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Big Bang


Le Big Bang est une théorie qui décrit la naissance de l'univers tel que nous le connaissons, espace et temps, par une gigantesque explosion originelle. La matière qui nous constitue ainsi que celle de tous les corps célestes seraient issus de cette explosion.

En cosmologie la théorie standard du Big Bang chaud décrit ce qui pendant une bonne partie du vingtième siècle a été perçu ou bien par les spécialistes, ou bien par le grand public, comme un modèle de l'espace-temps entier.

D'un point de vue où l'on sépare le temps et l'espace, l'on peut le voir comme une théorie d'un espace dont la courbure n'est pas fixe avec le temps cosmologique. Elle s'appuie sur la théorie de la relativité générale.

Du point de vue d'un observateur, en remontant le passé on approche une limite, une singularité, désignée par t\rightarrow 0^\mbox{+}, ou plus informellement , bien que dans un sens exact est un domaine qui va de loin au-delà de la physique empirique. Pour beaucoup, le big bang signifie l'extrapolation hypothétique , mais pour d'autres, il représente le modèle standard FLRW entier.

Sommaire

Présentation

En se basant sur des mesures de l'expansion de l'univers en utilisant des supernova de type Ia, des mesures de variations apparaissant dans le fond cosmique et des mesures de fonction de corrélation de galaxies et de quasars, on pense en 2003 que t\rightarrow 0^\mbox{+} a eu lieu il y a environ 13,7 milliards d'années, à 200 millions d'années près.

Peu après l'instant , l'Univers était à peu près uniformément rempli d'une densité d'énergie très élevée. À mesure que l'expansion s'est faite, la température a 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 ont abouti à la concentration de la matière noire et de la matière ordinaire dans des halos de matière noire, des structures à grande échelle qui se sont peu à peu agrégées par la gravité. Le refroidissement du gaz dans les centres des halos à conduit à la formation d'étoiles, qui constituent les galaxies à l'intérieur de ces halos.

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 entre tout cadre de référence inertial, 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 la Voie lactée.

La théorie de la relativité générale développée par Albert Einstein et David Hilbert à cet époque conduisaient 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'appuis 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 ne prétend aucunement être un modèle complet, même si c'est l'espoir qui passionne toujours les chercheurs. Au cours des décennies un certain nombre de faiblesses et d'éventuelles incohérences expérimentales ont été identifiées dans la théorie, mais la convergence de nombreuses expériences utilisant des méthodes et des types d'objets et des rayonnements très indépendantes ont renforcé le modèle, en particulier dans les années 1997-2003.

Néanmoins, pour essayer de compléter le modèle, 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, à part 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.

Fond cosmique

Un aspect majeur de la théorie du Big Bang fut la prédiction dans les années 1940 de l'existence d'un rayonnement microonde 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, les prédictions à ce propos furent largement ignorées parce que la 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 microonde des laboratoires Bell (destiné à des communications téléphoniques) et découvrirent accidentellement le fond cosmique prédit par Gamow. Cette observation fut plus tard confirmée par le groupe de Peebles à l'Université de Princeton, qui eux-mêmes essayaient de construire une antenne microonde 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 le 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 autant.

Distribution des quasars

La distribution des quasars en fonction du redshift est très inhomogène. En d'autres mots, 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.

Paradoxe d'Olbers

Le Big Bang, en donnant un âge fini à l'univers, résout le paradoxe d'Olbers à propos du fait que le ciel est noir la nuit (alors qu'avec un univers infini et une vitesse de lumière finie, on devrait voir des étoiles dans toutes les directions).

Origine du terme

Le terme « Big Bang » 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.

Quelques réponses à des questions sur la théorie

Liens externes




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