Singularité initiale (1)

 

Le Big Bang désigne l’époque dense et chaude qu’aurait connue l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que cela préjuge de l’existence d’un « instant initial » ou d’un commencement à son histoire, ni même d’un espace.

Quelques notions à connaître pour comprendre la naissance de l’Univers

A l’origine, il n’y avait pas de matière ni même d’atome. Il n’y avait qu’une « soupe » de particules élémentaires énergétiques (c’est-à-dire de l’énergie pure) : électrons, photons, quarks. La température avoisinait quelques millions de millions de degrés. La densité était énorme et il y régnait le plus grand chaos.

Il faut savoir que le temps zéro (si l’on admet qu’il ait existé) commencerait lorsque la température serait infinie. En physique quantique, il n’y a pas de température infinie, ni même d’infini tout court. Lorsque la température atteint 1032 kelvins, c’est le temps de Planck au-delà duquel tout se délite. Il n’y a plus d’espace, il n’y a plus de temps. Il n’y a pas de temps zéro. Cette limite est « l’horizon de notre connaissance ». On ne peut pas remonter au-delà. Cela ne signifie pas qu’il n’y avait rien avant. Cela veut simplement dire qu’on ne sait pas.

Les observations viennent conforter la théorie du big-bang mais cela n’en fait pas pour autant une « vérité absolue », mais juste une vérité hautement crédible.

En 1927, indépendamment des travaux d’Alexander Friedmann de 1922, Georges Lemaître affirme que l’univers est en expansion, se fondant sur les travaux de Vesto Slipher et Edwin Hubble. Il est le premier à formuler la loi de proportionnalité entre distance et vitesse de récession des galaxies, dont la nature extragalactique vient d’être démontrée quelques années plus tôt. Il fournit une première évaluation de la constante de proportionnalité, ce qu’on appelle aujourd’hui la constante de Hubble. Cette estimation, figurant dans son article de 1927 rédigé en français, ne sera pas traduite dans sa version anglaise réalisée par Arthur Eddington, et sera découverte empiriquement par Hubble quelques années plus tard. Il propose une évolution de l’univers à partir d’un « atome primitif ».

Cette phase marquant le début de l’expansion de l’univers, abusivement comparée à une explosion, a été désignée pour la première fois, et ce de façon ironique, sous ce terme de Big Bang par le physicien anglais Fred Hoyle lors d’un programme radio de la BBC, The Nature of Things (littéralement « La nature des choses »), dont le texte fut publié en 1950. Hoyle ne décrivait pas la théorie mais se moquait du concept en proposant un autre modèle cosmologique, aujourd’hui abandonné, la théorie de l’état stationnaire, dans lequel l’univers n’a pas connu de phase dense et chaude. Perdant sa connotation péjorative l’expression est devenue le nom scientifique et vulgarisé de l’époque d’où est issu l’univers tel que nous le connaissons.

Le terme de Big Bang chaud (Hot Big Bang) était parfois utilisé au début pour indiquer que selon ce modèle l’univers était plus chaud quand il était plus dense. Le qualificatif de « chaud » était rajouté par souci de précision car le fait que l’on puisse associer une notion de température à l’univers dans son ensemble n’était pas encore bien compris au moment où le modèle a été proposé, au milieu du XXe siècle.

Introduction

Selon le modèle du Big Bang, l’univers actuel a émergé d’un état extrêmement dense et chaud il y a environ 13 milliards et demi d’années.

La découverte de la relativité générale par Albert Einstein en 1915 marque le début de la cosmologie moderne, où il devient possible de décrire l’univers dans son ensemble comme un système physique, son évolution à grande échelle étant dictée par la relativité générale.

Einstein est d’ailleurs le premier à utiliser sa théorie fraîchement découverte, tout en y ajoutant un terme supplémentaire, la constante cosmologique, pour proposer une solution issue de la relativité générale décrivant l’espace dans son ensemble, appelée univers d’Einstein. Ce modèle introduit un concept extrêmement audacieux pour l’époque, le principe cosmologique, qui stipule que l’Homme n’occupe pas de position privilégiée dans l’univers, ce qu’Einstein traduit par le fait que l’univers soit homogène et isotrope, c’est-à-dire semblable à lui-même quels que soient le lieu et la direction dans laquelle on regarde. Cette hypothèse était relativement hardie car à l’époque aucune observation concluante ne permettait d’affirmer l’existence d’objet extérieur à la Voie lactée, bien que le débat sur cette question existe dès cette époque.

Au principe cosmologique, Einstein ajoute implicitement une autre hypothèse qui paraît aujourd’hui nettement moins justifiée, celle que l’univers est statique, c’est-à-dire n’évolue pas avec le temps. C’est cet ensemble qui le conduit à modifier sa formulation initiale en ajoutant à ses équations le terme de constante cosmologique. L’avenir lui donne tort, car dans les années 1920, Edwin Hubble découvre la nature extragalactique de certaines « nébuleuses » (aujourd’hui appelées galaxies), puis leur éloignement les unes des autres. Elles s’éloignent d’autant plus vite qu’elles sont loin de nous (loi de Hubble): c’est l’expansion. Dès lors, plus rien ne justifie l’hypothèse d’un univers statique postulée par Einstein.

Avant même la découverte de Hubble, plusieurs physiciens dont Willem de Sitter, Georges Lemaître et Alexandre Friedmann découvrent d’autres solutions de la relativité générale décrivant un univers en expansion. Leurs modèles sont alors immédiatement acceptés dès la découverte de l’expansion de l’univers. Ils décrivent ainsi un univers en expansion depuis plusieurs milliards d’années. Par le passé, celui-ci était donc plus dense et plus chaud.

Big Bang ou état stationnaire ?

La découverte de l’expansion de l’univers prouve que celui-ci n’est pas statique, mais laisse place à plusieurs interprétations possibles :
– soit il y a conservation de la matière (hypothèse a priori la plus réaliste), et donc dilution de celle-ci dans le mouvement d’expansion, et dans ce cas l’univers était plus dense par le passé : c’est le Big Bang ;
– soit on peut imaginer à l’inverse que l’expansion s’accompagne d’une création (voire d’une disparition) de matière. Dans ce cadre-là, l’hypothèse la plus esthétique est d’imaginer un phénomène de création continue de matière contrebalançant exactement sa dilution par l’expansion. Un tel univers serait alors stationnaire.

Dans un premier temps, c’est cette seconde hypothèse qui a été la plus populaire, bien que le phénomène de création de matière ne soit pas motivé par des considérations physiques. L’une des raisons de ce succès est que dans ce modèle, appelé théorie de l’état stationnaire, l’univers est éternel. Il ne peut donc y avoir de conflit entre l’âge de celui-ci et celui d’un objet céleste quelconque.

À l’inverse, dans l’hypothèse du Big Bang, l’univers a un âge fini, que l’on déduit directement de son taux d’expansion (voir équations de Friedmann). Dans les années 1940, le taux d’expansion de l’univers était très largement surestimé, ce qui conduisait à une importante sous-estimation de l’âge de l’univers. Or diverses méthodes de datation de la Terre indiquaient que celle-ci était plus vieille que l’âge de l’univers estimé par son taux d’expansion. Les modèles de type Big Bang étaient donc en difficulté vis-à-vis de telles observations. Ces difficultés ont disparu par la suite par une réévaluation plus précise du taux d’expansion de l’univers.

Preuves observationnelles

Vision d’artiste du satellite WMAP collectant les données afin d’aider les scientifiques à comprendre le Big Bang

Deux preuves observationnelles décisives ont définitivement donné raison aux modèles de Big Bang : il s’agit de la détection du fond diffus cosmologique, rayonnement de basse énergie (domaine micro-onde) vestige de l’époque chaude de l’histoire de l’univers, et la mesure de l’abondance des éléments légers, c’est-à-dire des abondances relatives de différents isotopes de l’hydrogène, de l’hélium et du lithium qui se sont formés pendant la phase chaude primordiale.

Ces deux observations remontent au début de la seconde moitié du XXe siècle et ont définitivement assis le Big Bang comme le modèle décrivant l’univers observable. Outre la cohérence quasi-parfaite du modèle avec un ensemble d’observations cosmologiques effectuées depuis, d’autres preuves relativement directes sont venues s’ajouter : l’observation de l’évolution des populations galactiques et la mesure du refroidissement du fond diffus cosmologique depuis plusieurs milliards d’années jusqu’à aujourd’hui.

Le fond diffus cosmologique

Le fond diffus cosmologique, découvert en 1965 est le témoin le plus direct du Big Bang. Depuis, ses fluctuations ont été étudiées par les sondes spatiales COBE (1992) et WMAP (2003).

L’expansion prédit naturellement que l’univers a été plus dense par le passé. À l’instar d’un gaz qui s’échauffe quand on le comprime, l’univers devait aussi être plus chaud par le passé. Cette possibilité semble évoquée pour la première fois en 1934 par Georges Lemaître, mais n’est réellement étudiée qu’à partir des années 1940. C’est à George Gamow, entre autres, que l’on doit l’étude du fait que l’univers doive être empli d’un rayonnement qui perd de l’énergie du fait de l’expansion, selon un processus semblable à celui du décalage vers le rouge du rayonnement des objets astrophysiques distants.

Gamow réalise en effet que les fortes densités de l’univers primordial doivent avoir permis l’instauration d’un équilibre thermique entre les atomes, et par suite l’existence d’un rayonnement émis par ceux-ci. Ce rayonnement devait être d’autant plus intense que l’univers était dense, et devait donc encore exister aujourd’hui, bien que considérablement moins intense. Gamow fut le premier (avec Ralph Alpher et Robert C. Herman) à réaliser que la température actuelle de ce rayonnement pouvait être calculée à partir de la connaissance de l’âge de l’univers, la densité de matière, et l’abondance d’hélium.

Ce rayonnement est appelé aujourd’hui fond diffus cosmologique, ou parfois rayonnement fossile. Il correspond à un rayonnement de corps noir à basse température (2,7 kelvins), conformément aux prédictions de Gamow. Sa découverte, quelque peu fortuite, est due à Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson en 1965, qui seront récompensés par le Prix Nobel de physique en 1978.

L’existence d’un rayonnement de corps noir est facile à expliquer dans le cadre du modèle du Big Bang : par le passé, l’univers est très chaud et baigne dans un rayonnement intense. Sa densité, très élevée, fait que les interactions entre matière et rayonnement sont très nombreuses, ce qui a pour conséquence que le rayonnement est thermalisé, c’est-à-dire que son spectre électromagnétique est celui d’un corps noir. L’existence d’un tel rayonnement dans la théorie de l’état stationnaire est par contre quasiment impossible à justifier (bien que ses rares tenants affirment le contraire).

Bien que correspondant à un rayonnement à basse température et peu énergétique, le fond diffus cosmologique n’en demeure pas moins la plus grande forme d’énergie électromagnétique de l’univers : près de 96 % de l’énergie existant sous forme de photons est dans le rayonnement fossile, les 4 % restants résultant du rayonnement des étoiles (dans le domaine visible) et du gaz froid dans les galaxies (en infrarouge). Ces deux autres sources émettent des photons certes plus énergétiques, mais nettement moins nombreux.

Dans la théorie de l’état stationnaire, l’existence du fond diffus cosmologique est supposée résulter d’une thermalisation du rayonnement stellaire par d’hypothétiques aiguillettes de fer microscopiques, un tel modèle s’avère en contradiction avec les données observables, tant en terme d’abondance du fer qu’en terme d’efficacité du processus de thermalisation (il est impossible d’expliquer dans ce cadre que le fond diffus cosmologique soit un corps noir aussi parfait) ou d’isotropie (on s’attendrait à ce que la thermalisation soit plus ou moins efficace selon la distance aux galaxies).

La découverte du fond diffus cosmologique fut historiquement une preuve décisive du Big Bang.

Lisez la deuxieme partie de cet article.

 

yogaesoteric
13 novembre 2018

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