La théorie du Big Bang représente les meilleures tentatives des cosmologistes pour reconstruire l'histoire de 14 milliards d'années de l'univers sur la base du ruban de l'existence visible aujourd'hui.
Différentes personnes utilisent le terme "Big Bang" de différentes manières. Plus généralement, il illustre l'arc de l'univers observable alors qu'il s'amincissait et se refroidissait à partir d'un état chaud initialement dense. Cette description se résume à l'idée que le cosmos est en expansion, un principe large analogue à la survie du plus apte en biologie que peu considèrent comme discutable.
Plus précisément, le Big Bang peut également faire référence à la naissance de l'univers observable lui-même - au moment où quelque chose a changé, déclenchant les événements qui ont conduit à aujourd'hui. Les cosmologistes se disputent depuis des décennies sur les détails de cette fraction de seconde, et la discussion se poursuit aujourd'hui.
La théorie classique du Big Bang
Pendant la majeure partie de l'histoire humaine, les observateurs du ciel l'ont supposé éternel et immuable. Edwin Hubble a traité cette histoire d'un coup expérimental dans les années 1920 lorsque ses observations ont montré à la fois que les galaxies en dehors de la Voie lactée existaient et que leur lumière semblait étirée - un signe qu'elles s'éloignaient de la Terre.
George Lemaître, un physicien belge contemporain, a interprété les données de Hubble et d'autres comme la preuve d'un univers en expansion, une possibilité permise par les équations de terrain de la relativité générale récemment publiées par Einstein. En y repensant, Lemaître a déduit que les galaxies de séparation d'aujourd'hui devaient avoir commencé ensemble dans ce qu'il a appelé «l'atome primitif».
La première utilisation publique du terme moderne pour l'idée de Lemaître est en fait venue d'un critique - l'astronome anglais Fred Hoyle. Le 28 mars 1949, Hoyle a inventé l'expression lors d'une défense de sa théorie préférée d'un univers éternel qui a créé de la matière pour annuler la dilution de l'expansion. Hoyle a déclaré que la notion selon laquelle «toute la matière de l'univers a été créée en un seul coup à un moment donné dans un passé lointain» était irrationnelle. Dans des interviews ultérieures, Hoyle a nié avoir intentionnellement inventé un nom diffamatoire, mais le surnom est resté, à la grande frustration de certains.
"Le Big Bang est un très mauvais terme", a déclaré Paul Steinhardt, cosmologiste à Princeton. "Le Big Stretch capturerait la bonne idée." L'image mentale d'une explosion provoque toutes sortes de confusion, selon Steinhardt. Cela implique un point central, une frontière en expansion et une scène où des éclats d'obus légers volent plus vite que des morceaux plus lourds. Mais un univers en expansion ne ressemble en rien à cela, a-t-il dit. Il n'y a pas de centre, pas de bord, et les galaxies grandes et petites se séparent toutes de la même manière (bien que les galaxies plus éloignées s'éloignent plus rapidement sous l'influence cosmologiquement récente de l'énergie sombre).
Quel que soit son nom, la théorie du Big Bang a été largement acceptée pour sa capacité inégalée à expliquer ce que nous voyons. L'équilibre de la lumière avec des particules comme les protons et les neutrons pendant les 3 premières minutes, par exemple, laisse les premiers éléments se former à un rythme prédisant les quantités actuelles d'hélium et d'autres atomes de lumière.
"Il y avait une petite fenêtre dans le temps où il était possible que des noyaux se forment", a déclaré Glennys Farrar, cosmologiste à l'Université de New York. "Après cela, l'univers a continué de s'étendre et ils ne se sont pas retrouvés, et avant qu'il ne fasse trop chaud."
Un plasma nuageux a rempli l'univers pendant les 378 000 prochaines années, jusqu'à ce qu'un nouveau refroidissement laisse les électrons et les protons former des atomes d'hydrogène neutres, et le brouillard s'est dissipé. La lumière émise au cours de ce processus, qui s'est depuis étirée en micro-ondes, est le premier objet connu que les chercheurs peuvent étudier directement. Connu sous le nom de rayonnement de fond micro-ondes cosmique (CMB), de nombreux chercheurs le considèrent comme la preuve la plus forte du Big Bang.
Une mise à jour explosive
Mais alors que les cosmologistes repoussaient plus loin dans les premiers moments de l'univers, l'histoire se déroule. Les équations de la relativité générale suggéraient un point initial de chaleur et de densité illimitées - une singularité. En plus de ne pas avoir beaucoup de sens physique, une origine singulière ne correspondait pas au CMB lisse et plat. Des fluctuations de la température et de la densité formidables du grain auraient produit des bandes de ciel avec des propriétés différentes, mais la température du CMB ne varie que d'une fraction de degré. La courbure de l'espace-temps semble également assez plate, ce qui implique un équilibre de matière et une courbure au départ presque parfait que la plupart des cosmologistes trouvent improbable.
Alan Guth a proposé une nouvelle image de la première fraction de seconde dans les années 1980, suggérant que l'univers a passé ses premiers instants à croître exponentiellement plus vite qu'aujourd'hui. À un moment donné, ce processus s'est arrêté et le fait de serrer les freins a produit un désordre de particules dense et chaud (mais pas infiniment) qui remplace la singularité. "Dans mon esprit, je pense à cela comme au Big Bang, quand l'univers est devenu chaud", a déclaré Farrar.
La théorie de l'inflation, comme on l'appelle, a maintenant une pléthore de modèles concurrents. Bien que personne ne sache beaucoup sur ce qui a fait l'expansion de l'univers si rapidement, la théorie est devenue populaire pour sa capacité à expliquer le CMB apparemment improbable sans particularité: l'inflation a préservé les fluctuations mineures (qui se sont développées dans les amas de galaxies d'aujourd'hui), tout en aplatissant les principaux. "C'est une histoire très douce", a déclaré Steinhardt, qui a aidé à développer la théorie. "C'est celui que nous disons à nos enfants."
Au-delà de l'inflation
Des recherches récentes ont introduit deux rides dans le récit cosmique de la théorie de l'inflation. Les travaux de Steinhardt et d'autres suggèrent que l'inflation aurait cessé dans certaines régions (comme notre univers observable) mais se serait poursuivie dans d'autres, produisant un éventail de territoires séparés avec "tous les ensembles imaginables de propriétés cosmologiques", comme le dit Steinhardt. De nombreux physiciens trouvent cette image "multivers" désagréable, car elle fait un nombre infini de prédictions non vérifiables.
Sur le front expérimental, les cosmologistes s'attendent à ce que l'inflation ait produit des ondes gravitationnelles s'étendant sur la galaxie dans le CMB tout comme elle a produit de légères variations de température et de densité. Les expériences actuelles devraient être suffisamment sensibles pour les trouver, mais les ondulations spatio-temporelles primordiales ne se sont pas manifestées (malgré une fausse alarme en 2014).
De nombreux chercheurs attendent des mesures plus précises du CMB qui pourraient tuer ou valider les nombreux modèles d'inflation qui existent encore. D'autres physiciens, cependant, ne voient pas du tout la douceur du cosmos comme un problème - il a commencé uniforme et n'a besoin d'aucune explication.
Alors que les expérimentateurs recherchent de nouveaux niveaux de précision, certains théoriciens se sont détournés de l'inflation pour chercher d'autres moyens d'écraser l'univers. Steinhardt, par exemple, travaille sur un modèle de "gros rebond", qui repousse encore plus l'horloge de départ, à une période de contraction antérieure qui a lissé l'espace-temps et préparé le terrain pour une expansion explosive. Il espère que d'ici trop longtemps, de nouvelles signatures, en plus de problèmes comme le manque d'ondes gravitationnelles primordiales, mettront en place des cosmologistes avec une nouvelle histoire de création à raconter. "Y a-t-il d'autres caractéristiques observables à rechercher?" Steinhardt a déclaré: "Demandez-moi à nouveau dans quelques années et j'espère avoir une réponse."
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