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Approche (un peu simplifie) du Big Bang

samedi 4 juillet 2009 par Jean-Franois

Il y a 1 message en réponse à cet article.

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

Pour crire cet article, je me suis inspir :
- Du livre de Stephen Hawking : "L’univers dans une coquille de noix".
- D’un numro spcial de "La Recherche" consacr au Big Bang.
- De diffrents textes trouvs sur internet.

Petit rappel de cosmographie

L’univers directement observable est compos d’toiles, elles-mmes rassembles en galaxies.
- Les toiles, on en a tous une bonne reprsentation : il suffit d’observer le ciel un beau soir d’t, ou bien de penser notre bon vieux soleil. Ce sont finalement des boules de matire fort denses, siges de ractions thermo-nuclaires intenses qui mettent chaleur et lumire.

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La voie Lacte


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

Et donc, dans l’univers, il y a des milliards et des milliards de galaxies, chacune comprenant des milliards et des milliards d’toiles.
Et de tous temps, on pensait que cet univers tait stable... Jusqu’ ce que, en 1927, Georges Lemaitre (un jsuite astronome Belge) dcrive et calcule un univers en expansion, et qu’un astronome amricain (Hubble), en fasse l’observation relle !
Les galaxies ne sont pas fixes, elles loignent toutes les unes de autres, et de plus en plus vite ! L’observation en est facile, mais auparavant un petit dtour pratique s’impose.

Le train sifflera trois fois

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

L’explication en est simple :
- En premire priode, la frquence apparente du son est plus leve (vitesse du son + vitesse du train)
- Quand le train est notre hauteur, la frquence apparente est gale la frquence relle (vitesse du son).
- Quand le train s’loigne, la frquence 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 tait un peu plus rouge (frquence lumineuse plus faible) que ce qu’il aurait d voir.
- Signe indubitable que toutes les galaxies s’loignaient de nous toute allure !

O le savant joue au ballon de baudruche

Forts de ce constat, et en se basant sur la thorie de la relativit gnralise formalise en 1917 par Einstein, les astro-physiciens ont alors labor le modle suivant :
- L’espace (ou plutt l’espace-temps quatre dimensions) est courbe.
- Il est fini, mais en expansion continue.
- Et les galaxies, entraines dans cette expansion, s’loignent les unes de autres !

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Notre espace courbe deux dimensions

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

Que constatons-nous ? (j’carte l’hypothse d’un cosmologue alcoolique soufflant dans un thylomtre) :
- Notre espace deux dimensions s’expanse.
- Nos deux galaxies s’loignent l’une de l’autre !

Attention, comparaison n’est pas raison.
La simplification utilise est un peu abusive : on voit bien la baudruche se gonfler, mais on la voit contenue dans notre espace sensible trois dimensions : la pice, le cosmologue qui s’poumone...
En ralit (c’est dire dans la thorie de la relativit gnralise), l’espace-temps quatre dimensions n’est pas contenu dans quelque chose d’autre : il est lui-mme tout l’espace qui s’expanse, il n’y a rien d’autre autour (pas mme du vide).

Et si on rembobinait le film ?

Muni de ce modle cosmologique d’un univers en expansion, il est videmment tentant de remonter le temps :
- Notre ballon de baudruche rtrcit de plus en plus.
- Les galaxies se rapprochent, toute la matire de l’univers se concentre l’extrme.
- Avec un temps aussi proche de zro que possible, on arrive un univers formidablement concentr (Stephen Hawking a crit "L’ univers dans une coquille de noix"), formidablement dense et chaud.
- Et cette situation de dpart se situerait il y a 13,7 milliards d’annes !

Repassons le film l’endroit, en voici tout le scnario :

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The Big Bang !!!

- de t=0 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 divis par ce nombre avec 41 zros).
- C’est pas bien long, mais c’est embtant de ne pas savoir, parce que c’est l que tout se dclenche ! Du coup, Jacques Chancel dirait srement : "Et Dieu, dans tout a ?"
- On ne peut pas explorer ce laps de temps, parce que toutes les quations conduisent alors des discontinuits (rappelez-vous, par exemple, on ne peut pas faire une division par zro !).
- En tous cas, on peut (par exemple) imaginer une formidable explosion, le Big Bang, partir de laquelle la matire se cre et commence son expansion.

-  1/10.000.000.000 de seconde, la temprature reste tellement leve que la matire est sous forme d’une soupe primitive, tellement dense que la lumire ne peut la traverser.

-  1/1.000.000 de seconde (1/millionime de seconde, tout a quand mme t trs vite !), apparaissent les protons et les neutrons (les particules de base des atomes), puis les premiers atomes (deutrium, hlium, lithium). Et toujours une matire opaque !

-  380.000 ans, enfin, l’expansion s’est poursuivie (notre ballon de baudruche a bien gonfl), la densit a suffisamment diminu pour que la lumire s’chappe. C’est important, parce que si la lumire a pu s’chapper, on doit pouvoir la voir (un big bang pareil, a a d faire un sacr flash !). Et bien c’est justement le cas.

-  400 millions d’anne, apparition des premires toiles puis ( mille millions , soit un milliard d’annes), des premires galaxies.

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

Quelques questions, sur ce scnario ?

- On dmarre au temps zro, avec cet hypothtique Big Bang, mais avant, qu’est-ce qu’il y avait ?

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

- A-t-on des preuves de la ralit de ce scnario ?

Oui, au moins trois preuves principales :
- L’expansion de l’univers, facile observer, et qui colle trs bien avec le modle.
- La trace du flash initial (voir plus haut : libration de la lumire 380.000 ans), prdit par la thorie et observ pour la premire fois en 1965 par les laboratoires Bell.
- La composition chimique principale de l’univers : essentiellement de l’hydrogne et de l’hlium, en quantits telles qu’elles ne peuvent avoir t produites dans les" racteurs nuclaires" des toiles, alors que ces quantits collent parfaitement avec les calculs de la nuclo-synthse primordiale.

- Ce scnario comporte-il quelques invraisemblances ?

Disons quelques menus problmes... dont le principal est le suivant : la majeure partie de l’univers engendr par le Big Bang est inobservable actuellement !!!
- On voit bien environ 4% de la matire et de l’nergie produites.
- Mais 73% de l’nergie manque l’appel (on la nomme pour cette raison l’nergie noire)
- Et 23% de la matire fait galement dfaut (on la nomme pour cette raison la masse noire)
videmment, ne voir que 4% de notre univers, a fait dsordre, 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 pass, on fait l’impasse, on croit en Dieu, on cherche encore... ?

En 1951, Pie XII, grand amateur d’astronomie, fit rfrence au modle dcrit par l’abb Lemaitre (ce jsuite dont j’ai parl plus haut), enthousiasm par le rapprochement entre la Science et le Fiat Lux de la Gense.
Le bon jsuite (et scientifique) russit le convaincre de garder a pour lui, l’pisode de Galile ayant laiss un mauvais souvenir... Ce que fit le pape.

Pour ma part, j’essaierai peut-tre de vous rsumer les hypothses (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 systme multidimensionnel et de la thorie des cordes ?
Pas sr. D’autant que pour le moment j’ai comme qui dirait un peu de mal tout saisir...
- Ou plutt de l’nergie quantique du vide et de la recration permanente d’un univers en expansion ?
a me plait davantage, et a repose sur une synthse de la relativit restreinte et de la mcanique quantique, les deux apports thoriques majeurs du XXme sicle, enfin rconciliables !

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


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