Le Big Bang

Les йquations de la Relativitй Gйnйrale permettent de dйduire l'йvolution de l'univers. Ces univers sont non statiques (en expansion). Ceci semblait inconcevable а Einstein, pour des raisons essentiellement philosophiques. Il introduisit donc un terme suppйmentaire dans ses йquations, appelйe constante cosmologique, dont le rôle est de contrebalancer la gravitй due а la matiиre contenue dans cet univers.

Mais quelques annйes plus tard, Hubble, en observant les galaxies lointaines, s'aperçoit qu'elles s'йloignent de nous d'autant plus rapidement qu'elles sont distantes.
La loi de Hubble. qui relie vitesse d'йloignement et distance s'exprime par une relation linйaire. V c = H * D, où V c reprйsente la vitesse de rйcession, D la distance. H est appelйe constante de Hubble.

Hubble rйalise alors que l'univers est en expansion. comment expliquer autrement cette fuite des galaxies, d'autant plus rapide qu'elles sont loin de nous?

L'expansion de l'univers

Il faut bien comprendre que cette expansion est une propriйtй de l'espace lui-même. Les galaxies ne s'йloignent pas dans un espace figй, elles sont immobiles dans une "trame" qui s'йlargit.
En rйalitй, c'est le redshift de leur spectre que l'on mesure. Or les longueurs d'onde du rayonnement йmis grandissent avec l'expansion, comme toutes les longueurs. La "fuite apparente" des galaxies n'est donc que la traduction d'un effet Doppler provoquй par cette expansion de l'univers.

L'image habituellement employйe pour dйcrire cet effet est celle du cake aux raisins en train de cuire. le cake gonfle et les raisins s'йloignent les uns des autres d'autant plus qu'ils sont йloignйs.

Chaque raisin voit ses voisins s'йloigner de lui d'autant plus vite qu'ils sont loin, sans que leur taille propre ne varie.

Il n'y a pas de centre а cette expansion. Tout raisin voit les autres s'йloigner, quelle que soit sa position initiale. Il en est de même pour les galaxies dans l'univers.
Notons tout de même que, si les distances entre les galaxies augmentent avec le temps, il n'en est pas de même des distances а l'intйrieur des galaxies. la force gravitationnelle s'oppose а cette expansion et permet donc а l'ensemble de la galaxie de rester liй.

Le passй de l'univers

Puisque l'univers est en expansion, il йtait donc plus petit dans le passй que maintenant.
Or, qui dit plus petit, dit plus dense, donc plus chaud. On montre que la tempйrature de l'univers diminue de moitiй lorsque les distances doublent.

Extrapolons en reculant dans le passй. il y a donc eu un moment où l'univers йtait aussi petit que l'on peut l'imaginer, et а une tempйrature trиs йlevйe. La "naissance" de l'univers a donc eu lieu а partir de cette minuscule boule d'йnergie qui a gonflй.
On voit donc immйdiatement que l'univers a eu un dйbut, et se trouve en expansion. l'idйe d'un univers statique existant depuis la nuit des temps vient de s'йcrouler.

C'est le belge Lemaitre qui, le premier en 1925, a йmis cette hypothиse qu'il avait appelй "l'atome primitif".

Par dйrision, l'astrophysicien Fred Hoyle en 1950, qui soutenait une thйorie diffйrente, a donnй а celle-ci le nom de Big Bang, nom qui lui est restйe.

Encore une fois, attention а ne pas voir le Big Bang comme une explosion de matiиre au sein d'un univers vide. c'est l'univers lui-même qui est en expansion.

Pour reprendre l'image du cake, il faut imaginer qu'il n'existe rien en dehors du cake lui-même, et qu'au tout dйbut, toute la pâte se trouve concentrйe en un volume aussi petit que l'on veut qui gonfle avec le temps.
L'espace et le temps naissent au moment du Big Bang. avant et ailleurs sont des termes qui n'ont pas de sens, car il n'existe rien en dehors de l'univers et avant sa crйation.

Le rayonnement fossile

De la même maniиre qu'une piиce de mйtal chauffйe conserve longtemps sa chaleur et continue а la rayonner, alors, si l'univers a йtй dans son passй suffisament chaud, il doit continuer а rayonner comme un corps noir .
Mais ce rayonnement doit maintenant se situer dans le domaine des micro-ondes. correspondant а une tempйrature trиs faible. en 1948, George Gamow l'estime а 6 K ; et en 1965, Penzias et Wilson observent effectivement un rayonnement correspondant а une tempйrature d'environ 3 K.

Depuis, les satellites COBE, WMAP, et rйcemment Planck ont permis des mesures plus fines, la tempйrature du rayonnement de fond cosmologique est de 2,736 K. On peut dire que c'est la tempйrature actuelle de l'univers.

Fluctuations du rayonnement fossile mesurйes par le satellite COBE en 1990, une fois retirйes les influences du mouvement de la Terre dans l'espace et de la galaxie.

Ce rayonnement est extrиmement uniforme. en effet, les rйgions en rouge sont plus chaudes que les bleues pour 1/100.000 иme seulement.

Source NASA / COBE.

Les mкmes fluctuations mesurйes par WMAP en 2003.

Encore les mкmes fluctuations, mais mesurйes par Planck en 2013. Notez les progrиs dans la rйsolution au fur et а mesure du temps.

Les minuscules fluctuations que l'on observe sont les germes а partir desquels la matiиre va croitre, formant plus tard les йtoiles et les galaxies.

Ce rayonnement, dont le spectre est celui d'un corps noir presque parfait, est la premiиre preuve vraiment sure de la thйorie du Big Bang.
Trиs rйcemment, avec l'aide du VLT. on a mesurй la tempйrature d'un nuage de gaz devant un quasar situй а 12 milliards d'annйes lumiиre .
Ce nuage est chauffй par le rayonnement cosmologique, et la tempйrature mesurйe de 14 K est en accord avec celle du rayonnement cosmologique tel qu'il йtait а ce moment-lа.

L'expansion de l'univers est parfois prйsentйe comme une autre preuve du Big Bang, mais elle repose sur des mesures de redshift aux quelles certains attribuent une autre origine.