Le Big Bang est un modèle cosmologique développé pour décrire l'origine et l'évolution de l'UniversThe Gale Encyclopedia of Science, Gale Group, 2000. Il en existe plusieurs variantes, dites théories de Big Bang, qui ont en commun de décrire l'Univers comme issu d'une dilatation rapide.
Par extension, on appelle parfois « Big Bang » l'état dense et chaud qu'a connu l'Univers il y a d’années, sans que cela préjuge de l'existence d'un « instant initial » ou d'un commencement à son histoire. La comparaison avec une explosion, souvent employée, est impropre.
Le concept du Big Bang a été proposé en 1927 par l'astrophysicien et chanoine catholique belge Georges Lemaître, qui décrivait dans les grandes lignes l’expansion de l'Univers, avant que celle-ci ne soit mise en évidence par l'astronome américain Edwin Hubble en 1929. Le concept général du Big Bang, à savoir que l'Univers est en expansion et a été plus dense et plus chaud par le passé, remonte en fait au Russe Alexandre Friedmann, qui l'a proposé en 1922, cinq ans avant Lemaître. Son assise n'est cependant établie qu’en 1965 par la découverte du fond diffus cosmologique, l', selon les termes de Georges Lemaître, qui atteste de façon définitive la réalité de l'époque dense et chaude de l'Univers primordial. Albert Einstein, en mettant au point la relativité générale, pourrait déduire l'expansion de l'Univers, mais il préfère modifier ses équations en y ajoutant sa constante cosmologique, car il est persuadé que l'Univers doit être statique.
Terminologie Le terme anglais signifie « Grand Boum », mais en français comme dans d'autres langues on n'utilise que la version anglaise de l'expression, tant dans la presse grand public que dans la vulgarisation et la littérature scientifique. Il a été concocté par des détracteurs et se voulait ironique. Il a été employé pour la première fois le dans une émission de la BBC, The Nature of Things. (dont le texte fut publié en 1950), par le physicien britannique Fred Hoyle., qui lui-même préférait les modèles d'état stationnaire..
Le terme de « Big Bang chaud » (« ») était parfois utilisé initialement pour indiquer que, selon ce modèle, l’Univers était plus chaud quand il était plus dense. Le qualificatif de « chaud » était ajouté par souci de précision, car le fait que l’on puisse associer une notion de température à l’Univers dans son ensemble n’était pas encore bien compris au moment où le modèle a été proposé, au milieu du .
vignette|redresse=1.5|Le Big Bang pourrait marquer le début de l'Univers, issu possiblement d'une singularité.
Histoire
vignette|redresse=1.4|Selon le modèle du Big Bang, l’Univers actuel a émergé d’un état extrêmement dense et chaud il y a un peu plus de d’années. La découverte de la relativité générale par Albert Einstein en 1915 marque le début de la cosmologie moderne, où il devient possible de décrire l’Univers dans son ensemble comme un système physique, son évolution à grande échelle étant décrite par la relativité générale.
Einstein est d’ailleurs le premier à utiliser sa théorie fraîchement découverte, tout en y ajoutant un terme supplémentaire, la constante cosmologique, pour proposer une solution issue de la relativité générale décrivant l’espace dans son ensemble, appelée univers d’Einstein. Ce modèle introduit le principe cosmologique, qui stipule que l’Homme n’occupe pas de position privilégiée dans l’Univers, ce qu’Einstein traduit par le fait que l’Univers soit homogène et isotrope, c’est-à-dire semblable à lui-même quels que soient le lieu et la direction dans laquelle on regarde. Cette hypothèse est relativement hardie, car, à l’époque, aucune observation concluante ne permet d’affirmer l’existence d’objets extérieurs à la Voie lactée, bien que le débat sur cette question existe dès cette époque (par la suite appelé le Grand Débat).
Au principe cosmologique, Einstein ajoute implicitement une autre hypothèse qui paraît aujourd’hui nettement moins justifiée, celle que l’Univers est statique, c’est-à-dire n’évolue pas avec le temps. Cet ensemble le conduit à modifier sa formulation initiale en ajoutant à ses équations la constante cosmologique. L’avenir lui donne tort, car dans les années 1920, Edwin Hubble découvre la nature extragalactique de certaines « nébuleuses » (aujourd’hui appelées galaxies), puis leur éloignement de la Voie lactée avec une vitesse proportionnelle à leur distanceCette loi n'est que statistique. La galaxie d'Andromède, par exemple, se rapproche de la nôtre sous l'effet de la gravité, et les deux se croiseront dans quatre milliards d'années. : c’est la loi de Hubble, proposée en 1929.. Dès lors, plus rien ne justifie l’hypothèse d’un Univers statique proposée par Einstein.
Avant même la découverte de Hubble, plusieurs physiciens, dont Willem de Sitter, Alexandre Friedmann en 1922. et Georges Lemaître en 1927., découvrent d’autres solutions de la relativité générale décrivant un Univers en expansion. Leurs modèles sont alors acceptés dès la découverte de l’expansion de l’Univers. Ils décrivent une expansion qui dure depuis plusieurs milliards d’années. Par le passé, l'Univers était donc plus dense et plus chaud.
Big Bang ou état stationnaire ? La découverte de l’expansion de l’Univers prouve que celui-ci n’est pas statique, mais laisse place à plusieurs interprétations possibles : soit il y a conservation de la matière (hypothèse a priori la plus réaliste), et donc dilution de celle-ci dans le mouvement d’expansion, et, dans ce cas, l’Univers était plus dense par le passé : c’est le Big Bang ; soit on peut imaginer, à l’inverse, que l’expansion s’accompagne d’une création (voire d’une disparition) de matière. Dans ce cadre-là, l’hypothèse la plus esthétique est d’imaginer un phénomène de création continue de matière contrebalançant exactement sa dilution par l’expansion. Un tel Univers serait alors stationnaire.
Dans un premier temps, c’est cette seconde hypothèse qui a été la plus populaire, bien que le phénomène de création de matière ne soit pas motivé par des considérations physiques. L’une des raisons de ce succès est que dans ce modèle, appelé théorie de l’état stationnaire, l’univers est éternel. Il ne peut donc y avoir de conflit entre l’âge de celui-ci et l'âge d’un objet céleste quelconque.
À l’inverse, dans l’hypothèse du Big Bang, l’Univers a un âge fini, que l’on déduit directement de son taux d’expansion (voir équations de Friedmann). Dans les années 1940, le taux d’expansion de l’Univers était très largement surestimé, ce qui conduisait à une importante sous-estimation de l’âge de l’Univers. Or diverses méthodes de datation de la Terre indiquaient que celle-ci était plus vieille que l’âge de l’Univers estimé par son taux d’expansion. Les modèles de type Big Bang étaient donc en difficulté vis-à-vis de telles observations. Ces difficultés ont disparu à la suite d'une réévaluation plus précise du taux d’expansion de l’Univers.
Preuves observationnelles
vignette|gauche|Vision d’artiste du satellite WMAP collectant les données afin d’aider les scientifiques à comprendre le Big Bang. Deux preuves observationnelles décisives ont donné raison aux modèles de Big Bang : il s’agit de la détection du fond diffus cosmologique, rayonnement de basse énergie (domaine micro-onde) vestige de l’époque chaude de l’histoire de l’univers, et la mesure de l’abondance des éléments légers, c’est-à-dire des abondances relatives de différents isotopes de l’hydrogène, de l’hélium et du lithium qui se sont formés pendant la phase chaude primordiale.
Ces deux observations remontent au début de la seconde moitié du , et ont assis le Big Bang comme le modèle décrivant l’Univers observable. Outre la cohérence quasi parfaite du modèle avec tout un autre ensemble d’observations cosmologiques effectuées depuis, d’autres preuves relativement directes sont venues s’ajouter : l’observation de l’évolution des populations galactiques, et la mesure du refroidissement du fond diffus cosmologique depuis plusieurs milliards d’années.
Fond diffus cosmologique vignette|redresse=1.4|Le fond diffus cosmologique, découvert en 1965 est le témoin le plus direct du Big Bang. Depuis, ses fluctuations ont été étudiées par les sondes spatiales COBE (1992), WMAP (2003) et Planck (2009).
L’expansion induit naturellement que l’Univers a été plus dense par le passé. À l’instar d’un gaz qui s’échauffe quand on le comprime, l’Univers devait aussi être plus chaud par le passé. Cette possibilité semble évoquée pour la première fois en 1934 par Georges Lemaître, mais n’est réellement étudiée qu’à partir des années 1940. Selon l’étude de George Gamow (entre autres), l’Univers doit être empli d'un rayonnement qui perd de l’énergie du fait de l’expansion, selon un processus semblable à celui du décalage vers le rouge du rayonnement des objets astrophysiques distants.
Gamow réalise en effet que les fortes densités de l’Univers primordial doivent avoir permis l’instauration d’un équilibre thermique entre les atomes, et par suite l’existence d'un rayonnement émis par ceux-ci. Ce rayonnement devait être d’autant plus intense que l'Univers était dense, et devait donc encore exister aujourd’hui, bien que considérablement moins intense. Gamow fut le premier (avec Ralph Alpher et Robert C. Herman) à réaliser que la température actuelle de ce rayonnement pouvait être calculée à partir de la connaissance de l’âge de l'Univers, la densité de matière, et l'abondance d’hélium.
Ce rayonnement est appelé aujourd’hui fond diffus cosmologique, ou parfois rayonnement fossile. Il correspond à un rayonnement de corps noir à basse température (2,7 kelvins), conformément aux prédictions de Gamow. Sa découverte, quelque peu fortuite, est due à Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson en 1965, qui seront récompensés par le prix Nobel de physique en 1978.
L’existence d’un rayonnement de corps noir est facile à expliquer dans le cadre du modèle du Big Bang : par le passé, l’Univers était très chaud et baignait dans un rayonnement intense. La densité de celui-ci fut telle que de très nombreuses interactions entre matière et rayonnement se produisirent, entraînant la thermalisation de ce dernier (son spectre électromagnétique est celui d’un corps noir). L’existence d’un tel rayonnement au sein de la théorie de l’Univers stationnaire est par contre presque impossible à justifier (bien que ses rares tenants affirment le contraire).
Bien que correspondant à un rayonnement à basse température et peu énergétique, le fond diffus cosmologique n’en demeure pas moins la plus grande forme d’énergie électromagnétique de l’Univers : près de 96 % de l’énergie existant sous forme de photons se situe dans ce rayonnement fossile, les 4 % restants résultant du rayonnement des étoiles (dans le domaine visible) et du gaz froid dans les galaxies (en infrarouge). Ces autres sources émettent des photons certes plus énergétiques, mais nettement moins nombreux.
Dans la théorie de l’Univers stationnaire, l’existence du fond diffus cosmologique est supposée résulter d’une thermalisation du rayonnement stellaire par d’hypothétiques aiguillettes de fer microscopiques ; un tel modèle s’avère être en contradiction avec les données observables, tant en termes d’abondance du fer qu’en termes d’efficacité du processus de thermalisation (il est impossible d’expliquer dans ce cadre que le fond diffus cosmologique soit un corps noir quasiment parfait) ou d’isotropie (on s’attendrait à ce que la thermalisation soit plus ou moins efficace selon la distance aux galaxies).
La découverte du fond diffus cosmologique fut historiquement la preuve décisive du Big Bang.
Nucléosynthèse primordiale