29 : Le Big Bang
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Dans les chapitres précédents, nous avons exploré le contenu de l'univers (planètes, étoiles et galaxies) et avons découvert comment ces objets changent avec le temps. Mais qu'en est-il de l'univers dans son ensemble ? Quel âge a-t-il ? À quoi cela ressemblait-il au début ? Comment cela a-t-il évolué depuis ? Quel sera son destin ?
La cosmologie est l'étude de l'univers dans son ensemble et fait l'objet de ce chapitre. L'histoire de la cosmologie observationnelle commence vraiment en 1929, lorsqu'Edwin Hubble a publié des observations sur les décalages vers le rouge et les distances pour un petit échantillon de galaxies et a montré le résultat révolutionnaire de l'époque selon lequel nous vivons dans un univers en expansion, un univers qui était autrefois plus dense, plus chaud et plus lisse. À partir de cette découverte précoce, les astronomes ont élaboré de nombreuses prédictions sur l'origine et l'évolution de l'univers, puis ont testé ces prévisions à l'aide d'observations. Dans ce chapitre, nous allons décrire ce que nous savons déjà sur l'histoire de notre univers dynamique et mettre en lumière certains des mystères qui subsistent.
- 29.1 : L'ère de l'univers
- La cosmologie est l'étude de l'organisation et de l'évolution de l'univers. L'univers est en expansion, et c'est l'un des principaux points de départ observationnels des théories cosmologiques modernes. Les observations modernes montrent que le taux d'expansion n'a pas été constant tout au long de la vie de l'univers. Au départ, lorsque les galaxies étaient proches les unes des autres, les effets de la gravité étaient plus forts que ceux de l'énergie noire, et le taux d'expansion ralentissait progressivement.
- 29.2 : Un modèle de l'univers
- Un modèle isotrope et homogène (identique partout) est une assez bonne approximation de la réalité. L'univers est en expansion, ce qui signifie que l'univers subit un changement d'échelle avec le temps ; l'espace s'étend et les distances augmentent du même facteur partout à un moment donné. Les observations montrent que la densité de masse de l'univers est inférieure à la densité critique. En d'autres termes, il n'y a pas assez de matière dans l'univers pour arrêter l'expansion.
- 29.3 : Le début de l'univers
- L'univers se refroidit à mesure qu'il s'étend. L'énergie des photons est déterminée par leur température, et les calculs montrent que dans l'univers primitif et chaud, les photons avaient tellement d'énergie que lorsqu'ils se heurtaient les uns aux autres, ils pouvaient produire des particules matérielles. À mesure que l'univers s'étendait et se refroidissait, des protons et des neutrons se sont formés d'abord, puis des électrons et des positrons Ensuite, les réactions de fusion ont produit des noyaux de deutérium, d'hélium et de lithium.
- 29.4 : Le contexte des micro-ondes cosmiques
- Lorsque l'univers est devenu suffisamment froid pour former des atomes d'hydrogène neutres, il est devenu transparent aux radiations. Les scientifiques ont détecté le rayonnement de fond diffus cosmique (CMB) émis à cette époque pendant les débuts de l'univers chaud. Les mesures effectuées avec le satellite COBE montrent que le CMB agit comme un corps noir à une température de 2,73 K. De petites fluctuations du CMB nous montrent les germes de structures à grande échelle dans l'univers.
- 29.5 : De quoi est réellement fait l'univers ?
- Vingt-sept pour cent de la densité critique de l'univers est composée de matière noire. Pour expliquer une telle quantité de matière noire, certaines théories de la physique prédisent qu'il devrait exister d'autres types de particules. Un type a été baptisé WIMP (particules massives à faible interaction), et les scientifiques mènent actuellement des expériences pour tenter de les détecter en laboratoire. La matière noire joue un rôle essentiel dans la formation des galaxies.
- 29.6 : L'univers inflationniste
- Le modèle Big Bang n'explique pas pourquoi le CMB a la même température dans toutes les directions. Cela n'explique pas non plus pourquoi la densité de l'univers est si proche de la densité critique. Ces observations peuvent s'expliquer si l'univers a connu une période d'expansion rapide, que les scientifiques appellent inflation, environ 10 à 35 secondes après le Big Bang. De nouvelles grandes théories unifiées (GUT) sont en cours d'élaboration pour décrire les processus physiques de l'univers avant et au moment de l'inflation.
- 29.7 : Le principe anthropique
- Récemment, de nombreux cosmologistes ont remarqué que l'existence des humains dépend du fait que de nombreuses propriétés de l'univers — l'ampleur des fluctuations de densité dans les premiers temps de l'univers, la force de gravité, la structure des atomes — étaient parfaites. L'idée selon laquelle les lois physiques doivent être telles qu'elles sont parce que sinon nous ne pourrions pas être là pour les mesurer s'appelle le principe anthropique. Certains scientifiques pensent qu'il pourrait y avoir un multivers d'univers, dans lequel le nôtre n'en est qu'un.
Vignette : Ce dessin montre le télescope spatial James Webb, dont le lancement est actuellement prévu pour 2018. Le pare-soleil argenté fait de l'ombre au miroir principal et aux instruments scientifiques. Le miroir principal mesure 6,5 mètres (21 pieds) de diamètre. Avant et pendant le lancement, le miroir sera replié. Une fois le télescope placé sur son orbite, les contrôleurs au sol lui ordonneront de déplier les pétales du miroir. Pour observer les galaxies lointaines dont la lumière a été déplacée vers de grandes longueurs d'onde, le télescope transportera plusieurs instruments permettant de prendre des images et des spectres infrarouges. (source : modification des travaux de la NASA).