Big Bang, l’explosion primordiale et l’évolution de l’univers

             Les modèles actuels nous permettent de remonter le temps jusqu’aux tout premiers instants du cosmos. Il y a cependant une limite dans cette remontée, car en deçà d’un certain temps, la physique moderne n’est plus valide. En effet, la théorie de la relativité et la théorie de la physique quantique se contredisent en deçà de cet instant. Le temps ultime auquel nous sommes capables de remonter est de 0,02 seconde après l’explosion primordiale.

             Il est essentiel d’établir certains paramètres décrivant l’univers à tout instant. L’horloge cosmique est le temps écoulé depuis l’explosion primordiale. La température sera exprimée en degrés Kelvin, ainsi qu’en terme d’énergie ou électron volt. Le facteur d’échelle est la fraction du rayon de l’univers à cet instant en comparaison au rayon actuel de l’univers observable. Le décalage est un facteur permettant de calculer les distances et la densité totale et la quantité de matière à l’intérieur d’un certain volume.

Expansion cosmique

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 Les premières 3000 années de l’univers

 Horloge cosmique : 0,02 seconde

Température = :10¹¹ K ou environs 10 MeV

Facteur d’échelle : R = 3 * 10^-11

Décalage : 4 * 10¹⁰

Densité : 3,8 * 10⁹ g / cm³

            L’expansion est ici très rapide, mais la soupe cosmique demeure dans un équilibre thermique où matière et radiation sont parfaitement thermalisées. La compréhension de cette phase est parfaitement expliquée en appliquant les lois de la mécanique statistique. La soupe cosmique est un mélange de leptons, de photons et de quelques baryons. Les électrons et les positrons sont à l’équilibre avec le champ de radiation. À cette température, création et annihilation de paires alternent continuellement. Le nombre de protons est néanmoins beaucoup plus petit que le nombre de photons. Les neutrons et les protons, sont eux, en nombre comparables.

Soupe cosmique

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Horloge cosmique : 0,2 seconde

Température = : 3 *10¹⁰ K ou environs 3 MeV

Densité : 3,1 * 10⁷ g / cm³

            Les fractions de protons et de neutrons sont encore à l’équilibre, car les réactions protons-neutrons et neutrons-protons sont plus rapides que l’expansion.  Le temps caractéristique d’expansion est comparable à l’horloge cosmique. L’abondance relative des neutrons et des protons est régie par leur différence de masse. Nous aurons donc 62 % de protons et 38 % de nucléons.

Horloge cosmique : 2,3 secondes

Température = :10¹⁰ K ou environs 3 MeV

Densité : 3,8 * 10⁵ g / cm³

            Le temps d’expansion est ici de l’ordre de 1,8 seconde, comparativement à l’horloge cosmique qui est de 2,3 secondes. Les paires matières et antimatière commencent à ne plus être à l’équilibre thermique et se découplent des autres composantes du plasma. Les neutrinos ne participent plus aux réactions protons-neutrons et les paires positrons-électrons se font de plus en plus rares. Le temps caractéristique des réactions protons-neutrons devient comparable au temps d’expansion, et le rapport neutrons / protons se fige à la valeur de 0,22.

Formation des protons et neutrons     QuickTime (1.6 MB); MPEG (823K); Thumbnail (19K); Text

Formation des protons et neutrons en détails QuickTime (443K); MPEG (332K); Thumbnail (17K); Text

Horloge cosmique : 26 secondes

Température = : 3 * 10⁹ K ou environs 300 keV

Densité : 3,1 * 10⁷ g / cm³

            L’univers traverse une période importante de son histoire. La température est maintenant inférieure à la température critique nécessaire à un équilibre entre formations de paires positrons-électrons. C’est à ce moment que les premières réactions de la chaîne de nucléosynthèse s’opèrent. Des deutons sont formés, mais ils ne sont pas assez stables pour subsister. La température est toujours trop élevée pour que des éléments se forment. Les neutrons continuent leur désintégration et diminuent de 10 % tous les 94 secondes.

Formation des premiers atomes

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Horloge cosmique : 231 secondes

Température = :10⁹ K ou environs 100 keV

Densité : 10^-5 g / cm³

            La soupe cosmique contient maintenant des rayons gamma et l’univers est dorénavant assez froid pour que les réactions additionnelles de la chaîne puissent s’enclencher. Le deuton restera instable jusqu’à une température de 0,9 * 10⁹ K. Ensuite, la formation d’hélium se fera de façon brutale. Le deutérium, le tritium et quelques éléments plus lourds comme le lithium seront formés, mais la nucléosynthèse n’ira pas plus loin. Il y a maintenant 172 neutrons pour 1051 protons. La fraction d’hélium peut donc être prédite et est égale à 0,28.

            Cette prédiction est très près des observations actuelles, qui la situent à environ 0,26. La confirmation de cette prédiction donne une certaine fiabilité au modèle cosmologique.

 Formation d'éléments plus lourds par la recombinaison

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Horloge cosmique : 2560 secondes ou 43 minutes

Température = : 3 * 10⁸ K ou environs 30 keV

Densité : 0,1 g / cm³

            La nucléosynthèse est complétée et subsistent alors que des noyaux d’Hé et quelques autres noyaux légers et un grand nombre de noyaux d’hydrogène. L’univers est à cet instant toujours dominé par la radiation. L’expansion de l’univers se continue normalement.

Horloge cosmique : 2 * 10¹¹ secondes ou 7750 ans

Température = : 20 500 K

Facteur d’échelle : R = 1,3 * 10^-4

Décalage : z = 7800

            C’est à cet instant que l’univers fera la transition entre un univers dominé par la radiation et un univers dominé par la matière.

Horloge cosmique : 5 * 10¹² secondes ou 150 000 ans

Température = : 3300 K

Densité : 10^-21 g / cm³

Facteur d’échelle : R = 8  * 10^-4

Décalage : z = 1200

            À cette température, deux phénomènes se produisent simultanément : le découplage photons-matière et la recombinaison électrons-noyaux. L’univers devient alors transparent. C’est à ce moment que de faibles fluctuations de densité engendrent les premières condensations de matières.

Horloge cosmique : 7 * 10⁷ ans

Facteur d’échelle : R = 5  * 10^-2

Décalage : z = 20

            Les fluctuations de densités ont débuté le processus de condensation de matières et les premières composantes sphéroïdales des premières galaxies se forment.

            Les observations récentes du rayonnement de fond cosmologique viennent appuyer les faibles fluctuations de densités qui ont entraîné la formation des galaxies. L’anisotropie à grande échelle procure un support de taille au modèle de formation des structures par l’instabilité gravitationnelle.