Le Big-Bang

Bonjour tout le monde !

Voici un petit article que je viens de finir sur le Big-Bang ....

Le Big-Bang est une théorie scientifique expliquant la naissance de notre Univers et l’évolution de celui-ci dans son état actuel. Certaines personnes peuvent se demander pourquoi a-t-on inventé une théorie sur la naissance du monde, ou tout simplement comment peut-on être sur que l’Univers a bien eu un commencement. Bien sur, nous n’en sommes pas sûr à 100%, mais les observations nous laisse penser qu’il est très probable que l’Univers ait eu un commencement. Avant toutes choses, je vais vous parler un peu de l’histoire de cette théorie.

Avant Einstein, la majorité, si ce n’est toute la communauté scientifique pensait que l’Univers était statique, immuable et éternel. L’hypothèse d’un Univers ayant eu un commencement était absurde. Cependant, la publication de la Relativité Générale d’Einstein en 1915 a tout remis en cause ce modèle. En effet, les équations de la relativité prédisent un Univers en expansion, et non un Univers statique comme on le pensait. Einstein, qui croyait fermement au modèle statique, a décidé d’introduire dans ses équations une « constante cosmologique », pour aboutir à un Univers statique. En 1930, alors qu’il étudiait le spectre de plusieurs galaxies, l’astronome Edwin Hubble découvrit un décalage du spectre des galaxies vers le rouge (phénomène que l’on nomme effet Doppler). Ce décalage du spectre vers le rouge signifie que l’objet s’éloigne de nous. Ainsi, Hubble a découvert que la majorité des galaxies s’éloigne de nous à une vitesse qui est proportionnelle à leur distance. Cette découverte est une des plus grandes preuves de la théorie du Big-Bang. Voici pourquoi : en fait, les galaxies s’éloignent toutes les unes des autres, pour vous imaginer cela, prenez un ballon de baudruche, dessinez quelques points noir dessus et gonflez le ballon : chaque point s’éloignera des autres. En ce qui concerne les galaxies, si l’on remonte le temps, elles seront ainsi de plus en plus proches l’une de l’autre, jusqu’à ce que tout l’Univers soit ainsi compressé dans un volume infiniment petit. Après cette découverte, Einstein accepta que l’Univers soit en expansion et considéra l’introduction de la constante cosmologique dans ses équations comme la plus grande erreur de sa vie.

Maintenant que nous avons vu comment la théorie est née, je vais vous parler de la chronologie du Big-Bang, du « Temps 0 » jusqu’à la formation des premières galaxies.

Tout d’abord, le Temps 0, la naissance présumé de l’Univers … Les astrophysiciens ne savent rien de cette période, pour l’instant tout n’est que spéculation. La période qui s’étend du temps 0 à 10^-43sec (10 puissance –43 secondes) est appelée « l’ère de Planck ». Il s’agit en fait d’une sorte de frontière à notre connaissance, tous ce qui se passe lors de cette période échappe totalement à notre savoir. La température y était de 10^32° et la notion même d’espace et de temps était bouleversée.

En ce qui concerne les 10^-35 seconde après le Big-Bang, ce qui s’est passé mérite d’être détaillé. A ce moment là, il y a eu ce que l’on appelle une brisure de la symétrie. Je vais, pour vous expliquer ce phénomène, faire une analogie avec l’eau. Prenons de l’eau liquide dans un récipient. L’eau liquide n’a pas de structure propre, elle prend la forme du récipient dans lequel elle est. Cependant, lorsqu’elle se solidifie (en dessous de 0°C), elle prend une forme cristalline. Il y a aussi une différence au niveau de la symétrie : dans le récipient d’eau liquide, aucune direction n’est privilégié, alors que l’eau solide elle, privilégie l’axe selon lequel l’eau s’est solidifié. On dit que l’eau liquide et l’eau solide sont deux phases différentes, et que le passage de l’un à l’autre s’appelle une transition de phase. Dans des conditions normales, l’eau se solidifie dès que la température descend en dessous de 0°C. La transition de phase se produit alors doucement avec un lent dégagement d’énergie, appelé chaleur latente. Cependant, il existe un cas particulier appelé la surfusion, qui se produit lorsque la température baisse brusquement. L’énergie n’a alors pas le temps de se dégager, ainsi l’eau peut rester quelques instants en dessous de 0°C à l’état liquide. Cette situation étant très instable, la moindre perturbation entraîne la solidification de l’eau. Ce qui se passe alors que l’Univers n’avait que 10^-35 secondes est analogue. Avant cette période, les forces nucléaires forte et les forces électrofaible (force nucléaire faible + force électromagnétique) étaient « unifiées » : elles constituaient une seule et même force. A ce moment là, ces forces se dissocient. L’Univers passe d’une situation symétrique, où les forces étaient unifiées, à une situation asymétriques, ou ces forces sont distinctes. L’Univers subit donc une transition de phase. On pourrait penser que cette transition de phase s’opère instantanément, mais ce n’est pas ce qu’il se passe. En fait, l’Univers va passer par un stade instable de surfusion. A cette époque, la densité d’énergie est extrêmement élevé, ce qui va avoir pour conséquence d’exercer une force de répulsion énorme en tous points de l’Univers, à tel point que l’expansion sera extrêmement rapide et brutale. Cette période est appelé l’inflation. On pense que la taille de l’Univers a à ce moment là a été multipliée par un facteur 10^50 (un 1 suivi de cinquante 0). Cette période inflationaire aura donc pour conséquence de faire chuter la température et de briser la symétrie entre les forces fortes et électrofaibles. Cette période est aussi marquée par une perpétuelle annihilation / matérialisation de matière et d’antimatière.

De 10^-6 seconde à 1seconde, la matière et l’antimatière s’annihile mutuellement (je rappelle que l’antimatière est de la matière mais avec une charge opposé, par exemple, l’antiparticule de l’électron, de charge négative, s’appelle le positon, de charge positive et la rencontre entre de la matière et de l’antimatière se transforme en énergie, sous forme de rayonnement). Heureusement, la matière était très légèrement dominante, ce qui fait qu’il en restera un résidu de un milliardième de matière, qui correspond à la matière « visible ».

Les trois prochaines minutes qui ont suivi ont été cruciales pour l’histoire de l’Univers. Cette période est marquée par la formation des premiers noyaux d’atomes : les quarks s’assemblent trois par trois pour donner les nucléons (protons et neutrons) et les nucléons s’assemblent pour former les noyaux atomiques. L’Univers est alors majoritairement rempli de noyaux d’hydrogène (un proton) mais aussi d’un peu d’hélium (deux protons et deux neutrons). Cette période est appelé la nucléosynthèse primordiale. La température y est alors de 10^6°.

Après cette période, l’Univers continuera son expansion et va ainsi continuer de se stabiliser, sa température baissera aussi lentement. La matière commencera aussi à s’agglutiner en grumeaux, sous l’effet de la force gravitationnelle.

350 000 ans après le Big-Bang, il se passera un événement très important dans l’histoire de l’Univers : il s’agit du passage de l’opacité à la transparence. Je m’explique : avant cette période, la température était trop chaude pour que les noyaux atomiques puissent capturer sous l’effet de la force électromagnétique les électrons libres. Ces électrons interagissaient sans cesse avec les photons : la lumière ne pouvait ainsi pas voyager librement dans l’espace. Mais, 350 000 ans après le Big-Bang, la température avait suffisamment baissé (3000°) pour que les noyaux puissent capturer ces électrons : les photons peuvent ainsi voyagé librement dans l’espace, l’Univers devient donc transparent. Cette première lueur de l’Univers est toujours visible aujourd’hui. Elle est connu sous le nom de rayonnement fossile, ou fond diffus cosmologique. Il s’agit d’un rayonnement micro-onde baignant tout l’Univers. Ce rayonnement a été découvert en 1965 par deux ingénieurs de la société Bell, Penzias et Wilson, alors qu’ils cherchaient l’origine d’un « bruit de fond » récolté par leurs antennes, et qui était identique dans toute les directions. Ce rayonnement avait été prédit par l’astrophysicien Georges Gamow 40 ans plus tôt.
Ensuite, l’Univers a continué son expansion et s’est refroidi petit à petit. La matière c’est condenser en grumeaux qui ont engendré plus tard la naissance des galaxies.