Les composants de l’Univers

La naissance de notre Univers

Les premières fractions de seconde :

Les premières fractions de seconde après le Big Bang ont été marquées par une série d’événements cosmiques d’une incroyable violence. L’univers, initialement infiniment chaud et dense au point zéro, a subi une période dite d’inflation cosmique, une expansion exponentielle qui a permis à l’espace-temps de devenir immense en une infime fraction de seconde (10^-32 seconde !). Pendant cette période, l’univers aurait connu une expansion d’un facteur d’au moins 10²⁶ . En d’autres termes, une région de l’univers qui aurait été de la taille d’un atome serait devenue de la taille d’une galaxie.

Cette violente dilatation a permis la brutale décroissance de la température et de la densité. Les particules élémentaires se sont alors formées :  quarks, leptons, bosons… (voir la page « Atomes et particules« ). Puis, au fur et à mesure du refroidissement, les quarks se sont combinés pour former des protons et des neutrons, les constituants des noyaux atomiques.

La création de la matière :

Un mystère persiste : pourquoi y a-t-il plus de matière que d’antimatière dans l’univers ? Lors du Big Bang, matière et antimatière ont été créées en quantités égales. Cependant, un processus encore mal compris a favorisé la survie de la matière, laissant l’antimatière s’annihiler. C’est cette asymétrie qui a permis à l’univers de se constituer tel que nous le connaissons.

Voir également la page « Matière et antimatière ».

Notons également le rôle primordial de la matière noire, dès les premières factions de seconde de l’univers, et jusqu’à la constitution des plus grandes structures du cosmos observables à ce jour.

Voir également la page « La matière noire ».

De l’infiniment petit à l’infiniment grand :

Au fil des millions d’années qui ont suivi le Big Bang, l’univers a continué à se refroidir et à s’étendre. Les premiers noyaux atomiques se sont formés, puis les premiers atomes, principalement de l’hydrogène et de l’hélium. Sous l’effet de la gravité, ces atomes se sont alors regroupés en nuages denses qui ont donné naissance aux premières étoiles. Les étoiles, à leur tour, ont fusionné des éléments plus lourds, enrichissant ainsi le milieu interstellaire. Les générations successives d’étoiles ont formé des galaxies, puis des amas et des superamas de galaxies, structurant ainsi l’univers à grande échelle.

La vidéo ci-dessus, réalisée par le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), illustre ces différentes phases.

La théorie du Big Bang

Les traces du Big Bang :

Plusieurs observations supportent aujourd’hui cette théorie très largement partagée par la communauté scientifique, notamment :

• Le rayonnement fossile cosmologique (CMB: Cosmic Microwave Background) : Le CMB est un rayonnement micro-onde qui baigne tout l’univers. Il est considéré comme la « lumière primordiale » émise par le Big Bang et constitue une preuve irréfutable de l’expansion de l’univers.

• L’expansion de l’univers : La loi de Hubble montre que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. C’est une preuve directe de l’expansion de l’univers.

Voir également les pages « La tension de Hubble » et « Le destin de l’univers« .

• L’abondance des éléments légers : La proportion d’hydrogène (75%) et d’hélium (24%) dans l’univers correspond aux prédictions du modèle du Big Bang.

Les limites de nos connaissances :

Malgré les avancées considérables de la cosmologie, de nombreuses questions restent sans réponse. Comment l’univers a-t-il pu passer d’un état infiniment dense et chaud à un état aussi ordonné ? Qu’y avait-il avant le Big Bang ? La nature exacte de l’énergie sombre et de la matière noire reste également un mystère.

Voir également les pages « La tension de Hubble », « Le destin de l’univers » et « La matière noire ».

Les théories alternatives :

Si le modèle du Big Bang est largement accepté par la communauté scientifique, d’autres théories tentent d’expliquer l’origine et l’évolution de l’univers. Parmi elles, on peut citer la théorie des univers multiples, la théorie des cordes ou encore la théorie de la gravitation quantique à boucles. Ces théories proposent des visions radicalement différentes de l’univers et font l’objet de recherches actives. Elles permettent notamment de « réconcilier », à l’instant zéro du Big Bang, la Mécanique Quantique et la Relativité Générale à priori incompatibles à cette échelle. Ces nouvelles théories permettent notamment de supprimer la sigularité mathématique de ce point zéro (taille nulle de l’univers, et densité et température infinies).

Aurélien Barrau, astrophysicien et philosophe, Directeur du Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble, travaille notamment sur l’une de ces théories alternatives, la théorie de la Gravitation Quantique à Boucles. Dans la vidéo ci-contre, Aurélien Barrau évoque un possible « avant Big Bang », notamment à travers cette théorie qui induit, non pas un Big Bang, mais un Big Bounce, c’est à dire un grand rebond d’un univers préexistant. Cet univers se serait  contracté jusqu’à une limite de taille/température/pression compatible avec la Mécanique Quantique à ce point zéro, puis, suite au rebond, se serait de nouveau dilaté conformément à ce qui est prévu par la Relativité Générale dans la théorie du Big Bang.

Réflexions sur l’origine de l’univers :

Dans la bande son ci-contre, découvrez quelques réflexions d’Etienne Klein sur « La question de l’origine de l’univers« .

Etienne Klein est un physicien et philosophe des sciences, Directeur du Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière. Il traite ici la notion de l’origine de l’univers sous le double aspect scientifique et philosophique. Il y aborde également les théories alternatives comme la théorie des Cordes ou des Supercordes, ou encore la théorie de la Gravité Quantique à Boucles.

Δ  Ψ  Pour aller plus loin…

• « L’Univers élégant » de Brian Greene : Cet ouvrage de vulgarisation scientifique explore de manière claire et accessible les théories les plus récentes sur l’origine et la structure de l’Univers, y compris le Big Bang.
• « A Brief History of Time » de Stephen Hawking : Un classique de la cosmologie qui aborde les questions fondamentales sur l’origine de l’Univers, le temps et l’espace.
• « L’invention du Big Bang » de Jean-Pierre Luminet : Une exploration historique et philosophique de la théorie du Big Bang.