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Le big bang

Il y a 13,7 milliards d'années, notre Univers commençait son expansion. Comment se sont déroulés les premiers instants ? Qu'y avait-il avant ? Quelles preuves justifient le Big Bang ? Voici un article intégral sur toutes ces explications...

Création de l'univers: origine inconnue

 Nous sommes 13,7 milliards d'années avant aujourd'hui. En une incroyable explosion d'une durée infinitésimale, l'univers jaillit, libérant une énorme quantité de matière et d'énergie... C'est le big bang. A partir de ce momentlà, l'univers grandit, se transforme et évolue. Mais l'origine de l'univers n'est pas le big bang, car pour qu'il y ait big bang, il fallait de l'énergie. Et l'origine de celle-ci rest encore inconnue de la communauté scientifique, devenant un défi important à relever pour les cosmologues...

Le temps 0 n'est pas tout à fait égal à 0. Il porte le nom du physicien allemand Max Planck, prix Nobel en 1918, et correspond à 10 puissance -44 secondes après le Big Bang. Avant cet instant, la connaissance se heurte à un mur, dit mur de Planck : la physique quantique interdit en effet de connaître la nature des phénomènes qui ont précédé cette fraction incroyablement petite de seconde.

Les scientifiques travaillent sur cette période . Plusieurs théories sont élaborées telles que la théorie des cordes, la théorie des supercordes ou encore la théorie M. Mais pour le moment, elles sont encore incomplètes et nécessitent des avancées dans les domaines mathématiques, physiques et techniques.

Réactions en chaîne

Les cosmologues, scientifiques qui étudient l'histoire de l'Univers, sont à peu près sûrs que lorsque le Big Bang s'est produit, le milieu était d'une extrême densité et d'une température avoisinant les 10 puissance 32 degrés. De cette température élevée, plusieurs phases se succèdent et elle va baisser au fur et à mesure de la croissance de l'Univers:

Le Big Bang est né d'une singularité initiale, une région de l'espace-temps

Le mécanisme dit d'inflation se produit en conférant une homogénéisation et une isotropisation de l'Univers en croissance, à savoir que ses propriétés physiques restent inchangées quelle que soit la direction. L'inflation se caractérise par une expansion extrêmement rapide de l'Univers, où l'énergie qui y règne se convertit en particules qui vont interagir entre elles et s'échauffer. Cette phase découverte par Alan Guth dans les années 80 est un des piliers de la théorie du Big Bang.

S'en suit un enchaînement important d'interactions entre électrons, photons et neutrinos, des particules élémentaires qui constituent l'Univers. La température y est encore assez importante, dix milliards de degrés. Mais à son abaissement, les neutrinos se découplent créant un fond diffus. En dessous de 5 milliards de degrés, les photons et les électrons n'interagissent plus, laissant place à un léger excès d'électrons.

La nucléosynthèse primordiale est une phase importante qui ne dure que trois minutes. La température inférieure à un milliard de degrés permet l'apparition des premiers noyaux atomiques par combinaison de nucléons: protons et neutrons. Seuls les noyaux les plus légers sont élaborés comme ceux de l'hydrogène, de l'hélium et de lithium

380 000 ans après le Big Bang, les étoiles et les galaxies n'existent toujours pas. A ce moment, la densité de l'Univers est faible et permet ainsi à la lumière de se propager. Les électrons libres formaient le principal obstacle. Ils se combinent aux noyaux atomiques pour créer des atomes. Cette époque est alors appelée la recombinaison. Les scientifiques peuvent observer les traces de cette phase grace à un rayonnement fossile datant de cette époque : le fond diffus cosmologique

D'autres structures telles que les galaxies, les étoiles, les trous noirs vont naître, 200 millions d'années après le Big Bang. A l'heure actuelle, notre Univers est peu dense et froid. Il y existe des objets astrophysiques très chauds, les étoiles en faible densité ; également 4% d'atomes, 23% de matière noire, matière indétectable et 73% d'énergie noire, énergie qui accélère l'expansion de l'Univers

La création de l'univers

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L'Univers est né il y a 13,7 milliards d'années et depuis il n'a de cesse de grandir. Une question légitime se pose : est ce que ça va perdurer indéfiniment, ou s'arrêter pour laisser place à une phase de contraction ou à la destruction du cosmos ? Les scientifiques émettent différentes hypothèses mais une semble sortir du lot

Documentaire - La Creation de l'univers

Voici un documentaire en trois parties sur la théorie de cette création:

Un avenir discutable

Comme toute théorie naissante, le propre des scientifiques est de la mettre en doute. Il est essentiel dans la science. Le Big Bang n'y déroge pas et des failles sont décelées dans son fonctionnement. D'autres théories sont alors mises en avant dont celle de Fred Hoyle, l'état stationnaire. Mais deux découvertes, en plus de l'expansion de l'Univers justifient le big Bang et enterre l'autre définitivement.

Traduit de l'anglais, la Grande Déchirure est un des scénarios possibles pour la fin de notre Univers. Robert R. Caldwell développe ce modèle en 1999. Il le baptise Big Rip en 2003 avec l'aide de deux collaborateurs Marc Kamionkowski et Nevin N.Weinberg

Certes catastrophique, ce modèle prévoit l'intervention d'une forme de matière atypique, l'énergie fantôme, dont la densité va augmenter conjointement à la poursuite de l'expansion de l'Univers. A un temps fini, l'Univers va terminer son existence par une singularité gravitationnelle. Conséquence : amas de galaxies et atomes seront totalement détruits

 Malgré des observations, le Big Rip a peu de chance de se réaliser

Cette hypothèse est marginalement compatible avec les observations faites mais il reste spéculatif. En effet, depuis 1998, les chercheurs constatent que la vitesse d'expansion de l'Univers augmente prodigieusement. Ils avancent l'idée d'une forme de matière qui éloigne les galaxies les unes des autres, la matière sombre dont la pression est négative. Plus elle l'est, plus sa densité va croître avec l'expansion du cosmos. Certains estiment que cette énergie sombre est de l'énergie fantôme. Or pour le moment rien ne laisse supposer une telle affirmation. En conséquence, le Big Rip est plus qu'hypothétique.

Contrairement au concept précédent, l'explosion de l'Univers n'est pas du tout prévue. Les pourfendeurs de cette théorie parlent d'effondrement de l'Univers ou d'un Big Bang à l'envers. Après la phase d'expansion que l'on connaît actuellement, une phase de contraction va s'opérer. Comment ? Il suffit que la densité du cosmos soit suffisante pour permettre à la gravitation de prendre le dessus sur l'expansion. Résultat : une contraction se réalise et elle s'accentue grace à la naissance et l'attirance de trous noirs. Quand l'effondrement sera terminé, l'Univers se retrouvera exactement dans le même état que lors du Big Bang, à savoir, une température gigantesque et une densité ultra importante.

Ce phénomène de dilatation et de contraction en boucle est de plus en plus soutenu par les scientifiques : c'est la théorie de l'Univers cyclique. Cette théorie arrangerait beaucoup la communauté scientifique car elle permettrait d'expliquer le premier Big Bang, il y a environ 14 milliards d'années

L'expansion, résultant du Big Bang et de la gravitation, phénomène physique qui régit l'espace-temps sont en opposition:

le big crunch 

Malgré ces deux théories avancées sur le devenir de notre Univers, la majorité des cosmologues s'accordent à dire que l'expansion continuera indéfiniment et qu'aucune explosion, ni aucune contraction ne se produira.

Une théorie plausible : les instigateurs

Outre son aspect historique, le Big Bang est une théorie. Ironie du sort, son nom n'est pas venu de l'un de ses fondateurs, bien au contraire mais de l'un de ses plus féroces opposants, Fred Hoyle, un physicien anglais. Proposé au milieu du XXe siècle, ce modèle est énoncé sur la base de plusieurs travaux importants.

La célèbre découverte d'Albert Einstein en 1915 marque le début de la cosmologie moderne, donc du Big Bang. A savoir, l'étude de l'Univers comme un système physique. Bien avant cette découverte, elle ne se basait que sur la cosmologie dite religieuse

Einstein utilise la relativité générale pour définir l'Univers comme un ensemble homogène et isotrope, semblable à lui-même quels que soient le lieu et la direction dans laquelle on regarde : c'est le principe cosmologique. Plutôt audacieux de sa part car à l'époque rien ne permettait d'affirmer l'existence d'objets à l'extérieur de la Voie Lactée, notre galaxie. Le savant s'aventure dans une autre hypothèse : l'Univers est statique, il n'évolue pas. Mais les travaux d'Edwin Powell Hubble dans les années 20 lui donnent tort. Il observe au télescope Hooker des nébuleuses spiralées extra galactiques, en fait des galaxies baptisées à l'époque d' univers îles. Cette découverte bat en brèche l'affirmation d'Einstein.

Ce concept a fortement contribué à édifier la cosmologie moderne. Hubble a travaillé en collaboration avec Milton Humason, à l'observatoire du Mont Wilson à Los Angeles. Celui-ci mesure les vitesses des galaxies tandis qu'Hubble se penchent sur leurs distances. En 1929, après confrontation de leurs travaux, ils arrivent à la conclusion que les galaxies s'éloignent de la Voie Lactée avec une vitesse proportionnelle à leur distance : la loi de Hubble. Plus aucun doute n'est possible, l'Univers est bien en expansion.

D'autres scientifiques planchent également sur le sujet et confortent cette idée par leurs découvertes. En l'occurrence le Russe Alexander Friedman. Lorsqu'il découvre la théorie de la relativité générale d'Einstein en 1920, il entreprend alors de chercher les solutions exactes des équations posées par celui-ci. Il en déduira l'existence de trois types d'évolution dans le temps de l'Univers, impliquant une singularité initiale, région de l'espace-temps. En 1927, le Belge Georges Lemaître, astronome est le premier à formuler la loi de proportionnalité entre distance et vitesse de récession des galaxies : la constante de Hubble. Elle sera découverte empiriquement par Hubble en 1929. En outre, Lemaître propose une évolution de l'Univers à partir d'un "atome primitif' : la théorie du Big Bang est née

Des preuves irréfutables

Il vous est certainement déjà arrivé de voir apparaître sur votre vieux poste de télévision de la neige. Défaut d'antenne me direz-vous. Vrai et faux. 1% de la responsabilité revient à un rayonnement fossile de l'Univers vieux de 380 000 ans : le fond diffus cosmologique

En 1965, deux jeunes radioastronomes du laboratoire de la Bell Telephone, Arno Penzias et Robert Wilson, découvrent cette onde radio complètement par hasard. Leur antenne de 6 mètres de haut capte un étrange signal radio venant de toutes les directions célestes, qui perdure et n'évolue pas avec le temps. Cette découverte inopinée leur vaudra tout de même le prix Nobel de physique en 1978. Un hasard qui fait bien les choses.

D'autant plus qu'il tombe à pic pour légitimer les travaux d'un certain Georges Gamow, ardent défenseur de la théorie du Big Bang. L'expansion de l'Univers n'étant plus à prouver avec les travaux de Friedman et de Lemaître, le physicien d'origine russe émet l'idée que sa naissance s'est produite au cours d'une phase très chaude et dense. La matière y est très compactée. Par conséquent, la naissance du cosmos se serait accompagnée de la diffusion d'un rayonnement intense encore perceptible à l'heure actuelle. Il s'agit bien du fond diffus capté par les deux jeunes savants en 1965. Il s'est propagé au moment de la phase de recombianiason, 380 000 ans après le Big Bang. La densité du cosmos a diminué grace au couplage des électrons libres aux noyaux atomiques, ainsi la lumière a pu passer et se diffuser

Ces éléments légers correspondent à tous les isotopes d'hélium, d'hydrogène et de lithium. D'où viennent-ils ? Deux hypothèses s'opposent...

ils ont été synthétisés lors de la nucléosynthèse primordiale par l'association de nucléons (protons et neutrons).

Ils sont élaborés dans les étoiles au cours du temps. L'hydrogène se forme en premier puis fusionne pour donner l'hélium puis des éléments plus lourds.

Quasars

Une étude de l'abondance des éléments légers a été menée dans les quasars lointains donc vieux, des noyaux actifs de galaxies alimentés par un trou noir massif. Les scientifiques y calculent le rapport de la densité de photons à la densité de baryons neutrons, protons, noyaux atomique. Il est quasi constant depuis la nucléosynthèse primordiale. Ce résultat légitime l'abondance des éléments légers ainsi le modèle du Big Bang. Quant aux éléments lourds, ils se créent dans les étoiles

Pour un bon nombre de cosmologues, la théorie du Big Bang semble la plus évidente et la moins attaquable pour expliquer la naissance de l'Univers. L'ensemble des observations effectuées depuis des dizaines d'années convergent vers les hypothèses avancées par ce modèle. Pourtant, quelques points jettent le trouble car ils n'y sont pas pris en compte et les scientifiques ne peuvent pas en faire abstraction.

matière noire

Après de nombreuses études menées sur l'expansion de l'Univers et maintenant sur le fond diffus cosmologique, le résultat tombe. Le cosmos n'est composé que de 4,5% de matière ordinaire, à savoir les protons, les neutrons et les noyaux atomiques qui constituent notre corps. Que contient-il à 95% ? Une matière indétectable à l'œil nu mais également par les détecteurs actuels : la matière noire.

Elle a été détectée très tôt par Fritz Zwichy en 1933 et ce bien avant la découverte de l'expansion de l'Univers. En scrutant l'amas de Coma dans la constellation de la Chevelure de Bérénice, il observe une vitesse de déplacement des galaxies très rapide nécessitant une teneur en matière 100 fois plus importante que celle observée. Sans le savoir, il vient de mettre en exergue une nouvelle matière qui n'est pas celle ordinaire : la matière noire. Les études suivantes tendent toutes vers cette conclusion : l'essentiel du cosmos n'est pas constitué de matière baryonique ou ordinaire. Idem pour les trous noirs, les étoiles à neutrons, les naines blanches, etc. Il s'agit d'une matière constituée de Wimps, des molécules massives interactives et qui structurent les galaxies. Cette composition lancée par des scientifiques repose sur la théorie des cordes.

Autre phénomène surprenant que les scientifiques détectent en 1988 avec les programmes de surveillance d'explosion d'étoiles : l'énergie noire. Ils observent une accélération de l'expansion cosmique pourtant soumise à l'influence de la gravité et des masses. Longtemps contestées, ces observations vont s'avérer de plus en plus fiables grace aux résultats du satellite américain WMAP sur les fluctuations du rayonnement fossile. Cette composante répulsive, l'énergie noire remplit l'espace 70% du cosmos et booste  l'expansion.

Energie noire

De nombreux travaux restent à faire sur ces deux phénomènes afin de comprendre leur fonctionnement et leur impact dans l'Univers. Le modèle du Big Bang ne les explique pas.

 Peu de temps après la naissance de l'Univers, une phase d'homogénéisation et d'isotropisation s'opère. C'est l'inflation cosmique. Une partie de cette période est totalement expliquée et prise en compte par le modèle cosmologique mais deux évènement de l'inflation restent inexplicables ou non compris par les chercheurs : le préchauffage et le réchauffage. Leur fonction respective : créer l'explosion"nécessaire à la formation de particules et la thermalisation de celles-ci. Ces deux mécanismes s'effectuent à la fin de la phase d'inflation cosmique. De nombreuses études sont en cours pour percer leur mystère et leur répercussion dans la formation de l'Univers.

La polémique : état stationnaire ?

La théorie du Big Bang a suscité beaucoup de remous aussi bien dans la communauté scientifique que chez les religieux. Dans le milieu du XXe siècle, certaines voix se sont élevées contre ce modèle comme le Britannique Fred Hoyle, auteur sarcastique du nom Big Bang.

La théorie de l'état stationnaire émerge au cours des années 40. Les auteurs Fred Hoyle, Thomas Gold et Hermann Bondi supposent que l'Univers est immuable et éternel pour le Big Bang, il a un age fini. A l'image d'Albert Einstein qui s'était vivement emporté contre Alexander Friedman quand il a défendu l'idée de l'expansion en se basant sur des équations découlant de la relativité générale.

Cette vive opposition au Big Bang repose sur le fait que l'Univers n'a pas changé entre sa naissance et aujourd'hui. Il est en accord avec le big Bang sur le fait qu'il est homogène et isotrope et respecte donc le principe cosmologique mais diverge sur l'expansion. Comment justifie-t-il la chute de densité du cosmos avec le temps ? Elle met en avant le phénomène de création continue de matière, en l'occurrence au sein des étoiles et à l'aide d'un champ appelé champs C. Pour asseoir leur théorie, les trois scientifiques mettent en avant ce qu'ils considéraient comme des failles du modèle Big Bang :

 L'age inférieur de l'Univers à celui de la Terre.

La prédiction d'une phase dense et chaude aux prémices du cosmos.

Ces arguments tomberont comme un chateau de cartes avec les découvertes survenues lors de différentes études. L'état stationnaire ne convînt pas les scientifiques car des observations indiscutables remettent totalement en question ses fondements dont une en particulier, le fond diffus cosmologique. Les nouvelles technologies ont pu mesurer la température de ce rayonnement fossile dans des galaxies lointaines, vestiges des époques passées. L'état stationnaire parlait bien d'un fond diffus mais d'égal température au cours du temps. Or les résultats indiquent une fluctuation de celle-ci

De même, la théorie de Hoyle considérait que l'Univers n'évoluait pas que ce soit au niveau spatial comme au niveau morphologique. L'expansion justifiée par les travaux de Lemaître et de Friedmann réduit à néant ces hypothèses. Enfin cette théorie n'arrive pas à expliquer, contrairement au Big Bang, l'abondance des éléments légers présents dans le cosmos, en particulier celle de l'hélium. Le coup de grace apporté à la théorie de l'état stationnaire est l'observation de l'accélération de l'expansion via l'énergie noire. Difficile pour les défenseurs de cette théorie d'argumenter face à cette découverte implacable.

Des opposants scientifiques

Hamnes Alfvén, physicien et prix Nobel de physique en 1970 pour ses travaux sur la physique des plasmas, se lance dans une théorie plus que contestable. Partant d'un Univers plasma, il estime que les phénomènes électromagnétiques sont supérieurs aux gravitationnels. Une idée qui va à l'encontre des travaux d'Einstein. Cette théorie sera vite abandonnée.

Edward Milne s'est basé sur des cosmologies newtoniennes. Il interprète l'expansion de l'Univers comme des mouvements de galaxies dans un espace statique, entre autres. Avec la découverte du fond diffus cosmologique, sa théorie ne tient pas

Ironie du sort, Arno Penzias à droite et Robert Wilson, découvreur du fond diffus cosmologique n'étaient pas adeptes de la théorie du Big Bang.

Autres scientifiques peu convaincus par le big Bang et c'est une sacrée surprise : Arno Penzias et Robert Wilson, les astrophysiciens qui ont capté en premier le rayonnement fossile grace à une antenne. Ne croyant pas à la véracité de leur découverte, ils ont préféré à la théorie du big Bang, l'état stationnaire.

Les allergiques du Big Bang ne pouvant se faire à la non recevabilité de l'état stationnaire tentent de gommer ses imperfections en proposant la théorie d'un état quasi stationnaire. Jayant Narlikar, astronome en est un des concepteurs. Ne pouvant fermer les yeux sur le rayonnement fossile, argument anéantissant l'état stationnaire, il explique la création de matière par des phénomènes successifs d'expansion et de contraction de l'Univers. Une théorie qui n'a pas fait mouche auprès de la communauté scientifique car ce modèle était incapable d'expliquer les observations faites sur le cri de l'univers.

Un autre état de big bang

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Face à son incapacité à élaborer une autre théorie fiable, Narlikar se range au côté des pro Big Bang. Fed Hoyle, lui-même, opposant de la première heure s'y plie également.

Les obervations de l'Univers réalisées depuis une cinquantaine d'années asseoient la théorie du big Bang sur le devant de la cosmologie moderne. La seule théorie qui lui ait fait de l'ombre était l'état stationnaire. Mais elle est totalement tombée à l'eau suite, entre autres à la découverte du fond diffus cosmologique en 1965

D'autres scientifiques s'y sont égalemenent cassés les dents avec une pseudo théorie d'état quasi-stationnaire. Malheureusement, ses arguments ne tiennent pas vraiment la route et font plutôt office de bricolage pour contrer le Big Bang. Pour résumer, à l'heure actuelle, aucun scientifique n'est capable de présenter une autre théorie qui tienne la route. Pourtant, avec l'élaboration de nouvelles technologies, il est possible d'imaginer une remise en question du Big Bang avec la découverte d'éléments contradicteurs...

Conclusion et reportage

L'Univers est né il y a environ 13,7 milliards d'années dans une période chaude et dense. Suite à de nombreuses réactions en chaîne et un abaissement progressif de la température dans le temps, le cosmos grandit de façon homogène et isotrope, créant des nombreuses structures telles que les trous noirs, les galaxies, les étoiles, etc.

Au milieux du XXe siècle, la théorie du Big Bang voit le jour grace aux travaux sur la relativité générale d'Einstein, aux équations de Friedmann, aux travaux de Lemaître et surtout grace au développement des techniques d'observation des galaxies. D'autres théories ont été avancées mais sans succès. A l'heure actuelle, le Big Bang semble être la théorie la plus fiable pour expliquer l'histoire de notre Univers. Mais des questions demeurent encore sans réponse dont la plus importante est l'origine du cosmos, le temps zéro.

Bien que la théorie de l'état stationnaire ait connu une forte popularité, les études menées sur l'Univers n'ont fait que conforter la théorie du Big Bang. Pourtant, de nombreux scientifiques marquent une certaine réticence à son encontre et tentent de trouver d'autres théories.

Reportage: Théorie du big bang. Documentaire en neuf parties.

Partie 1

Partie 2

Partie 3

Partie 4

Partie 5

Partie 6

Partie 7

Partie 8

Partie 9