Big Bang - Définition

Introduction

Chronologie du Modèle standard de la cosmologie

Cosmologie quantique (?) Ère de Planck (?) Inflation cosmique Préchauffage Réchauffage Ère de grande unification Baryogénèse Transition électro-faible Découplage des neutrinos Ère leptonique Nucléosynthèse primordiale Transition matière-rayonnement Recombinaison Découplage du rayonnement Âges sombres Formation des grandes structures Formation et évolution des galaxies Réionisation Accélération de l'expansion Destin de l'Univers : Mort thermique de l'Univers Big Crunch Big Rip

Disciplines concernées

Gravité quantique Physique des particules Relativité générale Astrophysique

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 préjuge de l’existence d’un « instant initial » ou d’un commencement à son histoire.

Cette phase marquant le début de l’expansion de l’univers, abusivement comparée à une explosion, a été désignée pour la première fois sous ce terme expressif de Big Bang par le physicien anglais Fred Hoyle lors d’un programme radio de la BBC, The Nature of Things (littéralement « La nature des choses »), dont le texte fut publié en 1950. Hoyle lui-même proposait un autre modèle cosmologique, alors en concurrence avec le Big Bang, mais aujourd’hui abandonné, la théorie de l’état stationnaire, dans lequel l’univers n’a pas connu de phase dense et chaude. L’expression Big Bang est devenue le nom scientifique et vulgarisé de l’époque d’où est issu l’univers tel que nous le connaissons.

Le terme de Big Bang chaud (Hot Big Bang) était parfois utilisé au début pour indiquer que selon ce modèle l’univers était plus chaud quand il était plus dense. Le qualificatif de « chaud » était rajouté par souci de précision car le fait que l’on puisse associer une notion de température à l’univers dans son ensemble n’était pas encore bien compris au moment où le modèle a été proposé, au milieu du XX^e siècle.

Le concept général du Big Bang, à savoir que l’univers est en expansion et a été plus dense et plus chaud par le passé, doit sans doute être attribué au russe Alexandre Friedmann et au prêtre catholique belge Georges Lemaître qui respectivement en 1922 et 1927 décrivirent dans les grandes lignes l’expansion de l’univers, avant que celle-ci ne soit mise en évidence par Edwin Hubble en 1929. Son assise définitive ne fut cependant établie qu’en 1965 avec la découverte du fond diffus cosmologique, le « pâle écho lumineux du Big Bang » selon les termes de Georges Lemaître, qui attesta de façon définitive la réalité de l’époque dense et chaude de l’univers primordial.

Introduction

Selon le modèle du Big Bang, l’univers actuel a émergé d’un état extrêmement dense et chaud il y a un peu plus de 13 milliards et demi d’années.

La découverte de la relativité générale par Albert Einstein en 1915 marque le début de la cosmologie moderne, où il devient possible de décrire l’univers dans son ensemble comme un système physique, son évolution à grande échelle étant décrite par la relativité générale.

Einstein est d’ailleurs le premier à utiliser sa théorie fraîchement découverte, tout en y ajoutant un terme supplémentaire, la constante cosmologique, pour proposer une solution issue de la relativité générale décrivant l’espace dans son ensemble, appelée univers d’Einstein. Ce modèle introduit un concept extrêmement audacieux pour l’époque, le principe cosmologique, qui stipule que l’Homme n’occupe pas de position privilégiée dans l’univers, ce qu’Einstein traduit par le fait que l’univers soit homogène et isotrope, c’est-à-dire semblable à lui-même quels que soient le lieu et la direction dans laquelle on regarde. Cette hypothèse était relativement hardie car à l’époque aucune observation concluante ne permettait d’affirmer l’existence d’objet extérieur à la Voie lactée, bien que le débat sur cette question existe dès cette époque (par la suite appelé Le Grand Débat).

Au principe cosmologique, Einstein ajoute implicitement une autre hypothèse qui paraît aujourd’hui nettement moins justifiée, celle que l’univers est statique, c’est-à-dire n’évolue pas avec le temps. C’est cet ensemble qui le conduit à modifier sa formulation initiale en ajoutant à ses équations le terme de constante cosmologique. L’avenir lui donne tort, car dans les années 1920, Edwin Hubble découvre la nature extragalactique de certaines « nébuleuses » (aujourd’hui appelées galaxies), puis leur éloignement de la Galaxie avec une vitesse proportionnelle à leur distance c’est la loi de Hubble. Dès lors, plus rien ne justifie l’hypothèse d’un univers statique proposée par Einstein.

Avant même la découverte de Hubble, plusieurs physiciens dont Willem de Sitter, Georges Lemaître et Alexandre Friedmann découvrent d’autres solutions de la relativité générale décrivant un univers en expansion. Leurs modèles sont alors immédiatement acceptés dès la découverte de l’expansion de l’univers. Ils décrivent ainsi un univers en expansion depuis plusieurs milliards d’années. Par le passé, celui-ci était donc plus dense et plus chaud.