Qu'est-ce que le Big Bang ?

par SEOARMY Task avril 14, 2020

La théorie du Big Bang est la principale explication de la façon dont l'univers a commencé. Dans sa forme la plus simple, elle dit que l'univers tel que nous le connaissons a commencé avec une petite singularité, puis s'est gonflé au cours des 13,8 milliards d'années suivantes jusqu'au cosmos que nous connaissons aujourd'hui.

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Une carte de 2013 du rayonnement focile laissé par le Big Bang, prise par le vaisseau spatial Planck de l'ESA, a permis de capter la plus ancienne lumière de l'univers. Ces informations aident les astronomes à déterminer l'âge de l'univers.
(Image : © ESA et la collaboration Planck).

Comme les instruments actuels ne permettent pas aux astronomes d'observer la naissance de l'univers, une grande partie de ce que nous comprenons de la théorie du Big Bang provient de formules et de modèles mathématiques. Les astronomes peuvent cependant voir l'"écho" de l' expansion par un phénomène connu sous le nom de fond micro-onde cosmique.

Bien que la majorité de la communauté astronomique accepte cette théorie, certains théoriciens ont d'autres explications que le Big Bang - comme l'inflation éternelle ou un univers oscillant.

L'expression " théorie du Big Bang" est populaire parmi les astrophysiciens depuis des décennies, mais elle a atteint le grand public en 2007 lorsqu'une émission comique portant le même nom a été diffusée pour la première fois sur CBS. L'émission suit la vie familiale et universitaire de plusieurs chercheurs (dont un astrophysicien).

La première seconde, et la naissance de la lumière

Dans la première seconde après le début de l'univers, la température ambiante était d'environ 10 milliards de degrés Fahrenheit (5,5 milliards de Celsius), selon la NASA. Le cosmos contenait une vaste gamme de particules fondamentales telles que les neutrons, les électrons et les protons. Ceux-ci se désintégraient ou se combinaient à mesure que l'univers se refroidissait.

Cette soupe primitive aurait été impossible à regarder, car la lumière ne pouvait pas la transporter à l'intérieur. "Les électrons libres auraient fait en sorte que la lumière (les photons) se disperse de la même façon que la lumière du soleil se disperse des gouttelettes d'eau dans les nuages", a déclaré la NASA. Avec le temps, cependant, les électrons libres ont rencontré des noyaux et créé des atomes neutres. Cela a permis à la lumière de traverser environ 380 000 ans après le Big Bang.

Cette lumière précoce - parfois appelée "rémanence" du Big Bang - est plus précisément connue sous le nom de fond micro-onde cosmique (CMB). Il a été prédit pour la première fois par Ralph Alpher et d'autres scientifiques en 1948, mais n'a été découvert que par accident près de 20 ans plus tard. [Images : Retour sur le Big Bang et les débuts de l'Univers]

Arno Penzias et Robert Wilson, tous deux des Bell Telephone Laboratories à Murray Hill, dans le New Jersey, construisaient un récepteur radio en 1965 et captaient des températures plus élevées que prévu, selon la NASA. Au début, ils pensaient que l'anomalie était due aux pigeons et à leurs excréments, mais même après avoir nettoyé le désordre et tué les pigeons qui essayaient de se percher à l'intérieur de l'antenne, l'anomalie a persisté.

Simultanément, une équipe de l'université de Princeton (dirigée par Robert Dicke) essayait de trouver des preuves du CMB, et a réalisé que Penzias et Wilson étaient tombés dessus. Les équipes ont chacune publié des articles dans la revue Astrophysical Journal en 1965.

Déterminer l'âge de l'univers

Le bruit de fond des micro-ondes cosmiques a été observé lors de nombreuses missions. L'une des missions spatiales les plus célèbres a été le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA, qui a cartographié le ciel dans les années 1990.

Plusieurs autres missions ont suivi les traces de COBE, telles que l'expérience BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), la sonde d'anisotropie micro-ondes Wilkinson (WMAP) de la NASA et le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne.

Les observations de Planck, publiées pour la première fois en 2013, ont permis de cartographier le fond de l'océan avec un niveau de détail sans précédent et ont révélé que l'univers était plus vieux qu'on ne le pensait auparavant : 13,82 milliards d'années au lieu de 13,7 milliards d'années. (La mission de l'observatoire de recherche est en cours et de nouvelles cartes du CMB sont publiées périodiquement).

Ces cartes donnent cependant lieu à de nouveaux mystères, comme par exemple pourquoi l'hémisphère sud semble légèrement plus rouge (plus chaud) que l'hémisphère nord. Selon la théorie du Big Bang, le CMB serait essentiellement le même, quel que soit l'endroit où l'on regarde.

L'examen du CMB donne également aux astronomes des indices sur la composition de l'univers. Les chercheurs pensent que la plus grande partie du cosmos est composée de matière et d'énergie qui ne peuvent être "détectées" avec les instruments conventionnels, d'où les noms de matière noire et d'énergie noire. Seuls 5 % de l'univers sont constitués de matière comme les planètes, les étoiles et les galaxies.

Controverse sur les ondes gravitationnelles

Si les astronomes ont pu voir les débuts de l'univers, ils ont également cherché des preuves de son inflation rapide. Selon la théorie, dans la première seconde qui a suivi la naissance de l'univers, notre cosmos s'est gonflé plus vite que la vitesse de la lumière. Cela, d'ailleurs, ne viole pas la limite de vitesse d'Albert Einstein puisqu'il disait que la lumière est le maximum que tout peut parcourir dans l'univers. Cela ne s'applique pas à l'inflation de l'univers lui-même.

En 2014, les astronomes ont déclaré avoir trouvé dans le CMB des preuves concernant les "modes B", une sorte de polarisation générée lorsque l'univers grossit et crée des ondes gravitationnelles. L'équipe en a trouvé la preuve en utilisant un télescope antarctique appelé "Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization", ou BICEP2.

"Nous sommes très confiants que le signal que nous voyons est réel, et qu'il est dans le ciel", a déclaré le chercheur principal John Kovac, du Centre d'astrophysique de Harvard-Smithsonian, à Space.com en mars 2014.

Mais en juin, la même équipe a déclaré que ses découvertes pourraient avoir été altérées par des poussières galactiques se trouvant dans leur champ de vision.

"Le résultat de base n'a pas changé ; nous avons une grande confiance dans nos résultats", a déclaré M. Kovac lors d'une conférence de presse rapportée par le New York Times. "Les nouvelles informations de Planck donnent l'impression que les prévisions préplanckiennes concernant la poussière étaient trop faibles", a-t-il ajouté.

Les résultats de Planck ont été mis en ligne sous une forme pré-publiée en septembre. En janvier 2015, les chercheurs des deux équipes travaillant ensemble "ont confirmé que le signal du Bicep était principalement, sinon entièrement, de la poussière d'étoiles", a déclaré le New York Times dans un autre article.

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Ce graphique montre une ligne de temps de l'univers basée sur la théorie du Big Bang et des modèles d'inflation. (Crédit image : NASA/WMAP)

Séparément, les ondes gravitationnelles ont été confirmées en parlant des mouvements et des collisions des trous noirs qui sont quelques dizaines de masses plus grandes que notre soleil. Ces ondes ont été détectées à plusieurs reprises par l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) depuis 2016. Comme le LIGO devient plus sensible, on prévoit que la découverte d'ondes gravitationnelles liées aux trous noirs sera un événement assez fréquent.

Une inflation plus rapide, des multiverses et des graphiques de départ

L'univers n'est pas seulement en expansion, mais il devient plus rapide en se gonflant. Cela signifie qu'avec le temps, personne ne pourra plus repérer les autres galaxies depuis la Terre, ou tout autre point d'observation dans notre galaxie.

"Nous verrons des galaxies lointaines s'éloigner de nous, mais leur vitesse augmente avec le temps", a déclaré Avi Loeb, astronome de l'université de Harvard, dans un article paru sur Space.com en mars 2014.

"Donc, si vous attendez assez longtemps, une galaxie lointaine finira par atteindre la vitesse de la lumière. Cela signifie que même la lumière ne pourra pas combler le fossé qui s'est ouvert entre cette galaxie et nous. Les extraterrestres de cette galaxie n'ont aucun moyen de communiquer avec nous, d'envoyer des signaux qui nous atteindront, une fois que leur galaxie se déplacera plus vite que la lumière par rapport à nous".

Certains physiciens suggèrent également que l'univers que nous connaissons n'est qu'un parmi tant d'autres. Dans le modèle "multivers", différents univers coexisteraient les uns avec les autres comme des bulles couchées côte à côte. La théorie suggère que lors de cette première grande poussée d'inflation, différentes parties de l'espace-temps se sont développées à des rythmes différents. Cela aurait pu découper différentes sections - différents univers - avec des lois physiques potentiellement différentes.

"Il est difficile de construire des modèles d'inflation qui ne conduisent pas à un multivers", a déclaré Alan Guth, physicien théoricien au Massachusetts Institute of Technology, lors d'une conférence de presse en mars 2014 concernant la découverte des ondes gravitationnelles. (Guth n'est pas affilié à cette étude).

"Ce n'est pas impossible, donc je pense qu'il y a certainement encore des recherches à faire. Mais la plupart des modèles d'inflation conduisent à un multivers, et les preuves de l'inflation nous pousseront à prendre [l'idée d'un] multivers au sérieux".

Si nous pouvons comprendre comment l'univers que nous voyons est né, il est possible que le Big Bang n'ait pas été la première période d'inflation que l'univers a connue. Certains scientifiques pensent que nous vivons dans un cosmos qui connaît des cycles réguliers d'inflation et de déflation, et qu'il se trouve que nous vivons l'une de ces phases.

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