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La théorie du big-bang est la théorie dominante de l’origine de l’univers. En substance, cette théorie affirme que l’univers a commencé à partir d’un point initial ou singularité, qui s’est étendu sur des milliards d’années pour former l’univers tel que nous le connaissons aujourd’hui.
Les premiers résultats de l’expansion de l’univers
En 1922, un cosmologue et mathématicien russe du nom d’Alexander Friedman a découvert que les solutions des équations du champ de la relativité générale d’Albert Einstein aboutissaient à un univers en expansion. Croyant en un univers statique et éternel, Einstein a ajouté une constante cosmologique à ses équations, « corrigeant » cette « erreur » et éliminant ainsi l’expansion. Il qualifiera plus tard cette erreur de la plus grande de sa vie.
En fait, il existait déjà des preuves d’observation à l’appui d’un univers en expansion. En 1912, l’astronome américain Vesto Slipher a observé une galaxie spirale – considérée à l’époque comme une « nébuleuse spirale », car les astronomes ne savaient pas encore qu’il existait des galaxies au-delà de la Voie lactée – et a enregistré son « redshift », le déplacement d’une source lumineuse vers l’extrémité rouge du spectre lumineux. Il a observé que toutes ces nébuleuses s’éloignaient de la Terre. Ces résultats ont été très controversés à l’époque, et leurs implications n’ont pas été prises en compte.
En 1924, l’astronome Edwin Hubble a pu mesurer la distance qui sépare ces « nébuleuses » et a découvert qu’elles étaient si éloignées qu’elles ne faisaient pas partie de la Voie lactée. Il avait découvert que la Voie lactée n’était qu’une des nombreuses galaxies et que ces « nébuleuses » étaient en fait des galaxies à part entière.
Naissance du Big Bang
En 1927, le prêtre catholique et physicien Georges Lemaitre a calculé indépendamment la solution de Friedman et a de nouveau suggéré que l’univers devait être en expansion. Cette théorie a été soutenue par Hubble lorsqu’en 1929, il a découvert qu’il y avait une corrélation entre la distance des galaxies et l’importance du redshift dans la lumière de cette galaxie. Les galaxies lointaines s’éloignaient plus rapidement, ce qui était exactement ce qui était prédit par les solutions de Lemaitre.
En 1931, Lemaitre est allé plus loin dans ses prédictions, en extrapolant à rebours dans le temps pour découvrir que la matière de l’univers atteindrait une densité et une température infinies à un moment fini dans le passé. Cela signifiait que l’univers devait commencer dans un point de matière incroyablement petit et dense, appelé « atome primitif ».
Le fait que Lemaitre était un prêtre catholique romain en inquiétait certains, car il avançait une théorie qui présentait un moment précis de « création » à l’univers. Dans les années 1920 et 1930, la plupart des physiciens – comme Einstein – étaient enclins à croire que l’univers avait toujours existé. En substance, la théorie du big-bang était considérée comme trop religieuse par beaucoup de gens.
Big Bang contre État stable
Bien que plusieurs théories aient été présentées pendant un certain temps, seule la théorie de l’état stationnaire de Fred Hoyle a réellement fait concurrence à la théorie de Lemaitre. Ironiquement, c’est Hoyle qui a inventé l’expression « Big Bang » lors d’une émission de radio dans les années 1950, la considérant comme un terme dérisoire pour la théorie de Lemaitre.
La théorie de l’état stable prédisait que la nouvelle matière était créée de telle sorte que la densité et la température de l’univers restaient constantes dans le temps, même lorsque l’univers était en expansion. Hoyle a également prédit que des éléments plus denses se formaient à partir d’hydrogène et d’hélium par le processus de nucléosynthèse stellaire, ce qui, contrairement à la théorie de l’état stable, s’est avéré exact.
George Gamow – un des élèves de Friedman – était le principal défenseur de la théorie du big-bang. Avec ses collègues Ralph Alpher et Robert Herman, il a prédit le rayonnement de fond cosmique (CMB), c’est-à-dire le rayonnement qui devrait exister dans tout l’univers comme un vestige du Big Bang. Lorsque les atomes ont commencé à se former pendant l’ère de la recombinaison, ils ont permis au rayonnement micro-ondes (une forme de lumière) de voyager à travers l’univers, et Gamow a prédit que ce rayonnement micro-ondes serait encore observable aujourd’hui.
Le débat se poursuit jusqu’en 1965, lorsque Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson tombent par hasard sur le CMB alors qu’ils travaillent pour les Laboratoires téléphoniques Bell. Leur radiomètre Dicke, utilisé pour la radioastronomie et les communications par satellite, a relevé une température de 3,5 K (ce qui correspond à la prédiction de 5 K d’Alpher et Herman).
À la fin des années 1960 et au début des années 1970, certains partisans de la physique en régime permanent ont tenté d’expliquer cette découverte tout en niant la théorie du big-bang, mais à la fin de la décennie, il était clair que le rayonnement du CMB n’avait pas d’autre explication plausible. Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique en 1978 pour cette découverte.
Inflation cosmique
Certaines inquiétudes subsistent cependant concernant la théorie du big-bang. L’une d’entre elles était le problème de l’homogénéité. Les scientifiques ont posé la question : Pourquoi l’univers semble-t-il identique, en termes d’énergie, quelle que soit la direction dans laquelle on regarde ? La théorie du big-bang ne donne pas le temps à l’univers primitif d’atteindre l’équilibre thermique, il devrait donc y avoir des différences d’énergie dans tout l’univers.
En 1980, le physicien américain Alan Guth a formellement proposé la théorie de l’inflation pour résoudre ce problème et d’autres. Selon cette théorie, dans les premiers moments qui ont suivi le Big Bang, l’univers naissant a connu une expansion extrêmement rapide sous l’effet de « l’énergie du vide à pression négative » (qui peut être liée d’une certaine manière aux théories actuelles de l’énergie sombre). Par ailleurs, des théories de l’inflation, similaires dans leur concept mais avec des détails légèrement différents, ont été avancées par d’autres dans les années qui ont suivi.
Le programme WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) de la NASA, qui a débuté en 2001, a fourni des preuves qui soutiennent fortement une période d’inflation dans l’univers primitif. Ces preuves sont particulièrement solides dans les données sur trois ans publiées en 2006, bien qu’il y ait encore quelques incohérences mineures avec la théorie. Le prix Nobel de physique 2006 a été décerné à John C. Mather et George Smoot, deux collaborateurs clés du projet WMAP.
Les controverses existantes
Si la théorie du Big Bang est acceptée par la grande majorité des physiciens, il reste quelques questions mineures à son sujet. Mais surtout, il y a les questions auxquelles la théorie ne peut même pas tenter de répondre :
- Qu’est-ce qui existait avant le Big Bang ?
- Quelle est la cause du Big Bang ?
- Notre univers est-il le seul ?
Les réponses à ces questions peuvent bien exister au-delà du domaine de la physique, mais elles sont néanmoins fascinantes, et des réponses telles que l’hypothèse des multivers fournissent un domaine de spéculation intriguant pour les scientifiques et les non-scientifiques.
Autres noms pour le Big Bang
Lorsque Lemaitre a proposé à l’origine son observation sur l’univers primitif, il a appelé cet état primitif de l’univers l’atome primitif. Des années plus tard, George Gamow lui a donné le nom de ylem. Il a également été appelé l’atome primordial ou même l’œuf cosmique.
