Percer les secrets du Big Bang en 8 minutes

Percer les secrets du Big Bang en 8 minutes

Comprendre le Big Bang

Le Big Bang…qui n’en a pas entendu parler? Mais qui peut se vanter de savoir parfaitement ce que c’est? Un terme rigolo qui exprime pourtant une très grande théorie qui a le gros avantage d’expliquer parfaitement tout ce que nous pouvons voir dans le ciel! Je te propose donc de percer les secrets de cette histoire!

Qu’est-ce que la théorie du Big Bang ?

Le Big Bang est le nom donné à une théorie qui explique l’évolution de la totalité de l’Univers. Rien que ça !

Cette théorie n’est pas facile à comprendre, mais je vais néanmoins tenter de te la faire comprendre. Tout commence il y a 13,77 milliards d’années.

Le Big Bang, ou comment l’histoire commence

On pense à tort que le Big Bang n’est qu’une grosse explosion. Mais la réalité est bien plus complexe que cela ! Une explosion voudrait dire que des éléments s’éloignent les uns des autres dans un espace dont les limites ne changent pas. Mais dans le cas de l’Univers, c’est l’espace lui-même qui grandit ! Imagine que l’Univers soit un ballon de baudruche. Rien existe en dehors de ce ballon. Lorsque ce ballon se gonfle, alors il grandit, tout comme l’Univers dans lequel nous sommes. C’est ce qu’on appelle l’expansion de l’Univers. Tu peux également trouver le terme de dilatation de l’univers.

Et cette expansion a débuté il y a 13,77 milliards d’années. A ce jour, on ne sait pas ce qui a provoqué le début de l’expansion, le fameux Big Bang. On sait néanmoins qu’il a été extrêmement rapide, les côtés de l’Univers se sont alors éloignés les uns des autres à une vitesse vertigineuse. C’est ce que l’on appelle aujourd’hui l’inflation cosmique (le tout début de l’expansion de l’Univers).

Inflation cosmique
L’inflation cosmique est similaire à un ballon de baudruche que tu gonflerais.

Si notre Univers est en expansion, tu peux imaginer qu’il y a 13,7 milliards d’années, il était bien plus petit que ce qu’il est aujourd’hui ! Pas d’Homme, pas de Terre, pas de planète, pas de soleil, pas d’étoile…à cette époque, l’Univers ne contient rien de tout cela ! Il est fait principalement d’électrons, de photons, de protons et de neutrons. Il s’agit là des éléments de base de tout ce qui nous entoure.

L’ère de Planck met nos connaissances KO

A ce moment-là, notre Univers se trouve dans des conditions extrêmes : pour ce qui est de la température, elle est de plusieurs milliards de degrés. Pour la densité, elle est plus élevée que tout ce que tu peux imaginer ! Qu’est-ce que la densité ? C’est tout simplement le nombre d’éléments contenu dans un espace précis. Prend une bouteille vide et verses-y une cuillère à café de grains de sable : tu as alors une faible densité dans ta bouteille. Remplis-la à ras-bord de sable et tu auras une forte densité. Tasse le sable dans la bouteille pour pouvoir encore en ajouter un peu et tu auras une très forte densité…mais rien de comparable à ce qu’était la densité de l’Univers à ce moment-là ! La densité était tellement forte que l’on estime qu’un centimètre cube d’Univers devait peser 1015kg, soit 1 000 000 000 000 000kg !

Même un éléphant semble super léger comparé au poids d’un cube de 1cm de côté prélevé dans l’Univers à ses début

Cet Univers, avec ces conditions extrêmes, est appelé l’ère de Planck (du nom d’un physicien allemand). Même les atomes ne peuvent pas exister dans ces conditions ! On est incapable d’expliquer ce qui se passe dans ces conditions et on est incapable de reproduire de telles conditions même avec les meilleurs outils et la technologie de pointe que nous maitrisons aujourd’hui. Tout ce que l’on connait peut être mis à la poubelle ! Cela ne s’applique pas ! Même les forces que nous connaissons et qui se trouvent partout autour de nous (la gravité, l’électromagnétisme…) n’étaient pas ce qu’elles sont aujourd’hui, il n’y avait qu’une seule et grande force, c’était le temps de la grande unification.

L’Univers Primordial, début de la physique telle que nous la connaissons

Mais une seconde après le Big Bang, la température chute à un milliard de degré. C’est à ce moment-là que les premiers noyaux d’atomes (les plus petits : ceux des atomes d’hydrogène, d’hélium et de lithium) peuvent commencer à se créer. Cette phase, que l’on appelle la nucléosynthèse primordiale, va durer 3 minutes.

Par la suite, l’Univers continue son expansion. La température et la densité continuent à diminuer même si elles restent bien supérieures à ce que nous connaissons aujourd’hui. Grâce au refroidissement, les électrons qui se baladaient tout seuls vont peu à peu se mettre en ménage avec les noyaux d’atomes créés lors de la phase précédente : les premiers atomes voient le jour. C’est pour cette raison que cette phase prend le nom de recombinaison. Tu peux aussi voir le nom de découplage (entre matière et rayonnement). Pourquoi ? Tout simplement parce que les électrons libres deviennent moins nombreux puisqu’ils forment des atomes. Or, c’est précisément ces électrons libres qui empêchaient les photons de voyager, donc la lumière d’être visible. C’est à partir de cette époque que les photons deviennent libre, la lumière apparait ! C’était environ 380 000 après le Big Bang.

Depuis 13,7 milliards d’années, ces premiers photons libérés voyagent dans l’Univers. Ils sont certes un peu refroidis mais ils sont là, (presque) comme au premier jour. C’est ce que l’on appelle le rayonnement fossile ou encore le fond diffus cosmologique.

Le fond diffus cosmologique, preuve du Big Bang
Le fond diffus cosmologique tel qu’il a été observé par les instruments successifs utilisé en astronomie

Naissance des étoiles

180 millions d’années après le Big Bang, les premières étoiles ont commencé à se former. Elles étaient particulièrement grosses (bien plus que les étoiles que nous connaissons aujourd’hui) et ont joué un rôle super important dans l’Univers : c’est dans leur cœur que de nouveaux atomes ont été créés. En fin de vie, ces énormes étoiles ont explosé, devenant alors des supernovæ, et ont relâché dans l’univers ces atomes qui ont permis de créer les étoiles puis les planètes que nous connaissons aujourd’hui.

Les supernovæ se sont transformées petit à petit en trou noir autour desquels se sont mis à graviter de nouvelles étoiles : c’est la naissance des premières galaxies, 500 millions d’années après le Big Bang.

Notre soleil, quant à lui, est né il y a quelques 4,5 milliards d’années, mais ça, c’est une autre histoire.

Enfin comprendre le Big Bang
Les galaxies sont apparues environ 500 millions d’années après le Big Bang

L’histoire continue

Pendant tout ce temps-là, l’Univers continue à grandir et sa température et sa densité à diminuer. Aujourd’hui, on ne trouve que quelques atomes par mètre cube (en dehors des objets qui se baladent dans l’espace) et la température est de seulement -271°C (mis à part les points chauds que sont les étoiles).

Cette expansion ralentit, les objets cosmiques s’éloignent de moins en moins vite les uns des autres…jusqu’à 8 milliards d’années en arrière. A ce moment-là, quelque chose change et l’expansion repart de plus belle, elle s’accélère ! On ne sait pas trop pourquoi ni comment, mais les scientifiques en sont sûrs ! Alors des hypothèses ont été émises pour expliquer cette accélération et celle qui remporte le plus de succès dans le monde scientifique c’est la présence d’une énergie d’un nouveau type : l’énergie noire dont on sait bien peu de chose.

Aujourd’hui, l’expansion de l’Univers est en plein accélération

Le mot de la fin sur la théorie du Big Bang

La théorie du Big Bang est souvent présenté comme la théorie de la naissance de l’Univers. Il s’agit là d’une mauvaise interprétation ! En effet, les photons ne pouvaient pas voyager dans les premières phases de l’Univers primordial, les lois de la physique telles que nous les connaissons ne s’appliquaient pas…autrement dit, nous sommes bien incapables de savoir ce qu’il y avait avant ce Big Bang ! Il est bien difficile dans ce cas de dire s’il s’agit d’une naissance, d’un cycle d’augmentation-diminution de l’Univers ou tout autre hypothèse que nous pourrions imaginer !

Cette histoire que je viens de te raconter (le Big Bang, l’expansion, la création des noyaux d’atomes, la libération des photons…) a un nom : c’est le modèle standard de la cosmologie. Un nom un peu pompeux pour expliquer tout simplement que cette histoire qui a été écrite grâce à des hypothèses, des calculs, des observations…est une histoire qui permet d’expliquer tout ce que l’on peut observer dans l’Univers. Aujourd’hui, aucun autre modèle, aucune autre histoire n’est capable d’expliquer la totalité de ce que l’on peut observer dans l’immensité du ciel.

Le modèle standard de cosmologie permet d’expliquer l’ensemble des observations réalisées dans le ciel.

L’histoire de la théorie du Big Bang

Jusqu’au début du XXème siècle les scientifiques pensent que l’Univers est quelque chose de fixe. Selon eux, Il ne bouge pas, Il reste statique et aura le même aspect lorsque les générations futures l’observeront dans plusieurs milliards d’années.

Parmi ces scientifiques, il y a un certain Albert Einstein, dont tu as sûrement déjà entendu parlé. Albert était un très grand scientifique et il a démontré, entre autre, ce qu’on appelle aujourd’hui, la relativité générale. C’était en 1915. Cette théorie explique l’influence des objets les uns sur les autres, leur mouvement…

Albert Einstein, père de la relativité générale
Albert Einstein, père de la relativité générale

La relativité générale appliquées aux astres

En 1927, l’astrophysicien belge Georges Lemaître décide d’appliquer cette théorie aux astres. Il découvre alors que les galaxies s’éloignent les unes des autres. Il en déduit que l’Univers est en expansion. Cette idée n’est pas nouvelle puisqu’en 1922, le physicien russe Alexander Friedmann avait déjà émis cette hypothèse.

Cette conclusion ne plait pas du tout à Albert Einstein : pour lui, c’est sûr et certain, l’Univers est statique.

Pour contourner cette difficulté, Albert Einstein va ajouter dans ses savants calculs une donnée qu’il va appeler la constante cosmologique. Cette constante est bien pratique puisqu’elle vient confirmer que l’Univers est statique, comme le prédit Albert. Grâce à ses nouvelles équations, le savant est capable de décrire l’ensemble des phénomènes qui se déroulent dans l’espace qui est alors appelé l’univers d’Einstein (en toute modestie).

Bien que fausse, cette théorie témoigne d’une réelle avancée dans le monde scientifique de l’époque : Albert Einstein y introduit le principe cosmologique. Selon ce principe, l’Homme n’est qu’un petit point dans l’Univers, il n’occupe pas une place spéciale. L’Univers se ressemble en tout point et nous n’en formons qu’une infime partie. Mais à cette époque, la religion tenait une grande place dans les discours et les scientifiques n’étaient pas en mesure de voir quoi que ce soit qui se situe en dehors de la Voie Lactée (c’est ainsi que se nomme la galaxie dans laquelle nous vivons).

Bref, beaucoup de personnes pensent que c’est impossible que nous ne soyons qu’un infime point dans l’immensité de l’Univers. De grandes discussions opposent alors ceux qui pensent que la Voie Lactée est un système privilégié, à nulle autre pareil et ceux qui pensent que nous ne sommes qu’un morceau d’un grand Tout. C’est ce qu’on appellera plus tard Le Grand Débat.

Albert Einstein ajoute une constante cosmologique dans ses équations pour avoir un résultat conforme à ce qu’il imagine.

La preuve de l’expansion est apportée

En 1929, nouveau coup dur pour la théorie de l’Univers d’Einstein. L’astronome américain Edwin Hubble prouve que les galaxies s’éloignent toutes les unes des autres. Il confirme alors que l’Univers est en expansion.

Malgré tout, cette théorie est loin de faire l’unanimité dans le monde scientifique et c’est pour tourner en ridicule celle-ci que le physicien britannique Fred Hoyle parle du « Big Bang » (que l’on peut traduire par « le grand boum ») pour la première fois lors d’une interview sur BBC, le 28 mars 1949. Ce nom de Big Bang lui est resté !

Edwin Hubble démontra que l’Univers est bien en expansion

A l’assaut des secrets du Big Bang

Depuis lors, les scientifiques ont voulu savoir ce qui s’était passé dans la nuit des temps, aux confins de notre histoire.

Il faut savoir que les astrophysiciens ont une technologie incroyable à leur disposition : une machine à remonter le temps ! Prenons l’exemple du soleil : nous le voyons grâce à la lumière qu’il émet. Jusque-là, pas de surprise ! Mais savais-tu que la lumière du soleil met 8 minutes pour nous parvenir ? Autrement dit, la lumière qui arrive à notre œil a été émise par le soleil 8 minutes plus tôt : nous voyons donc le soleil tel qu’il était il y a 8 minutes.

8 minutes d’écart, ce n’est rien me diras-tu ! Il n’y a pas tellement de différence entre ce que nous voyons à un instant et l’état réel du soleil à cet instant ! Et je suis tout à fait d’accord avec toi !

Maintenant, imagine que tu observes un objet dans le ciel (une étoile par exemple), un objet qui est si loin que sa lumière met plusieurs millions d’années à te parvenir…Et bien tu verras cet objet tel qu’il était il y a plusieurs millions d’années. Tu seras incapable de voir l’objet tel qu’il est aujourd’hui puisque sa lumière n’aura pas encore parcouru la distance jusqu’à tes yeux !

C’est pour cette raison que les scientifiques cherchent des objets de plus en plus loin : pour comprendre ce qui s’est passé au tout tout tout début de l’histoire de notre Univers.

Mais c’est tout à fait par hasard qu’une preuve en faveur du Big Bang a été découverte par Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson, deux physiciens américains : en travaillant sur une antenne, ils ont découvert le fond diffus cosmologique. C’était en 1965 et la découverte de ce rayonnement, prédit dès les années 1940, leur a valu le prix Noble en 1978.

C’est en réglant cette gigantesque antenne qu’Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson ont découvert le fond diffus cosmologique, preuve du Big Bang.

Toujours plus de découvertes !

La théorie du Big Bang s’impose alors comme étant LA solution pour expliquer l’Univers tel que nous l’observons aujourd’hui. Ce fond diffus cosmologique est étudié sous toutes les coutures pour comprendre cet âge reculé de l’Univers. Différentes sondes spatiales ont été envoyées pour prendre des mesures toujours plus précise : COBE, WMAP, Planck.

WMAP, étude du fond diffus cosmologique
Le satellite WMAP a permis l’étude du fond diffus cosmologique

Les scientifiques tentent également de percer les secrets des premiers instants de notre Univers. A cette époque, il était extrêmement dense. Cette densité est régit par des lois physiques (la fameuse relativité générale décrite par Albert Einstein). Mais en même temps, l’Univers était très petit. A cette taille, ce sont d’autres lois de la physique quantique qui régissent les évènements. Or ces deux ensembles de lois ne sont pas compatibles !

Les savants cherchent donc à unifier ces lois pour qu’elles puissent expliquer ce qu’il s’est passé dans l’Univers primordiale. Différentes théories sont en courses pour tenter d’unir ces différentes lois : la théorie des cordes, la théorie des univers parallèles, la cosmologie branaire ou encore la théorie du Tout…qui va l’emporter ? Rendez-vous dans quelques années !

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8 réponses

  1. Jackie dit :

    J’adore l’histoire et la science. Merci pour tes explications claires à propos de la théorie du Big Bang. Ca éclaire pas mal de zones d’ombres et questions que je me posais.

  2. Virginie dit :

    Comme toujours super intéressant et didactique. Je vais lire à voix haute ton article à mes enfants :))

  3. DENIS dit :

    Merci pour cet historique scientifique très complet ! En filigrane, on comprend que la découverte scientifique est une grande aventure ! Et que les scientifiques sont des explorateurs capables de faire preuve d’une imagination débordante tout autant que de rigueur et de précision !

    • Oui, c’est certain que les découvertes scientifiques forment une magnifique et gigantesque aventure! Et c’est vrai qu’il faut avoir beaucoup d’imagination pour faire des hypothèses, avancer des idées pour répondre à une question!

  4. Grâce à toi j’ai appris, encore une fois, plein de nouvelles choses.
    L’image du ballon m’a beaucoup parlée. Comme tout à chacun je pensais que le Big Bang s’apparentait à une explosion.

    Je n’arrive pas à concevoir comment on peut savoir qu’un phénomène qui a eu lieu il y a 13 milliards d’année a duré 3 minutes. C’est fou !

    J’adore l’histoire du nom « grand boum ». Et maintenant j’ai « quand notre coeur fait boum » dans la tête. C’est une chanson que j’adore, donc merci encore pour ce double effet kiss kool.

    • Pour ce qui est des 3 minutes…c’est une estimation bien sûr! C’était peut-être un peu plus ou un peu moins, mais on connait cet ordre de grandeur grâce à des modèles qui mêlent l’informatique, la physique, la chimie…Grâce à tous cela on lit dans le passé comme dans un livre ouvert…un livre magique!

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