peuvent donner naissance à des particules d'énergie positive. Il y a donc création continue d'énergie quelque part dans l'univers. Celui-ci est donc en expansion continue et constamment alimenté par la création de matière... On parle dans ce cas d'Univers stationnaire.
Bien que fournissant des scénarios de formation acceptalbe pour certains oblets célestes - tels que les trous noirs, que la théorie du big bang peine à expliquer -, cette théorie d'un Univers stationnaire a été rapidement abandonnée en raison du peu de vérifications expérimentales pouvant l'accréditer.
isotrope: qui a les mêmes propriétés physiques dans toutes les directions.
t=10-43s. (=comprendre puissance -43): correspond à un temps égal à 43 zéros après la virgule, soit: 0.00 000 000... 000 001
K(degrés Kelvin): unité de mesure de la températue. Un degré Kelvin équivaut à -273°C. On écrit les degrés Kelvin 10K, et non pas 10°K.
_________________ La vie est un (men)songe.
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