Salut les Inphinautes,
Pour ce premier article, je vous propose une petite chronologie du Big Bang depuis le « temps 0 » jusqu’à nos jours. Déjà parce que ça me semble être un bon premier sujet pour démarrer un blog, et surtout parce que cela va me permettre de dresser une sorte de « carte » de tout ce que je compte aborder dans mes articles (de façon non exhaustive, évidemment), et dans ce voyage de l’infiniment grand à l’infiniment petit qu’est ce blog.
De la cosmologie, de la physique, de la chimie, de la biologie… bref, nous allons parler de la science et des sciences, et même un peu de philosophie !
Petit point de vocabulaire avant de démarrer : le terme « Big Bang » peut revêtir 3 significations différentes.
La première, historiquement, était une façon de se moquer de cette théorie – qui s’appelait alors « théorie de l’atome primordial » – un trait d’humour du cosmologiste Fred Hoyle, partisan d’une théorie de l’univers stationnaire, lors d’une émission de radio dans les années 50.
La seconde désigne les tout premiers instants de notre univers, alors qu’il est très dense, très chaud et qu’il subit une inflation exponentielle.
La troisième – qui est celle que j’adopterai ici – est son acception la plus large et comprend par extension toute l’évolution et toute l’histoire de l’univers.
Voilà, à présent, si vous êtes prêts… commençons ce voyage.
Un instant 0 ?
Tout commence il y a 13,8 milliards d’années.
On peut déjà se poser une première question légitime : comment peut-on savoir ça ? On ne date pas l’univers au carbone 14 comme un vestige archéologique !
Eh bien, la réponse est double. C’est en partie grâce aux mathématiques et en partie grâce à l’observation. Sans entrer dans les détails théoriques du Big Bang – détails qui auront, bien sûr, leur article dédié – c’est avant tout en manipulant les équations de la relativité générale que cette idée a surgi.
Je ne vais pas non plus détailler les deux théories de la relativité, que j’ajoute à la carte des sujets à traiter par la suite, mais pour la compréhension de cet article, je vais en dire rapidement quelques mots.
La relativité restreinte est proposée en 1905 par Albert et Mileva Einstein. Elle unifie le temps et l’espace en une seule entité : l’espace-temps, un tissu dans lequel le temps se dilate et les distances se contractent lorsqu’on décrit des vitesses proches de la vitesse de la lumière (c).
La relativité générale verra le jour 10 ans plus tard, en 1915, et montrera que cet espace-temps se courbe également sous l’effet d’objets massifs, créant ainsi la force de gravitation, ce qui vient compléter et corriger la théorie de la gravitation universelle de Newton, surtout dans les cas de champs gravitationnels très intenses.
Dès les années 20, des physiciens comme Alexandre Friedmann ou Georges Lemaître vont en effet chercher des solutions aux équations de la relativité générale en essayant de l’appliquer à l’univers entier, signant ainsi l’acte de naissance de la cosmologie – c’est-à-dire de l’étude de l’univers comme d’un objet physique à part entière.
Mais pour pouvoir réaliser ce tour de force, il va falloir se simplifier les calculs en faisant deux hypothèses simples, mais d’une importance capitale pour la compréhension de notre univers.
1 – L’univers est homogène. Cette première idée peut surprendre, car, vu de notre fenêtre, il semble qu’il y ait une nette différence entre notre rue et les anneaux de Saturne. Pourtant, si on raisonne à une plus grande échelle, alors oui, un cube de l’Univers ayant une arête de 100 millions d’années-lumière contiendra à peu près autant de galaxies qu’un autre cube de même dimension. Cette approximation est donc recevable.
2 – L’univers est isotrope. Pour se simplifier encore un peu plus les calculs, faisons une nouvelle hypothèse liée à la première : l’univers est le même… dans toutes les directions ! C’est encore surprenant, car notre rue est bien différente si je regarde d’abord vers l’est puis vers l’ouest, mais encore une fois, si on regarde notre univers à grande échelle, il ne semble effectivement pas avoir de direction privilégiée.
« L’évolution du monde peut être comparée à un feu d’artifice qui vient de se terminer ; quelques mèches rouges, cendres et fumées. Debout sur une escarbille mieux refroidie, nous voyons s’éteindre doucement les soleils et cherchons à reconstituer l’éclat disparu de la formation des mondes. »
Georges Lemaître.
Ces deux hypothèses faites, les équations alors simplifiées nous donnent une information cruciale : le facteur d’échelle de notre univers. C’est un indice sur la taille relative de notre univers. On considère par convention qu’il vaut « 1 » aujourd’hui.
Si on l’exprime en fonction du temps – a(t) – on sait, par exemple, qu’il atteindra la valeur « 2 » d’ici 10 milliards d’années. Ce qui signifie que dans 10 milliards d’années, une galaxie située aujourd’hui à 1 a.l. de nous sera alors située à 2 a.l. . On peut dire que notre univers sera alors, 2 fois plus grand qu’aujourd’hui.
Et donc, si on « remonte » mathématiquement le temps, on peut voir notre univers « rapetisser » pour arriver enfin à cette fameuse singularité, où le facteur d’échelle vaut 0, un point sans dimensions situé il y a environ 13,8 milliards d’années. Cette idée est une révolution !
Dans un même temps, Edwin Hubble, astronome américain, observe tout un tas de galaxies et fait une découverte stupéfiante : elles s’éloignent – presque – toutes de nous, et elles s’éloignent d’autant plus vite qu’elles sont loin. Cela ne peut vouloir dire qu’une seule chose : Friedmann et Lemaître ont raison, notre univers est en expansion, il est dynamique, il a un futur et surtout, il a un passé et donc une histoire !
10 -43 secondes : Un mur infranchissable
« La science ne pourra jamais résoudre le dernier mystère de la nature. »
Max Planck
Avec tous ces calculs étayés par des observations, on pourrait s’attendre à ce que l’instant 0 se retrouve hissé au rang de vérité scientifique… Et pourtant, loin s’en faut. Déjà pour des raisons épistémologiques que nous aborderons dans d’autres articles, mais surtout parce qu’à ces dimensions minuscules, la relativité générale ne suffit plus pour décrire correctement notre univers !
Au début du XXe siècle apparaît, quasiment parallèlement aux deux théories de la relativité, une physique nouvelle, bâtie sur les travaux de Max Planck : la physique quantique. Si la relativité générale décrit les objets immenses et massifs, la physique quantique, elle, décrit le monde subatomique, peuplé de très petites particules très peu massives.
Ces deux physiques sont fondamentalement très différentes. La première est déterministe et la seconde probabiliste, ce qui les rend très difficilement compatibles.
Un problème se pose alors dans le cas des premiers instants de notre univers (et se pose aussi à l’étude des trous noirs, nous aurons l’occasion d’y revenir dans d’autres articles) : dans ses premières fractions de seconde, l’univers est certes extrêmement massif, répondant aux équations de la relativité générale. Mais il est aussi incroyablement petit… répondant aux équations de la physique quantique.
Pour « voir » au-delà de ce mur de Planck, il faudrait donc avoir à disposition une théorie qui unisse la relativité générale et la physique quantique : une théorie de la gravitation quantique. De telles théories existent, comme la théorie des cordes, la gravitation quantique à boucles, la géométrie non commutative et d’autres… Mais aucune n’a encore fait de prédiction quant à une observable qui permettrait de la tester.
Pour le moment donc, l’histoire de notre univers commence, pour ainsi dire, 10-43 secondes après son début.
Entre 10−36 et 10−32 seconde : L’inflation cosmique
En 1979, Alan Guth, cosmologiste américain, a une idée qui permet d’expliquer les hypothèses d’homogénéité et d’isotropie de l’univers formulées par Lemaître, et tenues pour vraies « a priori ». Pour lui le « Bang » du Big Bang n’est justement pas un BANG, mais une inflation spectaculaire. En un battement de cils cosmique, notre univers grandit d’un facteur 1026 !
Cette inflation permet alors à toutes les régions de l’univers de s’homogénéiser avant qu’il ne soit étiré aussi fortement par une force répulsive.
« L’inflation est une théorie que je décris parfois comme le « Bang » du Big Bang. »
Alan Guth
Entre 10−32 et 10−12 seconde : La baryogenèse
Si la taille de l’univers a augmenté exponentiellement, sa température, elle, en revanche, a chuté drastiquement, et les premières particules ont pu se former. L’univers est alors un vaste plasma de quarks et de gluons, les composants élémentaires de la matière… et de l’anti-matière.
Or matière et anti-matière, lorsqu’elles se rencontrent, s’annihilent en une explosion d’énergie. Alors, si elles ont été créées à parts égales, comment se fait-il qu’il en reste quelque chose ?
Imaginez que matière et anti-matière se soient affrontées dans une gigantesque partie d’échecs cosmiques. Les deux jouent avec les mêmes pièces et les mêmes règles, et pourtant, il doit bien y avoir une gagnante ! Il semble qu’à ce stade, les lois de la physique des premiers instants de notre univers, que nous ne maîtrisons pas encore complètement, ont donné un infime avantage à la matière sur l’anti-matière. Un avantage d’1 particule pour 1 milliard. Une très légère asymétrie à peine, mais nous verrons que les symétries et les asymétries de l’univers sont ce qui fait notre univers.
Toujours est-il qu’à la fin de la partie, il ne restait plus aucune particule d’anti-matière, et seulement quelques particules de matière ordinaire – qu’on appelle aussi matière baryonique – qui composent tout ce qui nous entoure : galaxies, étoiles, planètes… et nous !
Jusqu’à 380 000 ans : Un univers opaque
Toutefois, avant que ces particules ne forment quelque chose, il faut d’abord qu’elles forment des atomes. Mais il fait encore beaucoup trop chaud ! Certes les quarks parviennent à se lier pour former des protons et des neutrons, qui eux-mêmes forment des noyaux d’hydrogène ou d’hélium. Mais les niveaux d’énergie sont tels que les électrons ne peuvent pas s’accrocher à eux.
Cette soupe primordiale va en quelque sorte « emprisonner » les photons, les grains de lumière, leur empêchant de s’échapper, laissant notre univers parfaitement opaque pendant 380 000 ans, jusqu’à ce que …
En novembre 1948, Georges Gamow et Ralph Alpher publient un article dans le « Nature magazine » prédisant en quelques lignes que le rayonnement de photons qui s’est échappé au moment où la température de l’univers avait suffisamment baissé pour que les premiers atomes d’hydrogène et d’hélium – des atomes légers – se forment, doit baigner l’univers tout entier, et que tôt ou tard nous devrions pouvoir le capter.
Ce n’est qu’en 1964 que Penzias et Wilson vont le découvrir – par accident – en installant une antenne pour la société Bell. Ce qu’ils pensaient être un bruit de fond est en fait le « fond diffus cosmologique« , appelé également « rayonnement fossile« .
Vous le voyez ci-dessus « photographié » par le Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Cette image est peut-être une des plus importantes de toute la cosmologie car elle porte en elle une quantité phénoménale d’informations sur l’univers primordial et sur sa structure. Est-il nécessaire de préciser qu’il aura lui aussi droit à son article dédié ?
« C’est la découverte la plus importante du siècle, si ce n’est depuis toujours »
Stephen Hawking
100 Millions d’années :
De l’âge sombre aux premières lueurs
L’univers va alors entrer dans une très longue nuit cosmique. Il lui faudra attendre près de 100 millions d’années avant que les premiers nuages de gaz ne s’effondrent sous l’effet de la gravitation, augmentant leur pression et donc, leur température. Lentement un plasma va se former, qui va alors commencer une réaction thermonucléaire : la fusion.
Ce n’est qu’à cet instant qu’une étoile « s’allume », qu’elle naît. Ces étoiles vont ensuite vivre, longtemps, se grouper en super-clusters, en amas, puis en galaxies, formant la structure en filament de notre univers… Puis elles vont mourir en supernova. Ces explosions spectaculaires vont projeter dans l’espace des éléments chimiques plus lourds : Carbone, oxygène, azote…
C’est dans le super-cluster Laniakea, dans le superamas local (parfois appelé Superamas de la Vierge), dans le groupe local, dans la galaxie de la Voie Lactée, dans le bras d’Orion que va naître…
… il y a 4,6 milliards d’années, notre système solaire
« Shooting stars never stop even when they reach the top
There goes a supernova
What a pushover, yeah »
Frankie Goes to Hollywood
Quelques 10 milliards d’années après le Big Bang – c’était un mardi – une supernova a expulsé un immense nuage de gaz et de poussières. Ce nuage s’est effondré sous l’effet de la gravitation, formant ainsi un disque en rotation autour d’un point central. Au cœur de ce disque est née une étoile : notre soleil.
Les poussières et gaz qui tournoyaient autour du centre se sont ensuite agglomérés pour former des planétésimaux, puis des planètes. Des planètes rocheuses proches du soleil (Mercure, Vénus, la Terre et Mars) et des planètes gazeuses plus éloignées (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune).
Bien d’autres corps célestes – astéroïdes, lunes, planètes naines, comètes… – peuplent encore notre système solaire, mais ça, vous commencez à vous en douter, nous aurons l’occasion d’en reparler ! À ce stade, notre planète Terre vient de naître et va bientôt pouvoir accueillir la dernière étape de ce voyage : la vie.
Il y a 3,8 Milliard d’années : La Vie
Quelques centaines de millions d’années après la formation de la Terre, notre planète, encore jeune, offrait un paysage assez différent de celui que nous connaissons aujourd’hui. Des volcans en éruption, des éclairs dans un ciel chargé de gaz, et des océans commençant tout juste à se former. C’est dans cet environnement chaotique que les premières briques de la vie ont vu le jour.
Dans cette « soupe chimique » où se mélangeaient gaz et éléments simples, des réactions favorisées par la chaleur, l’électricité ou les sources hydrothermales ont permis la formation de molécules complexes. Ces molécules, comme les acides aminés, ont fini par s’organiser en structures capables de se répliquer : les premiers organismes unicellulaires. Ils étaient simples, mais incroyablement résistants, capables de prospérer dans ces conditions extrêmes.
Avec le temps, certains de ces organismes ont développé une capacité révolutionnaire : la photosynthèse. En utilisant l’énergie du Soleil, ils ont commencé à libérer de l’oxygène dans l’atmosphère, transformant radicalement la planète. Ce long processus a ouvert la voie à des formes de vie de plus en plus complexes. La Terre était prête pour la suite de son histoire : l’explosion de la vie sous toutes ses formes, mais ça, c’est une autre histoire.
Aujourd’hui
« On m’a dit : tu n’es que cendres et poussières. On a oublié de me dire qu’il s’agissait de poussières d’étoiles. »
Hubert Reeves
Et voilà, en quelques milliards d’années, l’univers est passé du vide absolu à tout ce bazar de galaxies, d’étoiles, de planètes… jusqu’à nous. Chaque atome de notre corps raconte une histoire extraordinaire : celle d’étoiles qui ont vécu, brûlé, et explosé pour libérer les éléments nécessaires à la vie. Nous sommes littéralement faits de poussières d’étoiles.
Nous sommes à la fois infiniment petits, des petits bouts d’univers, mais aussi infiniment grands car nous sommes aussi reliés à l’univers tout entier. Alors, la prochaine fois que vous lèverez les yeux vers le ciel, souvenez-vous : ce n’est pas seulement un spectacle grandiose, c’est un miroir. Un rappel que nous sommes, et serons toujours, une partie de cette histoire cosmique.
A bientôt les Inphinautes.
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SOURCES
« Une brève histoire du temps » – Stephen Hawking
« Discours sur l’origine de l’univers » – Étienne Klein
« Les grandes lois de l’univers » – Alessandro Roussel
« Mileva & Albert Einstein » – Laurent Lemire
« La théorie de la relativité restreinte et générale » – Albert Einstein
« Poussières d’étoiles » – Hubert Reeves
« L’univers à portée de main » – Christophe Galfard
« Initiation à la cosmologie » – Marc Lachiéze-Rey
« L’invention du Big Bang » – Jean Pierre Luminet
« Cours de cosmologie » – Richard Taillet – Université Mont-Blanc / Savoie
« Histoire de la cosmologie » – Richard Taillet – Université Mont-Blanc / Savoie
« Inflationary Cosmology » – Alan Guth – MIT – World Science U
« Endless Universe: Beyond the Big Bang » – Paul Steinhardt – Princeton University – Wolrd Science U
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