Big Bang: Le début de Tout

Expansion de l'univers, big bang — Représentation oblongue de l'évolution de l'univers sur 13,77 milliards d'années (expansion en 3D sur un plan plat). L’extrême gauche représente le premier instant de l'Univers avant sa croissance exponentielle dans toutes les directions. Sa taille est représentée par l'étendue verticale de la grille dans ce graphique. Cette représentation en 3D sur un plan plat montrent l'expansion de l'Univers observable, ce qui n'est pas parfait. En réalité, il est plus comme une sphère, avec nous au centre. Crédit image: Wikimedia Commons (nouvelle fenêtre) (Domaine public).

Résumé scientifique

Cet article présente le modèle cosmologique du Big Bang, né des travaux de Lemaître et Friedmann dans les années 1920. L'Univers est né il y a 13,77 milliards d'années d'un état extrêmement dense et chaud. L'inflation (~10⁻³² s) a précédé la formation des quarks, puis des protons et neutrons (~10⁻⁶ s). À 3 minutes, 98 % de la masse était constituée (noyaux d'hydrogène et d'hélium). À 380 000 ans, la recombinaison a formé les premiers atomes stables, rendant l'Univers transparent. Le rayonnement fossile (CMB, ~2,725 K), détecté en 1965 par Penzias et Wilson, est le vestige de cette époque. Ses anisotropies, mesurées par COBE, WMAP et Planck, révèlent les fluctuations de densité à l'origine des galaxies.

Qu'est-ce que le Big Bang et comment l'Univers a-t-il évolué depuis son origine ?

Le Big Bang est le modèle cosmologique décrivant l'origine de l'Univers il y a 13,77 milliards d'années, à partir d'un état extrêmement dense et chaud. L'espace, le temps et la matière sont nés à cet instant, dans une « explosion originelle » dont le nom fut donné ironiquement par Fred Hoyle dans les années 1950. Les premières fractions de seconde ont vu l'inflation (~10⁻³² s) et l'apparition des particules élémentaires. À 10⁻⁶ s, la force nucléaire forte a assemblé les quarks en protons et neutrons. À 3 minutes, les noyaux d'hydrogène et d'hélium se sont formés, constituant 98 % de la masse de l'Univers. Pendant 380 000 ans, l'Univers est resté un plasma opaque. Puis la recombinaison a permis la formation des premiers atomes stables, rendant l'Univers transparent. Le rayonnement fossile (CMB, ~2,725 K), détecté en 1965 par Penzias et Wilson, est le vestige de cette époque. Ses fluctuations de température (~10⁻⁵) sont les germes des galaxies. L'Univers continue de s'expanser, et son horizon cosmique recule, nous cachant une partie de l'infini.

À découvrir aussi

Poursuivez votre exploration de l'Univers avec ces sujets :

Naissance de l'univers!

L'explosion originelle

Il y a 13,77 milliards d’années une formidable explosion appelée le Big Bang, donne naissance à l’espace, au temps et à la matière. Dans ce chaos d’une chaleur inimaginable, une bulle va enfler, s’étendre dans toutes les directions et se refroidir tout doucement.

L'origine du terme "Big Bang"

Le terme de "Big Bang" a été inventé dans les années 1950 par l'astrophysicien anglais Fred Hoyle (1915-2001) pour désigner avec ironie le concept "d'explosion originelle". Ce modèle cosmologique a été développé dans les années 1920 par l'astrophysicien belge Georges Lemaître (1894-1966) et le physicien russe Alexander Friedmann (1888-1925).

Un commencement incertain

L'histoire du Big Bang ne préjuge pas de l’existence d’un "instant initial" ou d’un commencement.

Le rayonnement fossile

Cependant, aujourd’hui encore, on capte dans le ciel une trace de cette origine que l'on nomme "rayonnement fossile". Ce rayonnement est un rayonnement de micro-ondes à basse température, de l'ordre de 3 K. Ce rayonnement nous parvient depuis toutes les directions du cosmos. On l'appelle ainsi parce qu'il forme un arrière-plan à toutes les sources radio ponctuelles qui ont été détectées par les radiotélescopes.

La découverte du rayonnement fossile

Le Big Bang fut détecté en 1965 par Arno Allan Penzias (1933-2024) et Robert Woodrow Wilson (1936-). Ils seront récompensés par le Prix Nobel de physique en 1978.

Naissance du temps!

Le néant originel

Au commencement il n'y a rien, pas de matière, pas de vide, le temps et l'espace n'existent pas. D'un point plus petit qu'un atome, une énergie infinie va engendrer l'univers.

Le début du temps

Tout commence une infime fraction de seconde après l’explosion originelle, le Big Bang. Le temps commence à se dérouler, le cosmos tout entier va se dessiner d'un seul coup. C'est le plus grand mystère de tous les temps.

Le temps de Planck et l'inflation

Avant cette période, on ne sait rien, il n’y a pas de temps zéro, le temps n'existe pas, nous n'avons aucune donnée pour dire qu'il y a quelque chose. Pour les scientifiques, l’horloge cosmique frappe son premier coup à 10^-43 seconde (temps de Planck). L’univers est un vide bouillonnant d’énergie très dense incroyablement chaud, ensuite on le suppose, il enfle brusquement, c’est l’inflation. A 10^-32 seconde, des premiers éléments de matière accompagnés d’antimatière émergent (particules élémentaires et antiparticules).

La formation des protons et des neutrons

Ensuite, la force nucléaire forte, au temps 10^-6 seconde, c'est-à-dire 1 millionième de seconde, va assembler les quarks, 3 par 3 pour donner les protons et les neutrons et former les noyaux (hydrogène, hélium).

Naissance de la masse!

Les trois premières minutes

A 3 minutes, 98 % de la masse de l’univers est constituée. Rien de nouveau jusqu'à 380 000 ans, la fin de l’ère radiative.

L'ère matérielle

Commence alors l'ère matérielle et apparait la deuxième force, la force électromagnétique. Elle construit les atomes d’hydrogène et d’hélium en combinant les électrons aux noyaux. L'Univers toujours en expansion et en refroidissement voit la force gravitationnelle regrouper les atomes en structures plus complexes. C’est la naissance des galaxies et des étoiles.

Naissance de la matière!

Le rayonnement devient matière

Selon le modèle théorique du Bigbang, le rayonnement fossile de micro-ondes est un résidu de l'énergie régnant au moment de la formation des premiers atomes stables de l'Univers. Le rayonnement devient matière. Cela se passe environ 380 000 ans après l'explosion primordiale.

Les fluctuations de densité

Des données du satellite COBE (Cosmic Background Explorer) ont montré que ce rayonnement n'est pas aussi uniforme que le croyaient les scientifiques. Des zones d'intensité variable apparaissent arbitrairement. Ces fluctuations de densité de l'Univers primordial seraient à l'origine de la formation des galaxies.

Tranches d'espace-temps de l'Univers observable

inflation bigbang — Représentation de l'Univers observable sous forme de tranches d'espace en 2 dimensions, empilées selon l'axe du temps. Cette représentation est fausse, car l'Univers possède 3 dimensions spatiales : chaque tranche circulaire devrait en réalité être une sphère. De plus, le Big Bang n'a pas eu lieu en un point précis de l'espace : c'est l'espace lui-même qui est né et qui s'étend depuis, dans toutes les directions et en tout point. Crédit image: Par Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0 (nouvelle fenêtre), Lien.

La représentation de l'Univers observable

Un empilement de tranches dans le temps

L'Univers observable est représenté ici par un empilement de tranches en 2 dimensions chacune représentant l'image de l'Univers dans le passé (comme les images d'un film). Le dernier cercle situé au sommet, le plus grand, représente l'univers d'aujourd'hui. Les diamètres des cercles représentent la taille de l'Univers qui diminue au fur et à mesure que l'on remonte dans le passé.

Une représentation imparfaite

Mais en réalité l'Univers s'étend dans toutes les directions. Il faut donc remplacer chaque tranche c'est-à-dire chaque cercle par une sphère. Nous aurions ainsi, non pas un empliement de cercles en 2 dimensions mais un empilement de sphères en 3 dimansions, ce qui est impossible à imaginer pour notre cerveau.

Notre position dans l'Univers

Dans cette représentation imparfaite, nous sommes comme toutes les galaxies de l'univers sur le dernier cercle. A cause de l'expansion de l'Univers, tout semble s'éloigner de nous, quelle que soit la direction dans laquelle on regarde. C'est comme se tenir sur la surface d'un ballon et le regarder se gonfler.

L'horizon cosmique

Nous ne pouvons pas voir au-delà du cercle qui est notre horizon, car la lumière a une vitesse finie. La lumière des objets au-delà de cet "horizon cosmique" n'a pas eu assez de temps pour nous atteindre depuis le Big Bang.

Un horizon qui reste fixe

Le "ballon" gonfle mais l'horizon ne s'éloigne pas, ainsi les galaxies proches de l'horizon finissent par disparaitre.

Au-delà de l'univers observable

Au-delà de l'univers observable, il y a probablement une infinité de galaxies, que nous ne pouvons pas voir. Il est même possible qu'il y ait une infinité d'univers!

Références

FAQ : Tout savoir sur le Big Bang

Qu'est-ce que le Big Bang exactement ?

Le Big Bang est le modèle cosmologique qui décrit l'origine de l'Univers. Il y a 13,77 milliards d'années, l'Univers est né d'un état extrêmement dense et chaud, une « singularité » où l'espace, le temps et la matière ont commencé à exister. Le terme, inventé par Fred Hoyle dans les années 1950, désigne ironiquement cette « explosion originelle ». Le modèle a été développé par Georges Lemaître et Alexander Friedmann dans les années 1920. Le Big Bang n'est pas une explosion dans l'espace, mais une expansion de l'espace lui-même.

Que s'est-il passé dans les premières fractions de seconde après le Big Bang ?

Les premiers instants sont marqués par des étapes clés :
• 0 à 10⁻⁴³ s (temps de Planck) : les lois de la physique actuelles ne s'appliquent pas. L'Univers est un « vide bouillonnant » d'énergie incroyablement dense.
• ~10⁻³² s : période d'inflation cosmique, l'Univers gonfle de manière exponentielle. Les premières particules élémentaires et antiparticules apparaissent.
• ~10⁻⁶ s : la force nucléaire forte assemble les quarks en protons et neutrons.
• ~3 minutes : la nucléosynthèse primordiale forme les noyaux d'hydrogène (75 %) et d'hélium (25 %), constituant 98 % de la masse de l'Univers.

Qu'est-ce que le rayonnement fossile et pourquoi est-il si important ?

Le rayonnement fossile (ou CMB, Cosmic Microwave Background) est le vestige du Big Bang. Il a été émis environ 380 000 ans après l'explosion originelle, lorsque l'Univers s'est suffisamment refroidi pour permettre la recombinaison des électrons et des protons en atomes d'hydrogène, rendant l'Univers transparent. Ce rayonnement, qui baigne tout l'espace, a une température actuelle de ~2,725 K et se situe dans le domaine des micro-ondes. Détecté en 1965 par Penzias et Wilson (prix Nobel 1978), il est la preuve directe du Big Bang. Ses anisotropies (fluctuations de température de l'ordre de 10⁻⁵) sont les germes des galaxies.

Qu'est-ce que l'inflation cosmique et pourquoi est-elle nécessaire ?

L'inflation cosmique est une période d'expansion exponentielle de l'Univers, survenue environ 10⁻³² s après le Big Bang. Elle explique plusieurs observations :
• Pourquoi l'Univers est-il si uniforme à grande échelle (problème de l'horizon) ?
• Pourquoi l'Univers est-il spatialement plat (problème de la platitude) ?
• D'où viennent les fluctuations de densité à l'origine des galaxies ?
L'inflation a été proposée par Alan Guth dans les années 1980 et est confirmée par les observations du rayonnement fossile.

Comment l'Univers a-t-il évolué entre 380 000 ans et aujourd'hui ?

Après la recombinaison (380 000 ans), l'Univers est entré dans l'ère matérielle :
• La gravité a commencé à regrouper les atomes d'hydrogène et d'hélium en structures plus denses.
• Ces régions plus denses ont attiré davantage de matière, formant les premières étoiles (plusieurs centaines de millions d'années après le Big Bang).
• Les étoiles se sont regroupées en galaxies, puis en amas de galaxies.
• L'énergie noire, découverte dans les années 1990, a accéléré l'expansion de l'Univers.
Aujourd'hui, l'Univers continue de s'étendre et de se refroidir, et son horizon cosmique recule.

Peut-on voir au-delà de l'Univers observable ?

Non, nous ne pouvons pas voir au-delà de l'Univers observable, qui est délimité par un « horizon cosmique ». Au-delà de cet horizon, la lumière des objets n'a pas eu assez de temps pour nous atteindre depuis le Big Bang (la lumière a une vitesse finie). L'Univers observable est une bulle sphérique centrée sur nous, d'un rayon d'environ 46,5 milliards d'années-lumière (en raison de l'expansion). Au-delà, il y a probablement d'autres galaxies, voire une infinité d'univers (multivers), mais ces régions nous sont à jamais inaccessibles.

Qui a découvert le rayonnement fossile et comment ?

Le rayonnement fossile a été découvert accidentellement en 1965 par les physiciens américains Arno Penzias et Robert Wilson. Ils travaillaient sur une antenne radio à cornet (Holmdel, New Jersey) et détectaient un « bruit » parasite persistant, provenant de toutes les directions, qu'ils ne parvenaient pas à éliminer. Après avoir écarté toutes les causes possibles (fientes de pigeons, interférences), ils ont réalisé qu'ils avaient détecté le rayonnement fossile prédit par le modèle du Big Bang. Cette découverte leur a valu le prix Nobel de physique en 1978.