B / Modèle standard : évolution des premiers instants de l’Univers :

Pour mieux comprendre les phénomènes mis en jeu dans cette théorie, il sera nécessaire de s’intéresser à un aspect plus complexe de la physique : la physique quantique. Ce modèle standard est partagé en plusieurs phases ou ères, chacune correspond à un phénomène précis qui était dominant à ce moment là.

Cette partie peut être très difficile à comprendre surtout pour des novices en physique), mais elle est essentielle dans l’explication des phénomènes qui ont finalement aboutit à la création de notre Univers.

1- Le temps zéro :

Au tout début de l’histoire de l’Univers, celui-ci se trouvait dans un « temps » et un « espace » aux dimensions inférieures à celles de l’ échelle de Planck – la longueur de Planck est de l’ordre de 10^-33 cm ; la température de Planck est supérieure à 10³² degrés ; le temps de Planck, lui, étant de l’ordre de 10^-43 secondes (soit 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001 seconde ! Autrement dit rien du tout !).

Selon le principe de la relativité générale d’Einstein, c’est l’énergie qui détermine la géométrie de l’espace-temps. A l’échelle de Planck la courbure du temps pourrait se réaliser, et perdre ainsi la linéarité que nous lui connaissons, effaçant par ailleurs le principe de causalité : en gros tous les points de la « droite » du temps fusionnent entre eux, mais aussi avec l’espace et toutes les grandeurs physiques usuelles. Une seule force dominerait alors : la gravité quantique. L’Univers est dans un état au-delà de ce que l’esprit humain ne peut même pas concevoir.

La conception traditionnelle du Big-Bang suggère que celui-ci a émergé d’une « singularité» - un point de densité infinie. Théoriquement, le « temps zéro » correspondrait à une température infinie, mais qui est donc par conséquent inaccessible ; c’est pourquoi la science d’aujourd’hui ne permet pas de décrire de quelque façon que ce soit ce court laps de temps. La question est de savoir si des évènements ont pu se produire durant cette ère de Planck…

2- De 10^-43à10^-35 secondes :

Les théories actuelles supposent que l’Univers aurait connu une période d’ «  inflation » accélérée – expansion qui aurait dépassé la vitesse de la lumière. L’Univers aurait augmenté d’un facteur 10³⁰à 10¹⁰⁰ en 10^-35 secondes, ce qui correspondrait à une augmentation environ 100 fois plus importante à celle qu’il aurait subi depuis.

Depuis l’instant « zéro », la densité et la température se sont « effondrées » ; à 10^-43 secondes, L’Univers a été refroidi à 10³²° Kelvin (température de Planck qui constitue le point de départ théorique de l’analyse thermique de l’Univers). Ces deux grandeurs continuent de diminuer…

Cet intervalle de temps est aussi celui de la Théorie de la Grande Unification (GUT) ; cette théorie tente d’unifier trois des quatre grandes interactions qui influent aujourd’hui sur la matière : l’interaction électromagnétique et l’interaction faible (regroupées en l’interaction électrofaible), et l’interaction forte. Mais la gravitation n’est, pour l’instant, toujours pas intégrée dans une théorie d’unification complète. Or une telle théorie est nécessaire pour tenter de percer le mystère de l’ère de Planck, et par la même occasion de trouver la force à l’origine de la formidable expansion de l’Univers.

Ce serait également à ce moment que se seraient formées les particules élémentaires tels que les quarks.

La température et la densité de l’Univers continuent de diminuer…

3- De 10^-35à 10^-11 secondes :

A 10^-35 secondes, l’ «  inflation » s’est arrêtée, laissant alors un univers toujours en expansion et dominé par les particules élémentaires ( quarks, électrons, neutrinos…) qui constituent la matière, et par leurs antiparticules (anti-quarks, positons, antineutrinos…) qui constituent l’antimatière. Toutes ces particules et antiparticules entre en collision et s’annihilent pour former un couple de photons très énergétiques, appelés aussi particules g (gamma). Ces photons peuvent alors entrer à leur tour en collision pour former une particule et une antiparticule correspondante. L’Univers est alors dans un équilibre matière / antimatière, avec une prédominance de quarks et d’anti-quarks.

Cette période est appelée ère électrofaible : c’est pendant ce temps que prend fin la GUT : l’interaction électroforte se sépare en l’interaction forte et l’interaction électrofaible, cette dernière étant dominante.

A 10^-35 secondes, la température a diminué jusqu’à 10²⁷° K.

La température et la densité de l’Univers continuent de diminuer…

4- De 10^-11à 10^-6 secondes :

A la date 10^-11 secondes, l’annihilation est achevée, les photons n’ont plus assez d’énergie pour générer de nouvelles particules, mais il reste toutefois un résidu de particules matérielles qui constitueront la totalité de la matière actuelle de notre univers. Celui-ci est alors une sorte de « soupe » de particules ( plasma), telles que les électrons, les neutrinos (famille des leptons), les quarks (famille des hadrons) et d’autres particules élémentaires (voir tableau « Particules élémentaires »).

La température de l’Univers est alors de 10¹⁵° K.

L’interaction électrofaible se scinde en l’interaction électromagnétique et l’interaction faible. Dès lors, les quatre interactions fondamentales régissant l’Univers, sont présentes et découplées.

Les interactions fortes (ou nucléaires) représentent les forces de plus grande intensité (intensité relative = 1), elles sont à l’origine de la cohésion des noyaux atomiques. Viennent ensuite les interactions électromagnétiques, responsables des associations entre particules chargées électriquement (intensité relative = 10^-2), les interactions faibles, à l’origine de la désintégration radioactive du neutron et du proton (intensité relative = 10^-13) et les interactions gravitationnelles, les plus faibles (intensité relative = 10^-38), mais ce sont celles qui sont observables à la plus grande échelle et qui sont responsables des mouvements des astres et de la chute des corps.

La théorie quantique a montré que ces « forces » sont véhiculées par certaines particules élémentaires, ou quanta, appartenant à la famille des bosons. Les interactions citées précédemment sont donc respectivement le résultat des gluons, des photons, des bosons intermédiaires et des gravitons (cette dernière catégorie étant encore hypothétique).

A 10^-6 secondes la température de l’Univers est de 10¹³° K ; il continue de se dilater et de se refroidir.

L’interaction forte rapproche les quarks pour former le groupe des mésons et le groupe des baryons – parmi lesquels on compte le proton et le neutron qui sont formés par l’association de trois quarks. Parmi toutes les particules formées, seuls le proton et le neutron ont une durée de vie dépassant la seconde, c’est pourquoi on ne retiendra que ceux là. Les leptons en revanche ne sont pas soumis à l’interaction forte.

Durant cet intervalle de temps, l’Univers est donc dominé par les hadrons et les leptons, il s’agit de l’ère hadronique et leptonique.