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La question du début et de la fin de l'Univers n’a cessé d’intriguer l'humanité depuis des millénaires. Les Grecs anciens ainsi que d'autres civilisations croyaient que l’Univers était éternel. Aristote fut l'un des premiers à penser différemment en émettant l’hypothèse que l'Univers serait enfermé dans une «sphère céleste». A la surprise générale, autour de 1930, on a découvert que l'Univers n'était pas infiniment vieux, mais avait un âge fini. L'astronome Edward Hubble a fait une observation étonnante : toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres. Par conséquent, ont peut supposer qu'elles aient été plus rapprochées il y a 1000 ans qu'elles ne le sont aujourd'hui, et davantage il y a 1 million d'années et ainsi de suite. Enfin, dans un passé lointain, il y a 13,7 milliards d'années, toute la matière dans l'Univers devait être compressée à d’énormes densité et température.

Le Big Bang. Source de l'image : Counterbalance Foundation

Puisque l'expansion de cet état initial procède en une gigantesque explosion, cette théorie s’est rapidement répandue sous le nom de Big Bang. A l'origine, le nom de Big Bang a été utilisé ironiquement et inventé par les adversaires de la théorie du Big Bang, car il semblait inconcevable dans les années 1930 pour beaucoup de personnes que l'univers ne puisse pas avoir un âge infini. Le nom de Big Bang est toutefois utilisé depuis car il fait appel à l'imagination des scientifiques et des profanes.

Pour le moment, la théorie du Big Bang est la théorie la plus admise de l'origine de l'Univers - mais elle est loin d'être complète. Elle explique la façon dont l'Univers aurait évolué dès sa création, mais il demeure beaucoup de questions cosmologiques. Comment le Big Bang s'est-il passé ? Si l’Univers est en expansion, vers quoi s’élargit-il ? Certaines de ces questions représentent de nouveaux défis passionnants pour les astronomes, tandis que d'autres demeurent ahurissantes. Par exemple, nous savons ce qui s'est passé dans l'Univers une fraction de seconde après le Big Bang, mais ne pouvons pas expliquer entièrement la première fraction de seconde, pendant laquelle l'espace et le temps ont été créés. A la question qu’y avait-il avant le Big Bang ? la réponse est rien, parce que l'espace et le temps n'existaient pas jusqu'au Big Bang, il n'y a donc pas d' avant Big Bang et par ailleurs il n'y avait pas de place pour l’existence de quoi que ce soit.

La théorie du Big Bang expose que toute la matière qui existait dès le départ était regroupée en un seul endroit. Avant le Big Bang, il n'y avait eu ni temps ni espace. Hubble a découvert que les galaxies s'éloignaient les unes des autres, ce qui a conduit à l'idée d’un élargissement de l’espace. Cela signifie que ce n'est pas le mouvement des galaxies elles-mêmes qui les éloignent les unes des autres. C’est l'espace lui-même qui se déplace en dehors des galaxies.

La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, nous explique comment chaque objet dans l'espace est intégré dans l'espace et c’est l'espace lui-même qui se trouve en expansion, augmentant ainsi la distance entre les objets. Tous les points de la matière et de l'espace se trouvaient à un point avant le Big Bang, ce qui signifie que le Big Bang s'est produit partout.

On peut comparer cela à un ballon de baudruche. Le ballon représente l'espace (dans ce cas en 2 dimensions). Dessinons des centaines de points représentant des galaxies sur le ballon. Lorsqu’on souffle dans ce ballon, les points semblent s'éloigner les uns des autres, mais en réalité, c’est la peau du ballon entre chaque point qui est étirés déplaçant toutes les «galaxies» et les rendant plus espacées.

Après avoir observé la lumière à partir de sources très lointaines, Edward Hubble s'est rendu compte que toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres. Il a constaté que cette lumière avait évolué vers l'extrémité rouge du spectre visible. Ceci peut être expliqué par l'effet Doppler, effet par lequel la lumière émise par une source qui s'éloigne de l'observateur est perçue avec une fréquence plus basse.

Une fréquence plus basse signifie que la perception de la lumière semble plus rougeâtre que la lumière elle-même émise par la source, cet effet est appelé décalage vers le rouge.

Illustration de l'effet Doppler. Source de l'image: epicphysics.com

L'effet Doppler s'applique à tous les types de vagues, mais il est plus facile à expliquer à l'aide du son. Imaginez une moto roulant vers un observateur B. Son moteur émet des ondes sonores (bruit) dans toutes les directions, mais, comme la moto se déplace vers l'avant, elle rattrape les ondes sonores et en émet aussi vite, ce qui signifie que l'écart entre chaque onde successive obtenue devient plus petit. Ceci augmente la fréquence des ondes sonores qui fait en sorte que B entende un son plus aigu. Derrière la moto, l'effet est inverse, l'espacement entre les ondes devient plus grand au fur et à mesure que la moto s'éloigne de l'observateur A, qui entend un son aigu plus faible.

La lumière connaît un effet similaire. Pour les objets émettant de la lumière vers l'observateur en mouvement, les ondes sont comprimées ensemble, ce qui signifie une plus haute fréquence et des longueurs d'onde plus faibles qui apparaissent bleutées. Concernant les galaxies qui s'éloignent de nous, la lumière est décalée vers les basses fréquences (longueurs d'onde plus élevées) et semble plus rouge.

Cette image montre que la lumière des galaxies lointaines est rouge au lieu d’être jaune dû au fait qu’elles s'éloignent de nous. Source: ESA / NASA

Les théories de ce qu’était l’Univers très jeune sont hautement spéculatives car il est très difficile de connaître en détail ce qui s'est passé il y a 13,7 milliards d'années.

Nous savons qu’au début de l'Univers, la température était si élevée que tout s’est trouvé dissous dans les particules élémentaires comme les quarks, les électrons et les photons. Il n'y avait pas de noyaux atomiques, d’atomes, d’états solides, de planètes ou d’étoiles. A ce moment, seules les particules élémentaires pouvaient exister.

Durant la milliseconde suivant le Big Bang, les températures ont suffisamment refroidi pour permettre aux protons et aux neutrons de former par fusion trois quarks élémentaires.

Il existe six types de quarks. Deux d'entre eux composent quasiment toutes les matières: le haut et le bas. Trois quarks peuvent se joindre afin de former soit un proton (2 hauts + 1 bas) ou un neutron (de 1 haut + 2 bas).

En 1965, deux scientifiques américains, Penzias et Wilson, ont construit une nouvelle antenne de radio d’une sensibilité sans précédent, afin de mesurer les signaux satellites. Ils ont découvert accidentellement un mystérieux rayonnement micro-onde venant de loin dans l'espace, sans avoir aucune idée de son origine. Il a été découvert plus tard que ce rayonnement a été créé dans le Big Bang. Il est appelé fond diffus cosmologique et son rayonnement augmente la température de l'espace de zéro à 2.7K. Le rayonnement est quasiment parfaitement uniforme dans toutes les directions.

On pourrait soi-même observer le rayonnement fossile ! Quiconque ayant vu une télévision analogique avant qu'elle soit correctement réglée sait que l’écran va émettre une image «statique». Environ 10% de ce qu’on voit scintiller est dû au rayonnement de fond. Cela ne se produit pas sur les téléviseurs numériques.

D’où vient-il ?

Après la création des premiers noyaux atomiques d'hydrogène, d'hélium et de traces de lithium, ces éléments légers ont demeuré noyés dans une mer d'électrons issus des premiers instants de l'histoire de l'Univers. Chaque électron porte une charge électrique négative tandis que chaque proton est chargé positivement. Ces protons et ces électrons sont attirés les uns vers les autres en raison de leurs charges opposées, et les électrons ont ainsi tenté de former des nuages autour des protons.

Cependant, la température élevée dissout immédiatement les nuages et envoie des protons et des électrons à travers l'espace selon des trajectoires aléatoires. Il a fallu 300 000 années pour l'Univers afin de s’élargir et se refroidir suffisamment pour atteindre une température à laquelle un nuage d'électrons resterait stable. Les noyaux et leurs cortèges d’électrons correspondent à ce que nous connaissons aujourd’hui : les atomes.

Les trajectoires des photons (particules légères) peuvent être modifiés par des collisions avec des charges électriques, mais ils n'interagissent pas avec les atomes neutres. Par conséquent, les photons du Big Bang original ont continué imperturbablement leur chemin, une fois tous les électrons incorporés dans les atomes, et nous voyons ces photons aujourd'hui comme le rayonnement fossile cosmique. Ainsi, ce rayonnement donne un aperçu de l'Univers « en bas âge » de 300 000 ans.

La figure montre une image détaillée de l’ensemble du ciel de l'univers jeune constitué à partir de neuf ans de données WMAP. Les différentes couleurs sur cette image montrent que 300 000 ans après le Big Bang l'Univers n'est pas le même dans son ensemble. Les différences de couleurs indiquent les variations de température qui correspondent aux graines qui ont poussé pour devenir des galaxies. Source : NASA / WMAP

Existe-t-il une preuve de la théorie du Big Bang ? En effet, cette théorie est étayée par les observations suivantes :

  1. 1. L’expansion de l'Univers par des galaxies qui s'éloignent les unes des autres. Cela signifie que toute la matière de l'Univers a du être compressée par une température considérablement élevée et d’une grande densité au moment du Big Bang.
  2. 2. L'abondance des noyaux légers 2H, 3He, 4He et 7Li ne peut s'expliquer que si l'on suppose qu'ils ont été créés dans les premières minutes après le Big Bang.
  3. 3. L'observation du fond diffus cosmologique venant de loin dans l'espace. L'origine de ce rayonnement peut s’expliquer par l'hypothèse de son origine peu de temps après le Big Bang. 

Environ un milliard d'années après le Big Bang, l'Univers ne se composait que d'hydrogène et d'hélium à l'état gazeux. Il n'y avait ni étoiles ni planètes. Finalement, quelques nuages de gaz ont commencé à s'effondrer sur eux-mêmes pour former des protoétoiles qui ont atteint une température suffisamment élevée pour s’enflammer, créant ainsi les premières étoiles. Des étoiles, des galaxies et des planètes se sont formées. Cependant, le Soleil ne s’est pas formé qu’après que des générations d'étoiles aient existé et disparu, 8 à 9 milliards d’années après le Big Bang.

Un seul grain de poussière depuis le début du système solaire Source: NASA

La poussière et le gaz ont lentement fusionné ensemble sous l'effet de la gravitation, les gros morceaux ayant attiré les petits. Durant leur croissance, leur poids les a rendus sphériques et ils sont devenus planétaires.

Nous avons la chance que notre système solaire se soit formé assez tard. Notre planète est faite de roche qui n'existait pas dans le passé de l'Univers. Ces éléments lourds ont dû être fabriqués par d'autres étoiles, puis chassés dans l'espace quand ces étoiles sont mortes. Cette matière s’est rassemblée autour du Soleil et a formé non seulement pour la terre, mais aussi Mercure, Vénus ainsi que Mars.

Le système solaire composé du Soleil et des planètes a été formé à partir d'un nuage de gaz et de poussières semblable à quelque chose de cet ordre. Source: NASA

Même si l'on peut mesurer la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent les unes des autres, il n'est pas facile de prédire ce qui se passera dans l'avenir de l'Univers. L'expansion de l'Univers est principalement alimentée par le Big Bang, mais la matière dans l'Univers peut gravitationnellement attirer tout vers le centre.

Il existe un certain nombre de possibilités et tout dépend de la densité de l'Univers :

  1. Si la densité de l'Univers est faible, alors l'attraction gravitationnelle de la matière dans l'univers ne sera pas en mesure de surmonter l'expansion dans le cas où l'Univers continuerait à s'étendre indéfiniment. Moins la densité est faible, plus vite l’Univers pourrait se développer. Ceci est connu sous le nom de modèle d’ Univers ouvert.
  2. Si la densité de l'Univers est élevée, alors l'Univers se dilatera pendant un certain temps, mais ralentira jusqu'à ce qu'il atteigne une taille maximale. Puis la gravité va tout attirer jusqu'à ce que l'univers s'effondre de nouveau avec la singularité dans laquelle il a commencé avec ce qui est appelé le Big Crunch. C'est ce qu'on appelle un Univers fermé, car il a une taille finie et peut conduire à un autre Big Bang produisant un nouvel univers.
  3. Si la densité est exactement sur la frontière entre les deux modèles, appelée densité critique, l'Univers continuera toujours à se développer, mais le taux d'expansion va ralentir.

La figure illustre les trois modèles de l'expansion de l'Univers. Les observations actuelles semblent soutenir le modèle d’univers ouvert.

La Terre est âgée d'environ 4,6 milliards années. Au début, se température était tellement élevée que tout était fondu. Après 500.000.000 années elle a suffisamment refroidi pour que les océans puissent se former et la planète est ainsi devenue habitable. Ensuite, les premières formes de vie primitives sont apparues dans les océans. Il a ensuite fallu un temps assez long (environ 4 000 millions d'années) pour que la vie se développe à partir des premières formes de vie primitives de plantes, puis les animaux, et enfin les êtres humains.

Les êtres humains vivent sur terre seulement depuis 4 millions d'années. Et cela fait moins de 100 ans que l'humanité a une compréhension de la façon dont l'Univers est structuré et comment il s’est créé dans le Big Bang.

Les conditions sur la Terre étaient idéales pour la vie. L’eau liquide s’est trouvée juste à la bonne température, on se situe suffisamment près du Soleil afin pour utiliser son énergie, l’oxygène que nous permet de respirer et une lune qui stabilise notre climat.

Cette illustration représente les phénomènes naturels qui ont créé la vie comme nous la connaissons sur Terre. Source : California Space Institute

De nombreux scientifiques pensent qu'il y existe une forme de vie en dehors de la Terre. Avec des milliards d'autres systèmes d’étoiles, il semble absurde de croire que la Terre serait la seule planète susceptible d'abriter la vie. Dans notre système solaire les endroits les plus probables où la vie primitive pourrait exister sont Mars et l'une des lunes de Jupiter. Sur Mars, il est prouvé que l'eau y existait dans le passé, et les scientifiques pensent que sur Europa, un gigantesque océan se trouve en dessous de la surface glacée.

En 2011, plus de 500 planètes hors du système solaire ont été découvertes et l’on en découvre plusieurs régulièrement. Certaines disposent de conditions propices pour abriter la vie. On pourrait y imaginer des civilisations beaucoup plus avancées que la nôtre. Cependant, certains pensent que si les extra terrestres existaient, nous nous en serions déjà aperçus. C'est ce qu'on appelle le paradoxe de Fermi, idée formulée la première fois par Enrico Fermi. Une des explications les plus plausibles est que la différence d’évolution entre les civilisations serait si importante qu’elle ne permettrait pas de contact entre elles. Même si 1000 civilisations avancées existaient au-delà, si nous nous trouvons à des 1000 années-lumière les unes des autres, il est peu probable de recevoir de la visite sur Terre.

Certains scientifiques estiment que l’Univers a eu une chance incroyable d’avoir évolué dans les conditions idoines afin que nous puissions survivre, si l’on imagine les possibilités infinies qui auraient pu se produire. A titre d’exemple, au moment du Big Bang, il y avait seulement un petit surplus (un milliardième) de la matière par rapport à l'antimatière dans l’Univers. Si les quantités avaient été exactement les mêmes, toute la matière et l'antimatière auraient été anéanties et transformées en rayonnement, générant ainsi un univers ennuyeux sans aucun élément, y compris nous-mêmes. Si le surplus de matière avait été ne serait ce qu’en très petite quantité supérieure ou inférieure à la valeur réelle, aucune vie n'aurait été possible. Si ce surplus avait été un peu plus grand, l'Univers se serait effondré en raison de l'attraction gravitationnelle. Il n'aurait tout simplement pas eu suffisamment de temps pour développer la vie. D'autre part, si l'excédent de la matière avait été légèrement inférieur, l'expansion aurait été si rapide qu’il n’y aurait pas de structures liées qui ont concouru à former l'univers si bien qu’il n’aurait comporté que des particules élémentaires.


Testez vos connaissances!
1. Une créature d'une autre galaxie est observée au loin de la Voie Lactée dans l'Univers. Que peut-on en conclure?
  1. Les galaxies se déplacent de telle sorte que les distances entre elles augmentent
  2. Certaines galaxies se rapprochent, d'autres s'éloignent les unes des autres
2. Lequel des énoncés suivants est correct?
  1. Les protons, les neutrons et les noyaux d'hélium ont été créés dans la première seconde après le Big Bang.
  2. Les noyaux d'hélium étaient les premières particules stables créées dans l'Univers.
  3. Les protons et les neutrons ne sont pas les premiers éléments de l'Univers.
3. Énumérer trois faits s'appuyant de la théorie du Big Bang
  1. En raison de la de noyaux légers,
  2. l' de l'Univers,
  3. fossile du cosmos
4. Quelle caractéristique de l'expansion de l'Univers conduit à l'hypothèse de l'existence de l'énergie sombre?

L'hypothèse de l'énergie sombre est nécessaire pour expliquer

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