Big Bang

Le modèle standard de la cosmologie

La construction de ce qui est désormais appelé le modèle standard de la cosmologie est la conséquence logique de l’idée du Big Bang proposée dans la première partie du XXe siècle. Ce modèle standard de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.), qui tire son nom par analogie avec le modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses particules...), offre une description de l’univers compatible avec l’ensemble des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) de l’univers. Il stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles réduites située de part et d'autre du pétiole, à sa base, au point d'insertion sur...) en particulier les deux points suivants :

  • L’univers observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre...) est issu d’une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) dense et chaude (Big Bang), durant laquelle un mécanisme a permis à la région qui nous est accessible d’être très homogène mais de présenter de petits écarts à l’homogénéité parfaite. Ce mécanisme est probablement une phase de type inflation, quoique d’autres mécanismes aient été proposés.
  • L’univers actuel est empli de plusieurs formes de matières :
    • Les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...), c’est-à-dire les particules représentant toute forme de rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.),
    • Les neutrinos,
    • La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe...) baryonique, qui forme les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...),
    • Une ou plusieurs formes de matière inconnues en laboratoire mais prédites par la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) des particules appelées matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies....), responsable entre autres de la structure des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie,...), bien plus massives que l’ensemble des étoiles qui les composent,
    • Une forme d’énergie aux propriétés inhabituelles, appelée énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) noire ou constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie compatible avec l'idée qu'il avait alors d'un Univers...), responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers observée aujourd’hui (et probablement sans rapport direct avec l’inflation).

Un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d’observations astronomiques rendent ces ingrédients indispensables pour décrire l’univers que nous connaissons. La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) en cosmologie vise essentiellement à déterminer l’abondance et les propriétés de ces formes de matière, ainsi qu’à contraindre le scénario d’expansion accélérée de l’univers primordial (ou d’en proposer d’autres). Trois ingrédients de ce modèle standard de la cosmologie nécessitent de faire appel à des phénomènes physiques non observés en laboratoire : l’inflation, la matière noire et l’énergie noire. Néanmoins, les indications observationnelles en faveur de l’existence de ces trois phénomènes sont telles qu’il semble extrêmement difficile d’envisager d’éviter d’y faire appel. Il n’existe de fait aucun modèle cosmologique satisfaisant s’affranchissant d’un ou plusieurs de ces ingrédients.

Implications philosophiques et statut épistémologique

L’aspect étonnamment « créationniste » que suggère le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que cela...) — du moins dans son interprétation naïve — a bien sûr été à l’origine de nombreuses réflexions, y compris hors des cercles scientifiques, puisque pour la première fois était entrevue la possibilité que la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour...) apporte des éléments de réponse à des domaines jusque là réservés à la philosophie et la théologie. Ce point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) sera en particulier exprimé par le pape Pie XII (voir ci-dessous).

Remarquons au passage que la chronologie suggérée par le Big Bang va à l’inverse des convictions des deux grands architectes des théories de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), Isaac Newton (Sir Isaac Newton était un philosophe, mathématicien, physicien et astronome anglais né le 4 janvier 1643 du calendrier grégorien[1] au manoir de Woolsthorpe...) et Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis apatride (1896), suisse (1901), et enfin...), qui croyaient que la Création était éternelle (nonobstant la contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) des termes). Dans le cas d’Einstein, toutefois, il ne semble pas avéré qu’il y avait un préconçu philosophique pour motiver cette intuition, qui pourrait être avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) issue de motivations physiques (voir l’article univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) d’Einstein).

Lemaître élaborera un point de vue différent de celui exprimé par le pape : la cosmologie et la science en général, n’a pas vocation à conforter ou à infirmer ce qui est du domaine du religieux (ou philosophique). Elle se contente de proposer un scénario réaliste permettant de décrire de façon cohérente l’ensemble des observations dont on dispose à un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) donné. Pour l’heure, l’interprétation des décalages vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) en termes d’expansion de l’univers est établie au-delà de tout doute raisonnable, aucune autre interprétation ne résistant à un examen sérieux, ou étant motivée par des arguments physiques pertinents, et l’existence de la phase dense et chaude est également avérée (voir plus haut).

Critiques de la part de scientifiques

Par contre les convictions ou les réticences des acteurs qui ont participé à l’émergence du concept ont joué un rôle dans ce processus de maturation, et il a souvent été dit que les convictions religieuses de Lemaître l’avaient aidé à proposer le modèle du Big Bang, bien que ceci ne repose pas sur des preuves tangibles. Notons à l’inverse que l’idée que tout l’univers eût pu avoir été créé à un instant donné paraissait à Fred Hoyle bien plus critiquable que son hypothèse de création lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) mais continue de matière dans la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) de l’état stationnaire, ce qui est sans doute à l’origine de son rejet du Big Bang. De nombreux autres exemples de réticences sont connus chez des personnalités du monde (Le mot monde peut désigner :) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...), en particulier :

  • Hannes Alfvén, prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred...) 1970 pour ses travaux sur la physique des plasmas, qui rejeta en bloc le Big Bang, préférant lui proposer sa propre théorie, l’univers plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les...), basée sur une prééminence des phénomènes électromagnétiques sur les phénomènes gravitationnels à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur....), théorie aujourd’hui totalement abandonnée ;
  • Edward Milne, qui proposa des cosmologies newtoniennes, et fut d’ailleurs le premier à le faire (quoiqu’après la découverte de la relativité générale), dans lesquelles l’expansion était interprétée comme des mouvements de galaxies dans un espace statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) et minkowskien (voir univers de Milne) ;
  • De façon plus posée, Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson qui reçurent le prix Nobel de physique pour leur découverte du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.), apportant ainsi la preuve décisive du Big Bang, ont reconnu qu’ils étaient adeptes de la théorie de l’état stationnaire. Wilson déclara notamment ne pas avoir eu la certitude de la pertinence de l’interprétation cosmologique de leur découverte :
« Arno et moi, bien sûr, étions très heureux d’avoir une réponse de quelque nature que ce soit à notre problème. Toute explication raisonnable nous aurait satisfait. […] Nous nous étions habitués à l’idée d’une cosmologie de l’état stationnaire. […] Philosophiquement, j’aimais la cosmologie de l’état stationnaire. Aussi ai-je pensé que nous devions rapporter notre résultat comme une simple mesure : au moins la mesure pourrait rester vraie après que la cosmologie derrière s’avèrerait fausse. »

Même aujourd’hui, et malgré ses succès indéniables, le Big Bang rencontre encore une très faible opposition de la part d’une partie du monde scientifique, y compris chez certains astronomes. Parmi ceux-ci figurent ses opposants historiques comme Geoffrey Burbidge, Fred Hoyle et Jayant Narlikar, qui après avoir finalement abandonné la théorie de l’état stationnaire, en ont proposé une version modifiée, toujours basée sur la création de matière, mais avec une succession de phases d’expansion et de recontraction, la théorie de l’état quasi-stationnaire, n’ayant pas rencontré de succès probant en raison de leur incapacité à faire des prédictions précises et compatibles avec les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) observationnelles actuelles, notamment celles du fond diffus cosmologique. Une des critiques récurrentes du Big Bang porte sur l’éventuelle incohérence entre l’âge de l’univers, plus jeune que celui d’objets lointains, comme cela a été le cas pour les galaxies Abell 1835 IR1916 et HUDF-JD2, mais la plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), ces problèmes d’âge résultent surtout de mauvaises estimations de l’âge de ces objets (voir les articles correspondants), ainsi qu’une sous-estimation des barres d’erreur correspondantes.

Dans le monde francophone, Jean-Claude Pecker, membre de l’académie des sciences, Jean-Marc Bonnet Bidaud, astrophysicien au Commissariat à l’énergie atomique émettent des critiques sur le Big Bang. Christian Magnan, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) au Groupe de Recherches en Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la mécanique...) (GRAAL) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) de Montpellier continue à défendre fermement la réalité du Big Bang mais se montre néanmoins insatisfait du modèle standard de la cosmologie. Il critique notamment ce qu’il décrit comme « la soumission inconditionnelle au modèle d’univers homogène et isotrope » (c’est-à-dire satisfaisant au Principe cosmologique) qui conduit selon lui à des difficultés. La plupart de ces critiques ne sont cependant pas étayées par des éléments scientifiques concrets, et ces personnes ne comptent pas de publications sur le sujet dans des revues scientifiques à comité de lecture. Il n’en demeure pas moins que la presse scientifique grand public se fait souvent l’écho de telles positions marginales, offrant parfois une vision faussée du domaine à ses lecteurs.

Statut actuel

Les progrès observationnels constants dans le domaine de la cosmologie observationnelle donnent une assise unanimement considérée comme définitive au Big Bang, du moins parmi les chercheurs travaillant dans le domaine. Il n’existe d’autre part aucun modèle concurrent sérieux au Big Bang. Le seul qui ait jamais existé, la théorie de l’état stationnaire, est aujourd’hui complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant...) marginal (Marginal (sous-titrée Anthologie de l'imaginaire) est une collection des éditions OPTA, vouée aux anthologies thématiques de science-fiction.) du fait de son incapacité à expliquer les observations élémentaires du fond diffus cosmologique, de l’abondance des éléments légers et surtout de l’évolution des galaxies. Ses auteurs se sont d’ailleurs finalement résignés à en proposer au début des années 1990 une version significativement différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité...), la théorie de l’état quasi-stationnaire, qui comme son nom ne l’indique pas comporte un cycle de phases denses et chaudes, lors desquelles les conditions sont essentiellement semblables à celles du Big Bang.

Il n’existe désormais pas d’argument théorique sérieux pour remettre en cause le Big Bang. Celui-ci est en effet une conséquence relativement générique de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant...) générale qui n’a à l’heure actuelle (2009) pas été mise en défaut par les observations. Remettre en cause le Big Bang nécessiterait donc soit de rejeter la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste de la gravitation,...) (malgré l’absence d’éléments observationnels allant dans ce sens), soit de supposer des propriétés extrêmement exotiques d’une ou plusieurs formes de matière. Même dans ce cas il semble impossible de nier que la nucléosynthèse primordiale (En 1948, l'astronome anglais Fred Hoyle développe une théorie selon laquelle les éléments chimiques se forment dans les étoiles. Cette théorie, appelée nucléosynthèse stellaire, explique de façon satisfaisante les populations...) ait eu lieu, ce qui implique que l’univers soit passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des...) par une phase un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et précède un...) de fois plus chaude et un milliard de milliards de milliards de fois plus dense qu’aujourd’hui. De telles conditions rendent le terme de Big Bang légitime pour parler de cette époque dense et chaude. De plus, les seuls modèles réalistes permettant de rendre compte de la présence des grandes structures dans l’univers supposent que celui-ci a connu une phase dont les températures étaient entre 1026 et 1029 fois plus élevées qu’aujourd’hui.

Ceci étant, il arrive que la presse scientifique grand public se fasse parfois l’écho de telles positions marginales. Il est par contre faux de dire que l’intégralité du scénario décrivant cette phase dense et chaude est comprise. Plusieurs époques ou phénomènes en sont encore mal connus, comme en particulier celle de la baryogénèse, qui a vu se produire un léger excès de matière par rapport à l’antimatière avant la disparition de cette dernière, ainsi que les détails de la fin de la phase d’inflation (si celle-ci a effectivement eu lieu), en particulier le préchauffage et le réchauffage : si les modèles de Big Bang sont en constante évolution, le concept général est en revanche très difficilement discutable.

Pie XII et le Big Bang

L’illustration la plus révélatrice sans doute des réactions suscitées par l’invention du Big Bang est celle du pape Pie XII. Celui-ci, dans un discours resté célèbre très explicitement intitulé Les preuves de l’existence de Dieu à la lumière de la science actuelle de la nature, fait le point sur les dernières découvertes en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...), physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et cosmologie, faisant d’ailleurs preuve d’une connaissance aiguë de la science de son temps. Il ne mentionne aucunement la théorie de l’état stationnaire, mais tire de l’observation de l’expansion et de la cohérence entre âge estimé de l’univers et autres méthodes de datation la preuve de la création du monde :

« […] Avec le même regard limpide et critique dont, il [l’esprit éclairé et enrichi par les connaissances scientifiques] examine et juge (Le juge peut être un professionnel du droit, désigné ou élu pour exercer son office. Il peut également être un simple citoyen appelé temporairement à rendre la justice : c'est notamment le cas des personnes...) les faits, il y entrevoit et reconnaît l’œuvre de la Toute-Puissance créatrice, dont la vérité, suscitée par le puissant « Fiat » prononcé il y a des milliards d’années par l’Esprit créateur, s’est déployée dans l’univers […]. Il semble, en vérité, que la science d’aujourd’hui, remontant d’un trait des millions de siècles, ait réussi à se faire témoin de ce « Fiat Lux » initial, de cet instant où surgit du néant avec la matière, un océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence renouvelée...) de lumière et de radiations, tandis que les particules des éléments chimiques se séparaient et s’assemblaient en millions de galaxies. »

Il conclut son texte en affirmant :

« Ainsi, création dans le temps ; et pour cela, un Créateur ; et par conséquent, Dieu ! Le voici, donc — encore qu’implicite et imparfait — le mot que Nous demandions à la science et que la présente génération attend d’elle. […] »

N’approuvant pas une telle interprétation de découvertes scientifiques, Lemaître demanda audience à Pie XII, lui faisant part de son point de vue que science et foi ne devaient pas être mêlées. Il est souvent dit que Pie XII se rétracta de ce premier commentaire lors d’un discours prononcé l’année suivante, devant un auditoire d’astronomes. Sans parler de rétractation, Pie XII n’évoque plus la création de l’univers, mais invite les astronomes à « acquérir un perfectionnement plus profond de l’image astronomique de l’univers ».

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