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Approche (un peu simplifiée) du Big Bang

samedi 4 juillet 2009 par Jean-François

L’autre jour, en descendant de la Celle des Juges (aux Hières) on a croisé un astronome amateur qui fauchait l’herbe de son champ. D’ailleurs fort mal, comme quoi il est plus facile d’observer les étoiles que de manier la faucille. Mais là n’est pas la question.
Sans doute inspiré par cette rencontre, je me suis mis à mimer le Big Bang et l’expansion de l’univers, puis à commettre cet article. Que les vrais scientifiques me pardonnent et, s’ils lisent ce texte, qu’ils veuillent bien le corriger !

Pour écrire cet article, je me suis inspiré :
- Du livre de Stephen Hawking : "L’univers dans une coquille de noix".
- D’un numéro spécial de "La Recherche" consacré au Big Bang.
- De différents textes trouvés sur internet.

Petit rappel de cosmographie

L’univers directement observable est composé d’étoiles, elles-mêmes rassemblées en galaxies.
- Les étoiles, on en a tous une bonne représentation : il suffit d’observer le ciel un beau soir d’été, ou bien de penser à notre bon vieux soleil. Ce sont finalement des boules de matière fort denses, sièges de réactions thermo-nucléaires intenses qui émettent chaleur et lumière.

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La voie Lactée


- Les galaxies, c’est moins simple à observer, ce sont des amas d’étoiles, souvent regroupées en spirales aplaties, comme un (grand) disque microsillon. On voit très bien la tranche de notre galaxie, la Voie Lactée, cette bande blanche qui traverse le ciel.
On voit aussi à l’œil nu la galaxie d’Andromède. C’est une galaxie qui ressemble à la notre, elliptique et de même taille.

Et donc, dans l’univers, il y a des milliards et des milliards de galaxies, chacune comprenant des milliards et des milliards d’étoiles.
Et de tous temps, on pensait que cet univers était stable... Jusqu’à ce que, en 1927, Georges Lemaitre (un jésuite astronome Belge) décrive et calcule un univers en expansion, et qu’un astronome américain (Hubble), en fasse l’observation réelle !
Les galaxies ne sont pas fixes, elles éloignent toutes les unes de autres, et de plus en plus vite ! L’observation en est facile, mais auparavant un petit détour pratique s’impose.

Le train sifflera trois fois

On a tous faits cette observation amusante : on est près d’une voie ferrée et le train arrive à grande vitesse en sifflant.
- Le son est d’abord aigu tant que le train s’approche.
- Puis il est normal quand le train est à notre hauteur.
- Ensuite le son devient plus grave quand le train s’éloigne.

L’explication en est simple :
- En première période, la fréquence apparente du son est plus élevée (vitesse du son + vitesse du train)
- Quand le train est à notre hauteur, la fréquence apparente est égale à la fréquence réelle (vitesse du son).
- Quand le train s’éloigne, la fréquence apparente du son est plus faible (vitesse du son - vitesse du train).

Et c’est exactement ce que constata Hubble en observant les galaxies :
- La couleur qu’il observait était un peu plus rouge (fréquence lumineuse plus faible) que ce qu’il aurait dû voir.
- Signe indubitable que toutes les galaxies s’éloignaient de nous à toute allure !

Où le savant joue au ballon de baudruche

Forts de ce constat, et en se basant sur la théorie de la relativité généralisée formalisée en 1917 par Einstein, les astro-physiciens ont alors élaboré le modèle suivant :
- L’espace (ou plutôt l’espace-temps à quatre dimensions) est courbe.
- Il est fini, mais en expansion continue.
- Et les galaxies, entrainées dans cette expansion, s’éloignent les unes de autres !

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Notre espace courbe à deux dimensions

Comme on a un peu de mal à s’imaginer un espace-temps à quatre dimensions (fini et courbe de surcroit !), on peut simplifier en le ramenant à deux dimensions :
- Imaginez un ballon de baudruche légèrement gonflé : c’est un espace à deux dimensions, courbe et fini.
- Avec un crayon feutre (pas trop pointu !), dessinez sur le ballon deux petits points éloignés de, mettons, deux centimètres : on dirait que ce seraient deux galaxies dans notre espace à deux dimensions.
- Et maintenant, demandons à notre cosmologue de souffler dans le ballon.

Que constatons-nous ? (j’écarte l’hypothèse d’un cosmologue alcoolique soufflant dans un éthylomètre) :
- Notre espace à deux dimensions s’expanse.
- Nos deux galaxies s’éloignent l’une de l’autre !

Attention, comparaison n’est pas raison.
La simplification utilisée est un peu abusive : on voit bien la baudruche se gonfler, mais on la voit contenue dans notre espace sensible à trois dimensions : la pièce, le cosmologue qui s’époumone...
En réalité (c’est à dire dans la théorie de la relativité généralisée), l’espace-temps à quatre dimensions n’est pas contenu dans quelque chose d’autre : il est lui-même tout l’espace qui s’expanse, il n’y a rien d’autre autour (pas même du vide).

Et si on rembobinait le film ?

Muni de ce modèle cosmologique d’un univers en expansion, il est évidemment tentant de remonter le temps :
- Notre ballon de baudruche rétrécit de plus en plus.
- Les galaxies se rapprochent, toute la matière de l’univers se concentre à l’extrême.
- Avec un temps aussi proche de zéro que possible, on arrive à un univers formidablement concentré (Stephen Hawking a écrit "L’ univers dans une coquille de noix"), formidablement dense et chaud.
- Et cette situation de départ se situerait il y a 13,7 milliards d’années !

Repassons le film à l’endroit, en voici tout le scénario :

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The Big Bang !!!

- de t=0 à t= 10 puissance -41 secondes, on ne sait rien.
10 puissance -41 seconde, c’est
1 / 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 seconde (1 divisé par ce nombre avec 41 zéros).
- C’est pas bien long, mais c’est embêtant de ne pas savoir, parce que c’est là que tout se déclenche ! Du coup, Jacques Chancel dirait sûrement : "Et Dieu, dans tout ça ?"
- On ne peut pas explorer ce laps de temps, parce que toutes les équations conduisent alors à des discontinuités (rappelez-vous, par exemple, on ne peut pas faire une division par zéro !).
- En tous cas, on peut (par exemple) imaginer une formidable explosion, le Big Bang, à partir de laquelle la matière se crée et commence son expansion.

- à 1/10.000.000.000 de seconde, la température reste tellement élevée que la matière est sous forme d’une soupe primitive, tellement dense que la lumière ne peut la traverser.

- à 1/1.000.000 de seconde (1/millionième de seconde, tout a quand même été très vite !), apparaissent les protons et les neutrons (les particules de base des atomes), puis les premiers atomes (deutérium, hélium, lithium). Et toujours une matière opaque !

- à 380.000 ans, enfin, l’expansion s’est poursuivie (notre ballon de baudruche a bien gonflé), la densité a suffisamment diminué pour que la lumière s’échappe. C’est important, parce que si la lumière a pu s’échapper, on doit pouvoir la voir (un big bang pareil, ça a dû faire un sacré flash !). Et bien c’est justement le cas.

- à 400 millions d’année, apparition des premières étoiles puis (à mille millions , soit un milliard d’années), des premières galaxies.

- enfin, à 13,7 milliards d’années, on se retrouve maintenant, devant notre ordinateur !

Quelques questions, sur ce scénario ?

- On démarre au temps zéro, avec cet hypothétique Big Bang, mais avant, qu’est-ce qu’il y avait ?

Cette question n’a pas de sens ! Au tout début (jusqu’à 10 puissance -41 secondes) c’est à la fois l’espace et le temps qui se créent. Non pas dans une sorte de vide pré-existant, mais à partir de rien.
On peut trouver une analogie et mieux comprendre le phénomène en se posant la question : qu’y a-il plus au nord que le pôle nord ? Cette question n’a pas de sens !

- A-t-on des preuves de la réalité de ce scénario ?

Oui, au moins trois preuves principales :
- L’expansion de l’univers, facile à observer, et qui colle très bien avec le modèle.
- La trace du flash initial (voir plus haut : libération de la lumière à 380.000 ans), prédit par la théorie et observé pour la première fois en 1965 par les laboratoires Bell.
- La composition chimique principale de l’univers : essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium, en quantités telles qu’elles ne peuvent avoir été produites dans les" réacteurs nucléaires" des étoiles, alors que ces quantités collent parfaitement avec les calculs de la nucléo-synthèse primordiale.

- Ce scénario comporte-il quelques invraisemblances ?

Disons quelques menus problèmes... dont le principal est le suivant : la majeure partie de l’univers engendré par le Big Bang est inobservable actuellement !!!
- On voit bien environ 4% de la matière et de l’énergie produites.
- Mais 73% de l’énergie manque à l’appel (on la nomme pour cette raison l’énergie noire)
- Et 23% de la matière fait également défaut (on la nomme pour cette raison la masse noire)
Évidemment, ne voir que 4% de notre univers, ça fait désordre, mais enfin, c’est pareil pour un iceberg, il suffit de chercher. Patience, patience...

- Et cette entourloupe du premier quart de millipoil de seconde, que s’est-il passé, on fait l’impasse, on croit en Dieu, on cherche encore... ?

En 1951, Pie XII, grand amateur d’astronomie, fit référence au modèle décrit par l’abbé Lemaitre (ce jésuite dont j’ai parlé plus haut), enthousiasmé par le rapprochement entre la Science et le Fiat Lux de la Genèse.
Le bon jésuite (et scientifique) réussit à le convaincre de garder ça pour lui, l’épisode de Galilée ayant laissé un mauvais souvenir... Ce que fit le pape.

Pour ma part, j’essaierai peut-être de vous résumer les hypothèses (scientifiques) qui tentent actuellement d’expliquer ce quart de millipoil de seconde (si j’y comprends quelque chose, ou si quelqu’un veut bien m’aider...).
- Vous parlerai-je d’un système multidimensionnel et de la théorie des cordes ?
Pas sûr. D’autant que pour le moment j’ai comme qui dirait un peu de mal à tout saisir...
- Ou plutôt de l’énergie quantique du vide et de la recréation permanente d’un univers en expansion ?
Ça me plait davantage, et ça repose sur une synthèse de la relativité restreinte et de la mécanique quantique, les deux apports théoriques majeurs du XXème siècle, enfin réconciliables !

Je terminerai donc comme Balzac pour tenir ses lecteurs en haleine.
A suivre...


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