Sciences · Astronomie et espace
Le Big Bang
Le Big Bang est le modèle scientifique selon lequel l’Univers était, il y a environ 13,8 milliards d’années, extrêmement chaud et dense, et n’a cessé depuis de s’étendre et de se refroidir.
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Le Big Bang n’est pas une explosion qui se serait produite en un point de l’espace : c’est l’expansion de l’espace lui-même, partout à la fois. Le modèle ne décrit pas l'« origine » de l’Univers au sens d’un commencement absolu, mais son évolution à partir d’un état primordial extrêmement chaud et dense. Il repose sur la relativité générale d’Einstein et sur des observations concordantes, ce qui en fait le modèle cosmologique de référence.
Aux origines du modèle
| Date | Étape |
|---|---|
| 1915 | Albert Einstein publie la relativité générale, qui décrit la gravité comme une courbure de l’espace-temps. |
| 1922 | Alexandre Friedmann montre que les équations d’Einstein admettent des univers en expansion. |
| 1927 | Georges Lemaître, prêtre et physicien belge, propose un Univers en expansion et relie la vitesse d’éloignement des galaxies à leur distance. |
| 1929 | Edwin Hubble publie les mesures qui établissent cette relation : plus une galaxie est lointaine, plus elle s’éloigne vite. |
| 1931 | Lemaître propose l’hypothèse de l'« atome primitif », ancêtre du Big Bang. |
| 1948 | George Gamow, Ralph Alpher et Robert Herman prédisent un rayonnement fossile et la formation des éléments légers. |
| 1964-1965 | Arno Penzias et Robert Wilson découvrent par hasard le rayonnement fossile (prix Nobel 1978). |
| 1998 | Découverte de l’accélération de l’expansion (prix Nobel 2011 à Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess). |
| 2013-2018 | Le satellite Planck de l’ESA cartographie le rayonnement fossile avec une précision inégalée. |
Depuis 2018, l’Union astronomique internationale recommande de parler de loi de Hubble-Lemaître, pour reconnaître la priorité de Lemaître.
Les trois grandes preuves du Big Bang
1. L’expansion de l’Univers
La lumière des galaxies lointaines est décalée vers le rouge, d’autant plus qu’elles sont éloignées : l’espace qui nous en sépare s’étire. En remontant le temps, toute la matière se retrouve concentrée dans un état de plus en plus dense et chaud.
2. Le rayonnement fossile (fond diffus cosmologique)
Environ 380 000 ans après le Big Bang, l’Univers s’est assez refroidi (vers 3 000 °C) pour que les électrons s’associent aux noyaux et forment des atomes : la lumière a pu circuler librement. Ce premier rayonnement, étiré depuis par l’expansion, nous parvient aujourd’hui de toutes les directions sous forme de micro-ondes, à une température de 2,725 K (−270,4 °C). Une petite partie de la « neige » des anciens téléviseurs analogiques en provenait. Ses infimes variations de température (de l’ordre de 1 sur 100 000) sont les germes des futures galaxies.
3. L’abondance des éléments légers
Le modèle prédit que, pendant les premières minutes, la fusion nucléaire a produit environ 75 % d’hydrogène et 25 % d’hélium (en masse), avec des traces de deutérium et de lithium. C’est précisément ce que l’on observe dans les étoiles et les nuages de gaz les plus anciens. Les éléments plus lourds ont été fabriqués bien plus tard dans les étoiles (voir cycle de vie des étoiles).
La chronologie de l’Univers
| Moment après le Big Bang | Événement |
|---|---|
| Avant 10⁻⁴³ s (temps de Planck) | Les lois physiques connues ne s’appliquent plus ; domaine inconnu |
| Vers 10⁻³⁶ à 10⁻³² s | Inflation (hypothèse largement admise) : expansion extrêmement rapide |
| 10⁻⁶ s | Formation des protons et des neutrons |
| De quelques secondes à environ 20 minutes | Nucléosynthèse primordiale : formation des noyaux d’hélium et d’éléments légers |
| 380 000 ans | Formation des atomes, libération du rayonnement fossile |
| Jusqu’à quelques centaines de millions d’années | « Âges sombres » : pas encore d’étoiles |
| Quelques centaines de millions d’années | Premières étoiles et premières galaxies |
| 9,2 milliards d’années (il y a 4,6 milliards d’années) | Formation du système solaire |
| 13,8 milliards d’années | Aujourd’hui |
De quoi est fait l’Univers ?
Selon les mesures du satellite Planck, la matière ordinaire, celle des étoiles, des planètes et des êtres vivants, ne représente qu’environ 5 % du contenu de l’Univers.
| Composant | Part | Nature |
|---|---|---|
| Matière ordinaire | environ 5 % | Atomes |
| Matière noire | environ 27 % | Invisible, détectée par ses effets gravitationnels ; nature inconnue |
| Énergie noire | environ 68 % | Responsable de l’accélération de l’expansion ; nature inconnue |
La matière noire et l’énergie noire comptent parmi les grandes énigmes de la physique actuelle. Il existe aussi un désaccord, appelé « tension de Hubble », entre deux méthodes de mesure du taux d’expansion actuel, que les cosmologistes cherchent à expliquer.
L’Univers observable
L’Univers a 13,8 milliards d’années, mais l'Univers observable a un rayon d’environ 46 milliards d’années-lumière : pendant que la lumière des objets les plus lointains voyageait vers nous, l’espace a continué de s’étendre. Au-delà, l’Univers se prolonge très probablement, mais sa lumière ne nous est pas encore parvenue. On ignore s’il est fini ou infini.
L’expansion ne fait pas grossir les objets liés par la gravité : la Terre, le système solaire ou la Voie lactée ne s’agrandissent pas. Elle n’éloigne que les galaxies et amas de galaxies lointains les uns des autres.
Ce que le Big Bang n’explique pas
Le modèle décrit l’évolution de l’Univers à partir d’une fraction de seconde après le début, avec une grande précision. Il ne dit rien de ce qui a pu exister « avant », ni même si la question a un sens : le temps lui-même pourrait avoir commencé avec l’Univers. Décrire les tout premiers instants exigerait une théorie unifiant relativité générale et mécanique quantique, qui n’existe pas encore. C’est un exemple de la façon dont la méthode scientifique distingue ce qui est établi de ce qui reste hypothétique.
Questions fréquentes
Quel âge a l’Univers ?
Environ 13,8 milliards d’années (13,787 milliards selon l’analyse des données de Planck publiée en 2018), avec une incertitude d’environ 20 millions d’années.
Qu’y avait-il avant le Big Bang ?
La science ne le sait pas. Le modèle cesse d’être valable dans les tout premiers instants. Plusieurs hypothèses théoriques existent (univers cyclique, multivers, rebond), mais aucune n’est confirmée par l’observation.
Où a eu lieu le Big Bang ?
Partout. Le Big Bang n’est pas une explosion à partir d’un centre : c’est l’espace entier qui était dense et chaud. Il n’y a ni centre ni bord de l’expansion, et tout point de l’Univers voit les galaxies lointaines s’éloigner de lui.
L’Univers va-t-il s’arrêter de grandir ?
Les observations actuelles indiquent que l’expansion s’accélère sous l’effet de l’énergie noire et qu’elle devrait se poursuivre indéfiniment, menant à un Univers de plus en plus froid et dilué. Comme on ignore la nature de l’énergie noire, ce scénario reste à confirmer.