TPE Big-Bang - Théorie du Big-Bang

La théorie du Big-Bang est actuellement la théorie la plus largement acceptée par les physiciens et surtout par le grand public – ce qui est l’élément prépondérant quant à la diffusion de cette théorie -, en ce qui concerne l’explication de l’origine et de la formation de notre univers. Elle est présentée dans un modèle que l’on nomme modèle standard.

A / D’où vient l’idée du Big-Bang ? - Historique des découvertes annonçant cette théorie :

En 1915, Albert Einstein introduisit la théorie de la relativité générale. Cette théorie propose entre autre une nouvelle conception de la gravitation – non-newtonienne - en stipulant que toute masse provoque une déformation, une courbure de l’espace-temps.

En appliquant cette théorie à la cosmologie, il établit le raisonnement suivant : les masses des étoiles ont tendance à courber et à contracter en quelque sorte l’espace-temps alentour, et devraient donc se rapprocher, un peu comme des billes de plomb que l’on presserait contre les faces d’un cube en caoutchouc (documents 23 et 23 bis).


(document 23 et 23 bis) Représentation de la courbure de l’espace-temps provoquée par les astres, cette courbure est d’autant plus importante que l’astre est gros et « lourd ».

Einstein posa alors la question suivante : pourquoi l’Univers ne s’effondre t-il pas ? En 1917, il calcula donc des solutions décrivant l’Univers ; il supposa l’existence d’une force de répulsion pour faire obstacle à la force d’attraction gravitationnelle.

Ses équations démontrèrent alors que l’Univers pouvait être soit en expansion soit en contraction, mais ces deux possibilités ne bénéficiant à ce moment d’aucune preuve, il préféra considérer un Univers statique et uniforme – ce qui correspondait d’ailleurs à sa conviction -, pour cela il introduit dans ses équations une « constante cosmologique » notée L ou l , également appelée « énergie du vide ».

Cependant, des modèles non statiques de l’Univers furent introduits par le mathématicien russe Alexandre Friedmann et par l’abbé et astronome belge George Lemaître en 1922. Ils trouvèrent séparément des solutions aux équations d’Einstein aboutissant à des univers non-statiques.

Lemaître est surtout connu pour sa théorie de l’ « atome originel », énoncée en 1927, qui prétend que l’Univers serait issu de l’explosion d’un objet singulier de dimension atomique et aurait été suivie d’une expansion de celui-ci.

Cette hypothèse de l’ expansion de l’Univers fut confirmée par les observations de l’astronome américain Edwin Hubble : il reprit en 1929 les travaux de son confrère Vesto Slipher qui, en étudiant le spectre des galaxies (1912), avait remarqué que les raies d’absorption (raies caractéristiques des éléments composant un corps céleste) du spectre étaient décalées vers les plus grandes longueurs d’onde (comme le rouge) pour la majorité d’entre elles (il observa en effet une minorité de galaxies « décalées » vers le bleu comme la galaxie d’Andromède par exemple).

Il réalisa que ce décalage était dû au fait que l’Univers était en expansion. Ce phénomène serait provoqué par l’effet Doppler-Fizeau, qui fait que toute source d’ondes en mouvement par rapport à un observateur paraît décalée dans ses fréquences. Or, si les galaxies s’éloignent les unes des autres, cela signifie que dans le passé elles devaient être beaucoup plus rapprochées les unes des autres.

Il parvint, grâce à ces spectres, à déterminer facilement la vitesse V d’éloignement des galaxies – et par ses observations, à déterminer leur distance D (imprécise) par rapport à la Terre. En reportant sur un diagramme la vitesse V en fonction de la distance D, il obtint des points plus ou moins alignés sur une droite passant par l’origine (document 26).

Il révéla ainsi qu’il y a relation directe de proportionnalité entre vitesse et distance. Cette relation est la loi de Hubble :

Loi de Hubble :

V = H₀.D

où V est la vitesse en km.s^-1, D est la distance en km et H₀ est la constante de Hubble - qui a la dimension de l’inverse d’un temps – est exprimée en km.s^-1.Mpc^-1.

Cette expression en kilomètre par seconde par méga parsec signifie qu’une galaxie située à 2 Mpc de nous s'éloigne, chaque seconde, de H₀ km de plus que celle située à 1 Mpc. La vitesse d’éloignement est plus importante pour les objets les plus éloignés, ce qui ne veut pas dire pour autant que les galaxies accélèrent !

Cette constante fut révisée à plusieurs reprises après que Hubble lui-même ait estimé sa valeur à 530 km.s^-1.Mpc^-1. Il faut dire qu’à l’époque les distances des galaxies étaient très mal connues et souvent sous-estimées. C’est ainsi que la constante H₀ a été divisée par 2 dans les années 1950, puis à nouveau par 3 dans les années 1970.

Actuellement, sa valeur fait encore l’objet d’un débat animé entre astronomes, mais elle est très probablement comprise entre 50 et 100 km.s^-1.Mpc^-1. La détermination exacte de la constante de Hubble est importante car son inverse donne l’âge de l’Univers.

Après cette confirmation que l’Univers n’était pas statique mais bien en expansion, Albert Einstein confessa que l’introduction de sa constante cosmologique fut la plus grande erreur de sa vie – mais il semble que l’on trouve finalement aujourd’hui des preuves de son existence.

En 1948, le physicien russo-américain George Gamow (photo) – qui fut un temps l’élève de Friedmann - modifia la théorie de Lemaître sur l’atome originel. Gamow supposa que l’Univers était né d’une gigantesque dilatation et que les différents éléments observés aujourd’hui ont été formés juste après cette dilatation, à un moment où la température et la densité étaient extrêmement élevées.

A l’époque, cette théorie connut un très important succès mais avait aussi de nombreux adversaires. L’un d’eux était le célèbre astronome britannique Fred Hoyle qui supportait l’idée d’un univers statique, immuable dans le temps, un univers qui a toujours été et qui sera toujours tel qu’il est aujourd’hui et qui est par conséquent éternel. Hoyle est celui qui a « inventé » le terme de Big-Bang (littéralement « Grand Boum ») : dans les années 1950, il participe à une série d’interviews sur la BBC dans lesquelles il utilise cette expression de façon ironique dans le but de ridiculiser cette théorie. Mais finalement ce terme restera et sera adopté par tous pour rencontrer le succès qu’on lui connaît.