La théorie du Big Bang

D’où venons-nous ? La réponse à une question que tout le monde s’est posée au moins une fois réside potentiellement dans la fameuse théorie du Big Bang. Éclairage sur ce modèle cosmologique et ce que nous pensons connaître des origines de l’Univers.

Expansion de l'Univers avec de gauche à droite de l'image sur fond noir : un disque vertical de couleur blanche, d'où part un cône violet, rose puis jaune, ouvert vers la droite et qui abouti sur la droite de l'image à plusieurs galaxies.
Vue d’artiste de l’expansion de l’Univers. Crédit : Nasa

L’Univers en expansion

Rare est celui qui ne s’est pas interrogé au moins une fois dans sa vie sur l’origine du monde. Pourquoi la Terre, pourquoi les galaxies, pourquoi l’Univers ? Et d’ailleurs, l’Univers est-il unique ? Des questions qui font tourner la tête, et qui ont mené les astrophysiciens (sur Terre, qui sait ce qui se passe ailleurs…) à des calculs effrénés pour remonter toujours plus loin dans le passé, jusqu’aux premiers instants de notre Univers.

Résultat : une théorie globalement acceptée par l’ensemble de la communauté scientifique, qui donne un sens à la configuration du cosmos telle que nous la percevons depuis le Système solaire. Le modèle cosmologique du Big Bang stipule que l’Univers a été plus dense et plus chaud par le passé et est en expansion. Cette théorie a pour la première fois fait surface dans le bureau du physicien et mathématicien russe Alexandre Friedmann, en 1922. En effet, il découvre que les équations de la relativité générale d’Einstein permettent la description d’un univers… en évolution ! Friedmann introduit pour la première fois l’idée d’expansion, tandis qu’Einstein soutient fermement la thèse d’un univers statique.

Représentation de l'Univers sous forme de trois ballons, de plus en plus gros, avec à leur surface les galaxies qui s'éloignent les unes des autres mais sans être modifiées.
Analogie de l’expansion de l’Univers avec le gonflement d’un ballon. Crédit : Slim Films

Le modèle cosmologique du Big Bang est ensuite énoncé indépendamment en 1927 par l’astrophysicien et prêtre belge Georges Lemaître, dans un article en français des Annales de la Société scientifique de Bruxelles. Le chercheur établit même une première estimation de la constante de Hubble (voir plus loin).

En 1924, l’astronome américain Edwin Hubble démontre justement l’existence d’autres galaxies en dehors de notre Voie lactée grâce à des observations réalisées avec le télescope Hooker (Los Angeles), le plus puissant de l’époque. Il identifie tout d’abord la petite galaxie NGC6822 située dans la constellation du Sagittaire, puis les galaxies du Triangle (M33) et d’Andromède (M31). Hubble prouve ensuite en 1929 que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance (au Système solaire). Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle s’éloigne rapidement. Ce principe intitulé « loi de Hubble » corrobore logiquement la théorie d’un univers en expansion.

Note : rendons à César ce qui est à César. Précédemment introduite par Georges Lemaître, la « loi de Hubble » a été renommée « loi de Hubble-Lemaître » en 2018 par l’Union astronomique internationale.

Animation qui montre une petite brioche au raison marron clair, ovoïdale avec les raisins marrons foncés. Après cuisson on voit que l'ovoïde a grossi et que les raison se sont écartés les uns des autres, comme les galaxies dans la réalité.
Analogie de l’expansion de l’Univers avec la cuisson d’une brioche aux raisins. Crédit : Nasa/Dr. Edward/J. Wollack/B. Griswold

L’expansion de l’Univers est bien imagée par la cuisson d’une brioche aux raisins. Le gâteau – l’Univers – gonfle en cuisant, ce qui entraîne un éloignement des raisins – les galaxies – les uns des autres, sans que les raisins eux-mêmes ne soient modifiés.

La première lumière de tous les temps

Par ailleurs, la théorie du Big Bang prédit l’émission d’un rayonnement thermique au début de l’histoire de l’Univers. Le modèle est donc validé par la communauté scientifique à la découverte du fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background ou CMB) en 1964. Une trouvaille réalisée par hasard par deux astronomes américains, Arno Penzias et Robert Wilson, qui travaillaient sur une antenne.

Carte du fonds diffus cosmologique : on voit une forme ovoïdale aplatie, avec les caractéristiques du CMB sous forme de taches orange et bleu.
Carte la plus détaillée du fond diffus cosmologique obtenue par le télescope spatial Planck. Crédit : Esa/Planck Collaboration

Le CMB est un rayonnement fossile qui aurait été émis environ 380 000 ans après le Big Bang, lorsque l’Univers était plus petit, plus dense et plus chaud. Depuis, l’Univers s’est étendu, « dilué » – d’où un éloignement des galaxies les unes des autres – et a refroidi.

Le fond diffus cosmologique correspond au premier instant où l’Univers est devenu suffisamment peu dense pour que la lumière puisse s’y propager. Plus précisément, ce sont les photons, particules constitutives de la lumière précédemment « prisonnières » d’un plasma, qui ont pu s’échapper. Pour la première fois, la lumière s’est trouvée « libre », ce qui nous permet aujourd’hui de « voir » l’Univers tel qu’il était à cet instant, puisque cette lumière primordiale a voyagé jusqu’à nos télescopes.

Expansion de l’Univers depuis l’époque du CMB. Crédit : Nasa/Stelvision

Le CMB est donc la plus vieille image électromagnétique qu’il est possible d’obtenir de l’Univers. Depuis sa découverte, les scientifiques n’ont eu de cesse d’étudier cet « éclat disparu de la formation des mondes » comme le définissait Georges Lemaître, car il possède d’innombrables informations sur la structure, l’évolution et l’âge de l’Univers, aujourd’hui estimé entre 13,7 et 13,8 milliards d’années.

Naissance de l’Univers

L’émission du fond diffus cosmologique a marqué les débuts de l’Univers tel que nous le connaissons puisqu’à la suite de la libération des photons, les particules de matière ont commencé à s’agréger pour former les premières étoiles, les planètes puis les galaxies, qui elles-mêmes se sont ensuite regroupées en amas et en superamas.

Avant cela, pendant les premières minutes de l’histoire de l’Univers primordial – entre 10 secondes et 20 minutes très précisément – la théorie du Big Bang explique que seraient apparues les premières briques élémentaires de la matière que nous connaissons. Cette phase dite de nucléosynthèse décrit la formation des protons et des neutrons et leur regroupement en noyaux atomiques, puis la création d’atomes avec les électrons, également nés pendant cette phase.

Représentation schématique d'un atome : noyau avec des cercles bleus et rouges collés qui représentent les neutrons et protons, et autour des cercles jaunes qui gravitent, les électrons.
Représentation schématique d’un atome. Crédit : sciencesphysiques.e-monsite.com

Si l’on remonte encore un peu plus dans le temps, aux alentours de la première seconde de l’Univers, la température est si élevée que l’énergie des éléments présents dépasse celle obtenue dans nos accélérateurs de particules les plus puissants. Sans expérimentation possible à l’appui, la période est ainsi très difficile à étudier, décrire et comprendre, et relève aujourd’hui de la pure théorie.

Les astrophysiciens sont parvenus à apporter une description de l’Univers tel qu’il était jusqu’à 10–43 secondes juste après le Big Bang. Mais avant cela, c’est l’inconnu. Plusieurs théories sont à l’étude pour tenter de comprendre ce qui s’est passé pendant ces premières 10–43 secondes, comme la théorie des cordes, la théorie de la gravitation quantique à boucles ou les conjonctions causales.

Vue d'artiste du Big Bang où l'on voit au centre un point blanc lumineux d'où partent des rayons de couleurs bleu, violet, orange, rouge dans toutes les directions.
Vue d’artiste du Big Bang. Crédit : Geralt/Pixabay

Le Big Bang n’est pas un instant initial de l’Univers mais se réfère à la phase où celui-ci était dense et chaud. Il ne s’est pas produit « quelque part », et n’est d’ailleurs pas une « explosion » comme il est facile de se le représenter. Le Big Bang se serait en fait produit de façon extrêmement homogène et globale dans toutes les régions de l’Univers qu’il nous est possible d’observer.

Finalement, puisque nous ne pouvons pas « voir » dans le passé plus loin que 380 000 ans après le Big Bang en raison de la densité et donc de l’opacité de l’Univers avant cette date, la question de « l’origine du monde » reste entière. À tel point que pour Sir Roger Penrose, lauréat du prix Nobel de physique en 2020, il n’y aurait pas un seul, mais plusieurs Big Bang ! Ainsi, l’Univers serait le résultat d’un cycle, d’une succession de Big Bang… Saura-t-on un jour d’où nous venons ? De manière très pragmatique, la réponse est très probablement non. Dans tous les cas, pas de notre vivant. En attendant, les théories sur l’origine du monde n’ont de limite que l’imagination humaine, et n’ont certainement pas fini de se multiplier.

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