Le problème de l'horizon

Le mystère du Big Bang

Le fond diffus cosmologique est remarquablement homogène, il a une température de 2,725 degrés kelvin au-dessus du zéro absolu.
Quelque soit la direction de l'univers, que les satellites observent, vers l'est, vers l'ouest, vers le sud ou vers le nord, la température est la même, elle est mesurée à 2,725 kelvin. Cela implique que la matière, toute la matière observable autour de nous, a été en contact, à un moment donné, pour échanger cette information. 2,725 kelvin est la température d'équilibre entre l'univers bouillonnant du Big Bang et l'univers observable froid d'aujourd'hui.
Il aura fallu 13,73 milliards d'années pour atteindre cette température d'équilibre.
Il y a 13,73 milliards d'années, une formidable explosion de lumière, le Big Bang, donne naissance à l'espace, au temps, à la matière, un chaos brulant d'une chaleur inimaginable, une bouillie informe va enfler, s'étendre dans toutes les directions et se refroidir tout doucement. Si l'on verse un verre d'eau bouillante dans un aquarium sphérique d'eau froide, il faudra un certain temps pour que la température des molécules d'eau, s'équilibre. Cela va dépendre des chocs entre les molécules d'eau froide et les molécules d'eau chaude. Les molécules d'eau chaude plus énergétiques vont transférer de l'énergie aux molécules d'eau froide, en perdant elle-même de l'énergie. La température est l'expression de cette agitation moléculaire.
Les molécules rapides, plus chaudes, transmettent de l'énergie aux molécules lentes, plus froides. Le temps nécessaire pour que la température des molécules d'eau, s'équilibre, s'appelle le temps d'équilibration. Dans l'exemple des molécules d'eau, on comprend bien, que pour atteindre cette température d'équilibre, toutes les molécules d'eau ont été à un moment donné en contact. Notre espace est aussi en équilibre thermique. Dans notre univers observable, le rayonnement cosmique a mis 13,73 milliards d'années pour atteindre sa température d'équilibration. Notre horizon est l'extrémité de l'aquarium, il est à 13,73 milliards d'années et nous l'observons depuis le centre de l'aquarium.

En d'autres termes, à l'horizon, toutes les molécules sont à égale distance de nous. C'est là qu'il y a un problème avec le Big Bang, car entre les molécules situées à l'extrémité nord et les molécules situées à l'extrémité sud, la distance est deux fois plus grande.
Or l'horizon, pour tous les objets du système, ne mesure que 13,73 milliards d'années. Les particules situées à l'extrémité nord et les particules situées à l'extrémité sud, ne peuvent se connaitre car elles sont en dehors de leur horizon respectif.
Rien ne pouvant voyager plus vite que la lumière, elles n'ont donc jamais été en contact et pourtant leur température est la même avec une précision surprenante, de un pour cent mille (données COBE, Cosmic Background Explorer).
Quel est donc ce mystère ?
Les scientifiques l'ont appelé « le problème de l'horizon ».
Faut-il revoir la théorie du Big Bang ?
Comment ces régions de l'univers, apparemment déconnectées du point de vue de la relativité, ont pu échanger de l'information.
L'explication pourrait être donnée par l'inflation cosmique qui est un modèle cosmologique où l'univers observable a connu une phase d'expansion très violente. Ce modèle cosmologique expliquerait, à la fois, le problème de l'horizon ainsi que le problème de la platitude. Cela se passe à l'ère de Planck, l'horloge cosmique frappe son premier coup à 10^-43 seconde.
L'univers est un vide bouillonnant d'énergie très dense incroyablement chaud, ensuite on le suppose, il enfle brusquement, c'est l'inflation cosmique.
L'univers est alors en expansion violente et à 10⁻³² seconde, les premiers éléments de matière et d'antimatière, émergent. Les particules élémentaires et leurs antiparticules, les quarks, les électrons, les neutrinos, les photons, qui seront les constituants de la soupe cosmique, sont à ce moment là, en contact.
La région initiale étant au départ homogène, alors on aura au final une région homogène dans l'univers observable tout entier.

Image : Des fluctuations de densité de 1/100 000ème de Kelvin sont imprégnées dans le rayonnement micro-ondes fossile à 2,73 K.
Elles témoignent qu'environ 380 000 ans après le Big Bang, il existait des zones hétérogènes dans l'univers, d'une taille comprise entre 100 et 1 000 Mpc.