La théorie du Big Bang

La théorie du Big Bang (III)

Nous voici enfin prêt à relater l'histoire de l'Univers. Depuis l'époque de la mythologie, la cosmologie a toujours suscité la réflexion des hommes religieux puis des scientifiques. A l'heure actuelle, cette genèse de l'Univers connaît un grand succès de presse et s'attache les noms de nombreux scientifiques prestigieux, astronomes, physiciens et astrophysiciens.

Richard Tolman fut le premier à faire connaître ses idées au public en 1934. Il sera suivi par George Gamow, Fred Hoyle, Stephen Hawking et tout une génération de chercheurs, jusqu'à Fang Lizhi et Alan Guth tout récemment. Les articles de presse, scientifiques ou de vulgarisation traitant ce sujet se chiffrent par milliers chaque année. De nouvelles théories apparaissent aussi pour expliquer certaines étapes singulières de cette évolution.

En 1976, le physicien Steven Weinberg du Laboratoire Lyman de l'Université d'Harvard fut pressé par ses amis de publier le compte rendu de ses conférences données à l'Université d'Harvard, offrant au public le premier ouvrage consacré à l'histoire de l'Univers et aux problèmes cosmologiques actuels. Tout le monde en entendit parler, il s'agit du célèbre "Les trois premières minutes de l'Univers"[8]. L'oeuvre à la base de son récit, la théorie des particules élémentaires, lui valut le prix Nobel en 1979. Devant le succès de son livre, ce classique de la littérature scientifique a été réédité et remis à jour à plusieurs reprises.

Aujourd'hui encore, le scénario interprété par Weinberg est suivi par la plupart des théoriciens et nous ne manquerons pas d'honorer son travail en y faisant référence. Les deux seules différences avec son récit sont que pour la cohérence du scénario notre histoire commencera au "temps zéro" plutôt qu'un centième de seconde après le Big Bang.

La seconde raison, depuis 1976 les nouvelles lois de la physique se sont avérées très fécondes, quelquefois étayées par l'observation et l'expérience. Ces lois ont permis aux cosmologistes de lever certaines incertitudes, tout au moins jusqu'à l'échelle de Planck, jusqu'à 10^-43 s. Mais comme le souligne Weinberg lui-même dans la postface de l'édition de 1988, "Ces travaux sur l'Univers extrêmement primitif représentent un réel progrès, mais un progrès de nature conceptuelle qui n'a que des liens très éloignés avec les observations effectuées dans l'Univers actuel."

De nombreux phénomènes faisant appel à de très hautes énergies restent en effet hors de notre portée et de nombreuses énigmes résistent à l'investigation et sortent du cadre de cette théorie.

Les modèles cosmologiques basés sur la théorie du Big Bang disent par exemple que si l'Univers est infini aujourd'hui, il avait déjà une taille infinie au temps zéro, une température et une densité infinie et une singularité en chacun de ses points...

 Ces notions complexes - le terme est faible - dépasse notre entendement et rendent les physiciens mal à l'aise car ils devraient quantifier la gravitation. Dans les théorie inflationnaire et la supergravité, nous avons vu que cet ambitieux défi serait bientôt à leur portée.

Mais en essayant de vulgariser ce sujet, il faut également préciser que les mots qui seront utilisés, agitation, collision, instant, etc, ne reflètent pas du tout les phénomènes qu'ils tentent de définir. Il a fallu opter pour une sorte d'allégorie de la réalité car ce n'est que par ce truchement qu'il est possible d'expliquer le plus simplement qu’il soit une physique bien trop complexe pour être mise en pâture telle qu'elle, et qui de toute manière n’est pas entièrement comprise par la communauté des physiciens qui appliquent ses lois.

Avant de commencer notre récit, précisons encore trois notions. Elles nous aideront à mieux comprendre l'évolution de l'Univers.

L'échelle du temps

Deux remarques s'imposent en préambule si nous voulons faire plaisir aux théoriciens. D'abord, pourquoi avoir placé l'expression "temps zéro" entre guillemets et pas uniquement le chiffre 0 ?

Utiliser la notion même de temps à l'époque du Big Bang constitue un abus de langage, d'où cette réserve. En effet, ainsi que nous l'avons expliqué en physique quantique, les travaux réalisés ces dernières années en supergravité (théories de supercordes, M, etc) nous disent que le temps pourrait être une illusion à grande échelle, comme une montre nous donne l'illusion de mesurer le temps, alors qu'elle ne montre finalement que le déplacement des aiguilles.

Toutefois, nous devons bien nous fixer des repères et utiliser des variables pour discuter de l'évolution d'un phénomène dynamique, et il n'y a encore rien de mieux que la seconde pour se repérer dans le temps, d'autant qu'au-delà du temps de Planck (~10^-43 s), cette notion de temps a déjà le sens que nous lui connaissons.

Ensuite, il y a la question du "zéro". Dans l'échelle ordinaire, linéaire et chronologique des évènements que nous allons relater, nous plaçons le début de l'Univers au temps t = 0. En réalité, cette notion perd son sens si nous acceptons l'idée d'un Univers qui crée son propre espace "au départ" d'un phénomène de Big Bang. Chercher à savoir ce qu'il y avait "avant" devient un non sens physiquement parlant. D'un autre côté le mot se retrouve de plus en souvent dans la bouche des théoriciens. Pourquoi ?

Parce que ce principe peut être gommé si nous alignons en parallèle une échelle logarithmique du temps. Lorsque nous remontons dans le passé, au moment où l'espace prenait forme il y a environ 13.8 milliards d'années, toute une série d'évènements se sont produits à un rythme toujours plus accéléré jusqu'à se multiplier à l'infini. L'échelle logarithmique nous permet de mieux saisir ces évènements toujours plus accélérés dans le passé. Cette échelle facilite également la comparaison avec la notion d'Univers en équilibre thermique qui se dilate.

En bonne approximation, l'échelle du temps est multipliée par deux chaque fois que l'Univers double de volume, tandis que sa température baisse de moitié. Ainsi, par convention le temps présent vaut 0, nous comparons les temps passés à l'époque actuelle. Au temps t = 1, l'Univers présentera un rayon deux fois plus grand qu'aujourd'hui, soit 28 milliards d'a.l. A t = 2, il aura encore doublé (56 milliards d'a.l.) et ainsi de suite.

De l'autre côté de l'échelle, les valeurs prennent le signe négatif. A t = -1, l'Univers était deux fois plus petit, il faisait 7.5 milliards d'a.l. Lorsque t = -2, l'Univers était 4 fois plus petit qu'aujourd'hui. Le rayonnement fossile est apparu lorsque l'Univers était 1000 fois plus petit, à t = -1000; l'hélium apparut lorsque l'Univers était 1 milliard de fois plus petit, à t = 10^-9 ; les quarks ont formés les nucléons à t = 10^-12, etc. La limite inférieure du temps logarithmique vaut "moins l'infini", qui cette fois représente plus logiquement le déroulement chronologique des évènements. Avec des limites posées à l'infini nous ne sommes plus tenté de savoir ce qu'il y avait "avant" et nous évitons de tomber dans un piège métaphysique.

L'écho d'un grand "boum"

Introduite en 1927 par l'abbé Lemaître, nous avons vu que la théorie du Big Bang fut affinée par Gamow qui l'énonça en 1948. Comme le fit remarquer l'abbé Lemaître, il ne faut pas considérer ce grand "boum" comme une explosion traditionnelle; elle ne s'est pas produite dans une enceinte. Le terme "Big Bang" n'est pas approprié pour décrire le phénomène physique qu'il représente car l'Univers se contenait lui-même.

Gamow proposa qu'il y eut un état singulier où tout l'Univers était concentré dans un espace de très forte densité et très chaud dans lequel la matière n'existait pas. La relativité générale démontre que lorsque la densité d'un corps est infinie et sa taille est réduite à un point, on obtient une singularité. Einstein écrivit en 1950 que sa "théorie n'est qu'une approximation, très inadéquate lorsqu'on à affaire à de très fortes densités de matière."[10]

Le concept de Big Bang impose également l’idée qu’à cette époque primordiale le rayon de courbure de l’Univers tendait vers zéro, si bien que dans cet espace-temps homogène il y avait des singularités en chaque point de l’espace-temps.

Mais cela ne signifie pas que la dimension spatiale de l’Univers était nulle. Il pouvait en effet avoir une dimension spatiale infinie. De même que l’Univers peut avoir une courbure positive, nulle ou négative (autrement dit être en contraction ou en expansion dans le temps), il peut malgré tout être fermé spatialement mais sans bord (comme une sphère)...

Et de fait, aujoud'hui on envisage que notre Univers à 4 dimensions, aussi dense, chaud et minuscule qu'il puisse avoir été n'a pas peut-être jamais eu de dimension 0; son volume n'était pas nul et fut peut-être infini dès son émergence.

Ces propriétés et en particulier l'instant du Big Bang, ne peut être expliqué sans faire appel à une nouvelle physique, combinant la quantique et la relativité générale. Mais même dans ce cas on obtient des nombres infinis sauf en usant de stratagèmes comme l'Instanton de Hawking et Turok et des concepts plus complexes comme la théorie des cordes ou la gravité quantique à boucles par exemple.

A voir : The Known Universe by AMNH

Zoom de la Terre à l'infiniment grand et retour

A écouter : Le son du Big Bang, John G. Cramer

Illustrations allégoriques du Big Bang. Cliquez sur les images pour lancer les animations. Documents NASA (.GIF de 6.2 MB) dont voici la version HD (.MP4 de 93 MB) et SciTechDaily (.GIF de 2.8 MB). Voici une ancienne animation du NGS (.GIF de 128 KB de 1975) adaptée par l'auteur.

Dans les années 1940, R.Feynman, J.Schwinger et F.Dyson apportèrent un début de solution grâce aux renormalisations. Leur théorie permet d'obtenir des résultats finis dont les valeurs sont exacts jusqu'à la dixième décimale. A ce jour seule la théorie de l'électromagnétisme accepte de telles corrections. Les autres interactions s'y opposent, soit que la loi des probabilités ne s'y applique pas (interactions fortes), soit que l'énergie en jeu est indétectable (gravitation) ou l'approximation trop peu précise (interactions faibles). Mais grâce à la théorie des cordes et autres supersymétrie, les physiciens ont trouvé quelques voies qui devraient conduire à une théorie renormalisable de la gravitation quantique.

C'est Roger Penrose et Stephen Hawking qui ont démontré en 1970 que la théorie de la relativité générale imposait un phénomène de Big Bang avec une singularité à l'origine de l'Univers. Mais récemment Hawking s'est rallié à l'idée exprimée par Linde et Guth qui ont supprimé la singularité. Si l'Univers est né de "rien", les mathématiques permettront peut-être de remonter l'échelle de Planck dans un temps imaginaire, mathématiquement parlant.

La radioastronomie vint alors supporter la conception du Big Bang, lui apportant une preuve complémentaire indiscutable. En 1965, Penzias et Wilson[11] découvraient le rayonnement cosmologique à 2.7 K. Les découvertes du satellite COBE notamment démontrèrent qu'il s'agissait bien de l'émission exacte d'un corps noir comme le prévoyait la théorie.

Echo d'une "explosion" primordiale qui se répandit dans tout l'Univers, cette "lumière" de la Création (au sens propre et non biblique!) s'est détendue au rythme de l'expansion de l'Univers. Cette énergie fossile s'est refroidie, se dégradant graduellement d'une fréquence lumineuse en un faible rayonnement radio et isotrope, mais il prouve que l'Univers fut autrefois très chaud.

Une autre observation confirme cette fournaise : l'abondance de l'hélium. Entre 20 et 28% de la matière visible est composée d'hélium (~10% calculé en nombre d'atomes), dont 4% seulement ont pu être produits par les étoiles. Selon l'idée la plus répandue, la majeure partie de cet hélium dut apparaître lorsque l'Univers était très chaud (plusieurs milliards de degrés), environ trois minutes après le Big Bang. Il en est de même pour le deutérium et le lithium qui sont tous deux des éléments fossiles abondants qui témoignent de l'existence d'une phase initiale très chaude de l'Univers.

Ceci dit, les récents développements des théories inflationnaires n'imposent pas que le Big Bang lui-même soit chaud. Selon les calculs d'Andrei Linde et son collègue Jun'ichi Yokoyama, dans ce cas le scénario inflationnaire ne fonctionnerait pas conformément aux observations (régime adiabatique incompatible avec les hautes températures, etc.). C'est ici que le modèle ΛCDM vient compléter le modèle inflationnaire une fraction de seconde après le Big Bang.