BIG BANG

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Le terme big bang fut proposé pour la première fois en 1948, par l'astrophysicien britannique Fred Hoyle (1915-2001). L'idée remonte cependant aux années 1930 : on la doit au physicien belge Georges Lemaître (1894-1966), sous l'appellation originelle d'« atome primitif ».

L'expansion de l'Univers vient alors tout juste d'être découverte et admise par la communauté scientifique. Si la matière se conserve, comme tout semble l'indiquer, l'expansion cosmique a pour conséquence que la même quantité de matière se trouve dans un volume de plus en plus étendu : en d'autres termes, elle se dilue. Et, selon les lois de la physique, une dilution entraîne tout naturellement un refroidissement. Tels sont les fondements de la théorie du big bang : en présence de l'expansion cosmique, les lois connues de la physique impliquent une dilution et un refroidissement. Il en résulte tout aussi logiquement que l'Univers était globalement plus dense et plus chaud dans le passé. Pour quantifier ce « plus dense » et ce « plus chaud », la relativité générale constitue l'outil parfait. Appliquées à l'Univers dans sa globalité, ses équations fondamentales – les équations d'Einstein – se simplifient pour devenir les équations de Friedmann-Lemaître. La simplification résulte de l'hypothèse d'un Univers régulier, homogène et isotrope (selon le principe cosmologique) : dans un premier temps au moins, la cosmologie s'intéresse en effet à déterminer les caractéristiques globales de l'Univers, et non pas les irrégularités que représentent, par exemple, les galaxies distribuées ça et là (un peu comme la géophysique, qui énonce la rotondité globale de la Terre, avant de s'intéresser à ses montagnes et à ses vallées).

Big bang

Dessin : Big bang

Histoire de l'Univers dans le cadre du modèle du big bang. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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L'Univers n'a donc pas toujours été tel qu'il se présente aujourd'hui à notre regard. Les conditions physiques, en particulier sa densité et sa température (moyennes), y ont varié au cours de l'évolution cosmique. L'Univers a une histoire ! L'établir constitue une des premières tâches des cosmologistes. Les diverses variantes de ce « récit » constituent les différents membres de la famille des modèles de big bang.

La cosmologie relativiste

Dès les premières décennies du xxe siècle, la cosmologie se place d'emblée sous le signe de la relativité générale. Tous les cosmologistes sont déjà d'accord (ce qui est toujours le cas aujourd'hui) pour déclarer qu'un modèle cosmologique, qui représente notre Univers, doit être construit dans le cadre de cette théorie fondamentale et révolutionnaire, énoncée par Albert Einstein en 1915. Ce fut d'ailleurs Einstein lui-même qui fonda cette « cosmologie » relativiste, en proposant dès 1917 le premier modèle relativiste. Ce « modèle d'Einstein » sera cependant abandonné à la suite de la découverte de l'expansion cosmique, car il décrivait un Univers statique. En 1927, Lemaître trouve les solutions de la relativité générale qui permettent précisément de décrire un Univers en expansion (solutions également trouvées, d'un point de vue mathématique, par le mathématicien soviétique Alexandre Friedmann [1888-1925] en 1922) : elles serviront de cadre à toute la cosmologie du xxe siècle.

Les années 1930 voient la mise en place de la seconde révolution scientifique qui, avec celle de la relativité, a secoué le xxe siècle, celle de la physique quantique. Lemaître est le premier à comprendre que les conditions physiques de l'Univers passé (forte densité et température extrêmement élevée) impliquent un rôle important pour la physique quantique. Il énonce que, plus on remonte dans le passé, plus les processus en jeu devaient différer de ceux de notre physique ordinaire, jusqu'à un passé très lointain – primitif – où la physique quantique devait jouer un rôle essentiel. Il faudra attendre plusieurs décennies pour que ces phénomènes soient (partiellement) identifiés et étudiés, mais l'idée est déjà là.

Au départ, les idées de Lemaître ne suscitent guère qu'indifférence, sinon critique. Les physiciens s'intéressent davantage au développement de la toute jeune physique quantique. Le développement de la physique nucléaire ravivera l'intérêt pour la cosmologie primordiale. Dans les années 1930, le physicien d'origine russe George Gamow (1904-1968), qui séjourne alors à Göttingen, en Allemagne, est intrigué par l'uniformité de la distribution des éléments chimiques, sur Terre, et dans l'Univers. Il émet d'abord l'idée que tous ces éléments ont pu être fabriqués par des réactions nucléaires au cœur des étoiles. Mais, dans les années 1940, il reprend l'idée de Lemaître, et énonce que les éléments chimiques ont été élaborés dans l'Univers primitif, à une époque très reculée. Forte densité et forte température auraient permis le déroulement des réactions nucléaires. Gamow baptise « ylem » l'espèce de « soupe primordiale » que constituait alors le contenu de l'Univers. En 1948, paraît ainsi le célèbre article αβγ – en référence à ses signataires Ralph Alpher, Hans Bethe et Gamow –, qui pose les bases de la nucléosynthèse primordiale, qui jouera un rôle fondamental dans les modèles de big bang. La suite révélera que seule une faible part des éléments chimiques ont été ainsi fabriqués au cours du big bang, mais cette nucléosynthèse aura un impact extraordinaire.

Dans ce cadre, Alpher et Robert Hermann, deux collaborateurs de Gamow, et lui-même prédisent que cette « soupe chaude et dense » a dû engendrer un rayonnement électromagnétique remplissant tout l'Univers. La « soupe » refroidissant au fur et à mesure de l'expansion, ce rayonnement a dû subsister, sous forme diffuse, à une température de quelques kelvins.

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Pour citer l’article

Marc LACHIÈZE-REY, « BIG BANG », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 29 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/big-bang/