Big-bang
Ce terme fut utilisé par Fred Hoyle lors d'un programme radio de la BBC, The Nature of Things, dont le texte fut publié en 1950. Hoyle ne décrivait pas la théorie, mais se moquait du concept. Toutefois l'expression est restée et a perdu son côté péjoratif et ironique, et d'ailleurs Hoyle lui-même s'y rallia plus tard.
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Introduction
Cette théorie est née de l'observation de l'éloignement mutuel des galaxies. L'utilisation d'une théorie physique (relativité générale) pour extrapoler l'expansion de l'univers et retracer l'histoire de l'univers, conduit à l'idée que plus l'univers était jeune, plus celui-ci était chaud et dense, les calculs aboutissant à une singularité gravitationnelle : toutes les distances sont réduites à zéro tandis que la température et la pression sont infinies. Ainsi, la vieille idée métaphysique d'un univers doté d'une origine est-elle renouvellée.
Cette théorie rend bien compte des observations cosmologiques qui l'ont fondée, et elle a permis de prédire dans les années 1940 l'existence d'une rayonnement cosmologique de fond (interprété comme la conséquence de l'opacité initiale de l'univers : la matière de l'univers aurait été assez dense et chaude pour être opaque, empéchant la lumière de se propager dans l'espace). La découverte de ce rayonnement dans les années 1960 fit basculer la majorité des scientifiques en faveur du modèle du big bang, au détriment de la théorie de l'univers stationnaire qui prévalait jusqu'alors. L'univers actuel serait donc très différent de ce qu'il était dans le passé lointain et sera dans le futur éloigné.
L'instant du big-bang
Se basant sur des mesures de l'expansion de l'univers en utilisant des supernova de type Ia, des mesures de variation apparaissant dans le fond cosmique et des mesures de fonction de corrélation de galaxies et de quasars, on pense en 2003 que 
a eu lieu il y a environ 13,7 milliards d'années, à 200 millions d'années près.
Peu après l'instant t = 0, l'Univers aurait été à peu près uniformément rempli d'une densité d'énergie très élevée. À mesure que l'expansion s'est faite, la température aurait baissé pour aboutir à l'apparition d'hydrogène et d'hélium, dans un processus appelé la nucléosynthèse primordiale.
De légères variations dans la densité initiale aurait abouti à la concentration de la matière noire (concept discuté) et de la matière ordinaire dans des halos de matière noire, des structures à grande échelle qui se sont peu à peu agrégées par gravité. Le refroidissement du gaz dans les centres des halos a conduit à la formation d'étoiles, qui constituent les galaxies à l'intérieur de ces halos.
Travaux actuels (2005)
Le modèle de la Relativité générale a montré son utilité et sa justesse lorsqu'il est question de grandes vitesses ou de grandes distances. Pour les petites distances, c'est celui de la Mécanique quantique qui se montre le plus approprié. On se sait pas encore en 2005 concilier ces deux modèles, et il faut pourtant les prendre en compte simultanément aux approches du Big bang.
La mécanique quantique élimine en général les singularités comme les infinis, car tout y est quantifié. Les travaux actuels de Gabriele Veneziano visent à mieux cerner ce qui s'est réellement passé aux alentours du Big bang, le modèle proposé par la relativité générale étant considéré par lui comme simplement asymptotique : parce que la constante de Planck n'est pas nulle, il se pourrait qu'il n'y ait nulle "singularité", mais juste un état très concentré de l'énergie (non réduite à un point) qui aurait pu être précédé d'autre chose. Voir l'article consacré à ce chercheur.
L'expansion
La relativité générale introduisit la gravité dans la relativité restreinte qui traitait déjà de l'électromagnétisme. Cette théorie introduisait une équivalence entre la force de gravité et la forme locale de l'espace-temps.
Bien que la relativité restreinte énonce l'équivalence de tout cadre de référence inertiel, le postulat de Weyl exprime l'hypothèse selon laquelle il est possible d'établir un système de coordonnées comobiles, dans lequel les galaxies ont (en moyenne) une position spatiale fixe, malgré l'éventuelle expansion ou contraction de l'Univers en fonction du temps cosmologique, celui-ci défini aussi dans le cadre du même système de coordonnées.
L'expansion ne doit donc pas s'entendre comme un déplacement de matière avec l'univers gagnant sur du vide. L'image souvent évoquée des grains de raisin dans un gâteau gonflant à la cuisson n'est pas non plus rigoureusement exacte, dans la mesure où elle suggèrerait qu'il y a déplacement de ces grains.
Histoire de la théorie
En 1927, le prêtre belge Georges Lemaître fut le premier à proposer que l'univers ait commencé par l'explosion d'un « atome primordial. » Plus tôt, en 1918, l'astronome strasbourgeois Wirtz avait mesuré un décalage systématique vers le rouge de certaines « nébuleuses », et l'appela la correction K, mais il ne se rendit pas compte des implications cosmologiques, non plus qu'il ait supposé que ces nébuleuses étaient en fait des galaxies en dehors de notre Galaxie.
La théorie de la relativité générale développée par Albert Einstein et David Hilbert à cette époque conduisait à un univers qui ne restait pas statique, un résultat qu'Einstein considérait faux et qu'il essaya de corriger en ajoutant une constante cosmologique. Alexander Friedmann appliqua la relativité générale à la cosmologie et ses équations décrivent l'univers Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.
Dans les années 1930, Edwin Hubble trouva des preuves expérimentales à l'appui de la théorie de Lemaître. Toujours en utilisant des mesures de décalage vers le rouge, Hubble trouva que les galaxies distantes s'éloignent de la Terre à une vitesse directement proportionnelle à leur distance, un fait maintenant connu comme la loi de Hubble.
Comme les galaxies s'éloignaient, cela suggérait deux possibilités. L'une, proposée par George Gamow, était que l'univers commença il y a un temps fini dans le passé et a été en expansion depuis. L'autre était le modèle fixe de Fred Hoyle dans lequel de la nouvelle matière serait créée à mesure que les galaxies s'éloignent les unes des autres, ce qui fait que l'univers à un temps donné ressemblerait plus ou moins à l'univers à un autre temps. Pendant plusieurs années les deux théories ne furent pas départagées.
Néanmoins au cours de cette période, toutes les observations vinrent à l'appui de la théorie du big-bang et depuis le milieu des années 1960, elle est considérée comme la théorie décrivant le mieux l'origine, la forme et l'évolution de l'univers.
Le modèle standard du big-bang n'est pas un modèle complet et fini : au cours des décennies un certain nombre de faiblesses et d'éventuelles incohérences expérimentales ont été identifiées dans la théorie, conduisant à chaque fois à de nouveaux progrès. Les chercheurs ont donc de bonnes raisons de continuer leur recherches sur cette base, sans avoir besoin de le remplacer completement par un autre modèle. La convergence de nombreuses expériences utilisant des méthodes et des types d'objets et des rayonnements très indépendants ont renforcé le modèle, en particulier dans les années 1997-2003.
Néanmoins, pour essayer de compléter le modèle, de nombreuses idées ont été développées, notamment celle de l'inflation cosmique.
Preuves expérimentales
Le décalage vers le rouge des galaxies
En analysant les spectres lumineux des galaxies distantes, on remarque que les formes sont semblables entre elles, mis à part le fait que tout le spectre est décalé vers les plus longues longueurs d'onde pour les plus lointaines galaxies. Cela suggère que les galaxies s'éloignent de nous, d'où un effet similaire à l'effet Doppler-Fizeau, appelé décalage vers le rouge, ou redshift. Bien que la théorie de l'éloignement soit la plus universellement acceptée d'autres théories peuvent expliquer le redshift, en particulier l'effet CREIL.
Fond cosmique
BigBangNoise.jpg
Un aspect majeur de la théorie du big bang fut la prédiction dans les années 1940 de l'existence d'un rayonnement micro-onde de fond cosmique. La théorie proposait que, étant donné que l'univers était très dense juste après le big-bang, la température était si élevée que les particules subatomiques étaient trop énergétiques pour former des atomes.
A mesure de l'expansion de l'univers, il aurait refroidit, permettant à la matière de se former à partir du plasma primordial. La théorie prédit qu'à un certain moment (qu'on pense situer à présent 500 000 ans après le big-bang) l'univers devint transparent, permettant aux photons de voyager et de n'arriver jusqu'à nous que de nos jours. Ce processus de vague d'énergie libre est appelé découplage des photons.
La théorie prédisait que cette vague d'énergie libre pourrait avoir laissé des traces dans le cosmos et aurait un certain nombre de propriétés remarquables. Essentiellement elle dit que comme l'univers était très chaud à un certain moment, il devrait être encore un peu chaud aujourd'hui et les calculs prédisaient une température résiduelle d'environ 3 Kelvin. De plus, la radiation s'étant produite simultanément partout, elle devrait être uniforme et isotrope. On devait également observer un tassement des fréquences vers le rouge avec la distance jusqu'à remonter à une époque où l'univers était opaque.
A l'époque, ces prédictions théoriques furent largement ignorées parce que leur vérification en était impossible en l'état de la technologie.
En 1964, Arno Penzias et Robert Wilson firent une série d'observations avec un récepteur micro-onde des laboratoires Bell (destiné à des communications téléphoniques) et découvrirent accidentellement le rayonnement de fond cosmique prédit par Gamow. Cette observation fut plus tard confirmée par le groupe de Peebles à l'Université de Princeton, qui essayait de construire une antenne micro-onde avec un MASER en rubis. En fait c'est en consultant le groupe de Peebles que Penzias et Wilson comprirent ce qu'ils avaient détecté et ils publièrent en commun leurs découvertes dans l'Astrophysical Journal.
Leur découverte globalement en accord avec les prédictions (même si le rayonnement de fond de ciel n'avait pas exactement la température attendue ; on l'utilisa dans des corrections mineures) et fit largement pencher la balance en faveur de la théorie du big bang. Penzias et Wilson reçurent le Prix Nobel pour leur découverte.
En 1989, le NASA lança le satellite Cosmic Background Explorer (COBE), et les découvertes initiales (publiées en 1990) étaient en accord avec les prédictions, trouvant une température résiduelle de 2,726 K, avec un fond cosmique isotropique et avec l'effet de tassement des fréquences. Au cours des années 1990 les données furent examinées finement pour trouver de petites variations spatiales dans le fond cosmique. Elles furent trouvées à la fin des années 1990. Au début de 2003, les résultats du satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) furent analysés, donnant les valeurs cosmologiques les plus précises à cette date. Ce satellite contredit plusieurs modèles inflationnistes mais les résultats restent compatibles avec la théorie de l'inflation en général.
Abondance des éléments primordiaux
En utilisant le modèle du big bang, il est possible de calculer la concentration de l'hélium 4, de l'hélium 3, du deutérium et du lithium 7 dans l'Univers. Toutes ces abondances dépendent d'un seul paramètre, le rapport entre le nombre de photons et le nombre de baryons. Les mesures de l'abondance primordiale des quatre isotopes sont en accord avec une seule valeur pour ce paramètre. Les théories d'un univers statique ne rendent pas compte de l'abondance du deutérium parce que le deutérium disparaît facilement lors de la fusion nucléaire au sein des étoiles et il n'y a pas de processus astrophysique autres que le big bang pour en produire en de telles quantités.
Distribution des quasars
La distribution des quasars en fonction du redshift est très hétérogène. En d'autres termes, nous voyons peu de quasars très proches de nous, la plupart sont aux redshifts entre 1 et 3 environ, c.à.d. jusqu'à la moitié environ de la distance à l'horizon]].
Quelques réponses à des questions sur la théorie
- Du point de vue théorique, il n'y a pas de centre de l'univers, de lieu où se serait produit l'« explosion » (abus de langage). Suivant les théories, soit l'univers est infini, soit il est replié sur lui même, mais en tout cas il y a toujours eu de l'énergie partout dans l'univers, répartie à peu près uniformément. (Néanmoins, pour l'observateur, on est situé au centre de l'Univers, autant comme un individu humain non-virtuel lambda se situe au centre de sa propre vision empirique du monde, même s'il admet qu'on puisse choisir par commodité une autre référence)
- Pour la même raison, on ne peut définir d'« au-delà de l'Univers » dans le cadre du modèle standard. Comme l'a résumé Einstein, l'espace vide de matière n'existe tout simplement pas en tant qu'espace (attention au fait que le mot « espace » n'a pas le même sens chez les physiciens et chez un philosophe comme Bergson).
- De la même façon, on ne peut pas dire qu'il n'y a « rien avant le big bang ». Le big bang n'est pas le point zéro d'une horloge, qui pourrait être répéré par une autre horloge « encore plus primordiale » : c'est le début du temps, et l'affirmation que le temps à un début. Il n'existe pas plus de « temps avant le big bang » que de point de la Terre « au nord du pôle Nord ». L'expression « avant le big bang » est donc dépourvue de sens, et il n'y a pas lieu de se demander si une expression dépourvue de sens est vraie ou fausse. Dans le cadre de cette théorie, le big bang constitue une singularité mathématique de l'espace-temps, au voisinage duquel d'ailleurs on ne peut plus utiliser la relativité générale seule, les effets de la mécanique quantique ne pouvant plus à cette échelle continuer à être considérés comme négligeables. Bien entendu, il est possible que la théorie du big bang soit fausse ou incomplète et qu'à ce titre il existe un « avant », mais c'est alors une autre théorie qui s'applique et le concept d'origine du big bang n'aurait plus de sens (exactement comme le concept de « centre de l'univers » a disparu avec la révolution copernicienne).
- En revanche le fait que le big bang n'ait pas de cause n'implique pas qu'il ne puisse avoir de raison ; simplement, et toujours dans le cadre du modèle standard, ce ne sera pas dans un domaine causal qu'on pourra chercher celle-ci (voir autopoièse, principe anthropique).
Liens externes
- Le Big-Bang : De l'instant zéro à la fin de l'univers
- Réflexion critique sur la théorie du Big Bang : http://www.zetetique.org/bigbang.html