Big Bang

L’Univers s’est dilaté à partir d’un état chaud et dense

La théorie du Big Bang décrit comment l’Univers s’est dilaté et refroidi à partir d’un état initial très chaud et dense. Les mouvements des galaxies, le rayonnement encore présent dans l’espace et l’abondance des éléments légers étayent cette explication.

Le modèle cosmologique standard estime l’âge de l’Univers à environ 13,8 milliards d’années. Au début, il ne contenait ni étoiles ni galaxies. Son refroidissement a permis la formation des atomes. Plus tard, la gravité a rassemblé le gaz en étoiles et en galaxies.

Environ 13,8 milliards d’années Âge estimé à partir des observations et du modèle cosmologique standard
Les premières minutes Formation des noyaux d’hélium et d’autres éléments légers
Environ 380 000 ans plus tard Formation des atomes et propagation de la lumière sur de grandes distances
Trois preuves principales Expansion, fond diffus cosmologique et abondance des éléments légers

Les distances entre les galaxies augmentent

L’analyse de la lumière d’une galaxie lointaine permet de mesurer l’allongement de ses longueurs d’onde : c’est le décalage vers le rouge. En général, plus une galaxie est éloignée, plus ce décalage est grand. Cela correspond à l’étirement de la lumière pendant l’expansion. Il ne s’agit pas simplement de comparer la couleur apparente des galaxies.

En remontant l’expansion, on retrouve un Univers où la matière était plus concentrée et la température plus élevée. Cette expansion n’a pas de centre particulier. À très grande échelle, les distances moyennes entre galaxies augmentent quelle que soit la galaxie choisie comme référence. Les systèmes liés par la gravité, comme le Système solaire ou l’intérieur d’une galaxie, ne se dilatent toutefois pas de la même façon.

L’expansion cosmique est l’augmentation des distances entre les galaxies.

Comparer le Big Bang à une explosion peut faire imaginer de la matière projetée depuis un lieu précis. La théorie décrit l’expansion et l’évolution de la température de l’Univers entier.

La lumière de l’Univers jeune reste observable

Dans l’Univers jeune, la lumière était fréquemment diffusée par les électrons libres et ne pouvait pas aller loin. Environ 380 000 ans après le Big Bang, le refroidissement a permis aux électrons de rejoindre les noyaux pour former des atomes. La lumière qui a alors pu parcourir de grandes distances est observée aujourd’hui comme le fond diffus cosmologique (CMB). L’expansion a étiré ses longueurs d’onde jusque dans le domaine des micro-ondes.

COBE a mesuré le spectre de ce rayonnement. Il correspond très étroitement à la distribution de lumière émise à l’équilibre thermique vers 2,725 K. WMAP et Planck ont aussi mesuré de faibles différences de température selon les directions du ciel. Elles renseignent sur la répartition de la matière avant la formation des galaxies. Le CMB montre l’Univers environ 380 000 ans après le Big Bang.

Premières minutes : les protons et les neutrons s’assemblent en hélium et autres noyaux légers.
Environ 380 000 ans plus tard : les électrons rejoignent les noyaux et la lumière commence à voyager loin.
Durant les centaines de millions d’années suivantes : la gravité rassemble le gaz, les premières étoiles et galaxies se forment.
Environ 13,8 milliards d’années plus tard, aujourd’hui : nous observons ce rayonnement sous forme de micro-ondes dans un Univers dilaté.

L’abondance de l’hélium met la théorie à l’épreuve

Un proton seul est déjà le noyau de la forme la plus courante de l’hydrogène. Durant les premières minutes, protons et neutrons se sont assemblés en hélium et autres noyaux : c’est la nucléosynthèse primordiale. Les calculs prédisent alors une matière ordinaire composée, en masse, d’environ 75% d’hydrogène et 25% d’hélium. Cela concorde avec les observations de matière peu transformée par les étoiles.

L’abondance du deutérium est un autre test important. Il s’agit d’hydrogène dont le noyau contient un proton et un neutron. Le lithium-7 reste un problème : les quantités calculées diffèrent de celles mesurées dans les vieilles étoiles. Les éléments plus lourds, comme le carbone et l’oxygène, ont surtout été produits par des réactions nucléaires dans les étoiles apparues ensuite.

L’origine de l’Univers reste inconnue

L’expansion, le refroidissement, puis la formation des étoiles et des galaxies ont finalement conduit à la Voie lactée et au Système solaire. La théorie du Big Bang explique cette longue évolution, mais ne dit pas pourquoi l’Univers s’est mis à exister.

L’hypothèse de l’inflation propose une phase de dilatation extrêmement rapide et brève dans l’Univers très jeune. Elle aide à expliquer son uniformité à grande échelle, mais sa cause physique n’est pas établie. Par ailleurs, le taux d’expansion mesuré avec des objets proches diffère de celui estimé en appliquant un modèle au CMB. Les chercheurs étudient si cet écart vient des mesures ou nécessite de revoir la théorie.

Une singularité est un point où des grandeurs comme la densité deviennent infinies dans les calculs, atteignant les limites de la théorie. Les singularités des trous noirs et celles des calculs remontant au Big Bang soulèvent toutes deux la question des limites des théories actuelles. Une singularité mathématique ne prouve pas que l’Univers réel ait commencé en un point infiniment petit. Ce qui aurait précédé le Big Bang reste également sans réponse définitive.