Comprendre la théorie du Big Bang

La théorie du big-bang est la théorie dominante de l'origine de l'univers. En substance, cette théorie affirme que l'univers a commencé à partir d'un point initial ou singularité, qui s'est étendu sur des milliards d'années pour former l'univers tel que nous le connaissons maintenant.

Premiers résultats de l'univers en expansion

En 1922, un cosmologiste et mathématicien russe du nom d'Alexander Friedman a découvert que les solutions aux équations du champ de la relativité générale d'Albert Einstein entraînaient un univers en expansion. En tant que croyant en un univers statique et éternel, Einstein a ajouté une constante cosmologique à ses équations, "corrigeant" cette "erreur" et éliminant ainsi l'expansion. Il appellera plus tard cela la plus grosse bévue de sa vie.

En fait, il y avait déjà des preuves d'observation à l'appui d'un univers en expansion. En 1912, l'astronome américain Vesto Slipher a observé une galaxie spirale considérée comme une "nébuleuse spirale" à l'époque, car les astronomes ne savaient pas encore qu'il y avait des galaxies au-delà de la Voie lactée - et a enregistré son décalage vers le rouge, le changement de source de lumière vers l'extrémité rouge du spectre lumineux. Il a observé que toutes ces nébuleuses s'éloignaient de la Terre. Ces résultats étaient assez controversés à l'époque, et toutes leurs implications n'ont pas été prises en compte.

En 1924, l'astronome Edwin Hubble a pu mesurer la distance de ces "nébuleuses" et a découvert qu'elles étaient si loin qu'elles ne faisaient pas réellement partie de la Voie lactée. Il avait découvert que la Voie lactée n'était qu'une des nombreuses galaxies et que ces "nébuleuses" étaient en fait des galaxies à part entière.

Naissance du Big Bang

En 1927, le prêtre et physicien catholique romain Georges Lemaitre a calculé indépendamment la solution de Friedman et a de nouveau suggéré que l'univers devait être en expansion. Cette théorie a été soutenue par Hubble quand, en 1929, il a constaté qu'il y avait une corrélation entre la distance des galaxies et la quantité de décalage vers le rouge dans la lumière de cette galaxie. Les galaxies lointaines s'éloignaient plus rapidement, ce qui était exactement ce qui avait été prédit par les solutions de Lemaitre.

En 1931, Lemaitre est allé plus loin avec ses prédictions, extrapolant dans le temps pour découvrir que la matière de l'univers atteindrait une densité et une température infinies à un moment fini dans le passé. Cela signifiait que l'univers devait avoir commencé dans un point de matière incroyablement petit et dense, appelé "atome primitif".

Le fait que Lemaitre soit un prêtre catholique romain inquiète certains, car il avance une théorie qui présente un moment précis de «création» à l'univers. Dans les années 1920 et 1930, la plupart des physiciens, comme Einstein, étaient enclins à croire que l'univers avait toujours existé. En substance, la théorie du big-bang a été considérée comme trop religieuse par de nombreuses personnes.

Big Bang vs Steady State

Alors que plusieurs théories ont été présentées pendant un certain temps, ce n'est vraiment que la théorie de Fred Hoyle sur l'état stationnaire qui a fourni une réelle concurrence à la théorie de Lemaitre. C'est, ironiquement, Hoyle qui a inventé l'expression "Big Bang" lors d'une émission de radio dans les années 1950, le considérant comme un terme dérisoire pour la théorie de Lemaitre.

La théorie de l'état stationnaire prédit que de la nouvelle matière a été créée de telle sorte que la densité et la température de l'univers sont restées constantes dans le temps, même pendant que l'univers était en expansion. Hoyle a également prédit que des éléments plus denses se sont formés à partir d'hydrogène et d'hélium grâce au processus de nucléosynthèse stellaire, qui, contrairement à la théorie de l'état stationnaire, s'est avéré exact.

George Gamow, l'un des élèves de Friedman, était le principal défenseur de la théorie du big bang. Avec ses collègues Ralph Alpher et Robert Herman, il a prédit le rayonnement du fond cosmique micro-ondes (CMB), qui devrait exister dans tout l'univers comme un vestige du Big Bang. Comme les atomes ont commencé à se former pendant l'ère de la recombinaison, ils ont permis au rayonnement micro-ondes (une forme de lumière) de voyager à travers l'univers, et Gamow a prédit que ce rayonnement micro-ondes serait encore observable aujourd'hui.

Le débat s'est poursuivi jusqu'en 1965 lorsque Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson sont tombés sur le CMB alors qu'ils travaillaient pour Bell Telephone Laboratories. Leur radiomètre Dicke, utilisé pour la radioastronomie et les communications par satellite, a relevé une température de 3,5 K (une correspondance étroite avec la prédiction d'Alther et Herman de 5 K).

Tout au long de la fin des années 1960 et au début des années 1970, certains partisans de la physique de l'état stationnaire ont tenté d'expliquer cette découverte tout en niant la théorie du big bang, mais à la fin de la décennie, il était clair que le rayonnement CMB n'avait aucune autre explication plausible. Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique 1978 pour cette découverte.

Inflation cosmique

Cependant, certaines inquiétudes subsistaient concernant la théorie du big bang. L'un d'eux était le problème de l'homogénéité. Les scientifiques ont demandé: Pourquoi l'univers semble-t-il identique, en termes d'énergie, quelle que soit la direction dans laquelle on regarde? La théorie du big-bang ne donne pas au premier univers le temps d'atteindre l'équilibre thermique, il devrait donc y avoir des différences d'énergie dans tout l'univers.

En 1980, le physicien américain Alan Guth a officiellement proposé une théorie de l'inflation pour résoudre ce problème et d'autres. Cette théorie dit que dans les premiers instants qui ont suivi le Big Bang, il y a eu une expansion extrêmement rapide de l'univers naissant entraînée par "l'énergie du vide à pression négative" (qui mai être en quelque sorte liés aux théories actuelles de l'énergie sombre). Alternativement, des théories de l'inflation, de concept similaire mais avec des détails légèrement différents, ont été avancées par.

Le programme Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA, qui a débuté en 2001, a fourni des preuves qui soutiennent fortement une période d'inflation dans le premier univers. Cette évidence est particulièrement forte dans les données triennales publiées en 2006, bien qu'il y ait encore quelques incohérences mineures avec la théorie. Le prix Nobel de physique 2006 a été décerné à John C. Mather et George Smoot, deux travailleurs clés du projet WMAP.

Controverses existantes

Bien que la théorie du Big Bang soit acceptée par la grande majorité des physiciens, il reste quelques questions mineures à son sujet. Mais le plus important, ce sont les questions auxquelles la théorie ne peut même pas tenter de répondre:

• Ce qui existait avant le Big Bang?
• Qu'est-ce qui a provoqué le Big Bang?
• Notre univers est-il le seul?

Les réponses à ces questions peuvent bien exister au-delà du domaine de la physique, mais elles sont néanmoins fascinantes, et des réponses telles que l'hypothèse multivers fournissent une zone de spéculation intrigante pour les scientifiques et les non-scientifiques..

Autres noms pour le Big Bang

Lorsque Lemaitre a proposé à l'origine son observation sur l'univers primitif, il a appelé cet état primitif de l'univers l'atome primitif. Des années plus tard, George Gamow lui appliquerait le nom ylem. Il a également été appelé l'atome primordial ou même l'œuf cosmique.