Le Big Bang ne fait plus de doute. Un expert nous explique pourquoi.

Comment tout a commencé ? C’est une question que l’humanité se pose depuis des milliers d’années. Au cours du siècle dernier, la science a trouvé une réponse : le Big Bang.

Cette théorie décrit comment l’Univers est né d’une explosion cataclysmique il y a près de 14 milliards d’années. En une fraction de seconde, l’univers observable a grandi à la vitesse d’une bactérie s’étendant à la taille de la Voie Lactée. L’univers primitif était extraordinairement chaud et extrêmement dense. Mais comment savons-nous que cela s’est produit ?

Examinons d’abord les preuves. En 1929, l’astronome américain Edwin Hubble découvrit que les galaxies lointaines s’éloignent les unes des autres, ce qui a conduit à la réalisation que l’univers est en expansion.

Si nous remontions le temps jusqu’à la naissance du cosmos, l’expansion s’inverserait et les galaxies se superposeraient il y a 14 milliards d’années. Cet âge correspond bien à l’âge des objets astronomiques les plus anciens que nous observons.

L’idée a d’abord été accueillie avec scepticisme, et c’est en fait un sceptique, l’astronome anglais Fred Hoyle, qui a inventé le nom. Hoyle a ironiquement rejeté l’hypothèse en l’appelant « Big Bang » lors d’une interview à la radio BBC le 28 mars 1949.

Puis, en 1964, Arno Penzias et Robert Wilson ont détecté un type particulier de rayonnement qui remplit tout l’espace. Ce rayonnement est devenu connu sous le nom de rayonnement cosmique micro-onde (CMB). C’est une sorte de lueur résiduelle de l’explosion du Big Bang, libérée lorsque le cosmos n’avait que 380 000 ans.

Le CMB offre une fenêtre sur les conditions chaudes et denses au début de l’univers. Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique 1978 pour leur découverte.

Plus récemment, des expériences réalisées dans des accélateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont éclairé les conditions encore plus proches du moment du Big Bang. Notre compréhension de la physique à ces hautes énergies suggère que, dans les tout premiers instants après le Big Bang, les quatre forces fondamentales de la physique qui existent aujourd’hui étaient initialement combinées en une seule force.

Les quatre forces actuelles sont la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. À mesure que l’univers s’est dilaté et refroidi, une série de changements dramatiques, appelés transitions de phase (comme l’ébullition ou la congélation de l’eau), ont séparé ces forces.

Des expériences dans les accélateurs de particules suggèrent que quelques milliardièmes de seconde après le Big Bang, la dernière de ces transitions de phase a eu lieu. C’était la rupture de l’unification électrofaible, lorsque l’électromagnétisme et la force nucléaire faible ont cessé d’être combinés. C’est à ce moment-là que toute la matière de l’Univers a pris sa masse.

En continuant à avancer dans le temps, l’univers est rempli d’une étrange substance appelée plasma quark-gluon. Comme son nom l’indique, cette « soupe primordiale » était composée de quarks et de gluons. Ce sont des particules subatomiques responsables de la force nucléaire forte. Le plasma quark-gluon a été généré artificiellement en 2010 au Brookhaven National Laboratory et en 2015 au LHC.

Les quarks et les gluons ont une forte attraction l’un pour l’autre et sont aujourd’hui liés ensemble sous forme de protons et de neutrons, qui sont à leur tour les éléments constitutifs des atomes. Cependant, dans les conditions chaudes et denses de l’univers primitif, ils existaient indépendamment.

Le plasma quark-gluon n’a pas duré longtemps. Quelques millionièmes de seconde seulement après le Big Bang, alors que l’univers se dilatait et se refroidissait, les quarks et les gluons se regroupèrent en protons et neutrons, situation qui persiste aujourd’hui. Cet événement est appelé confinement des quarks.

Alors que l’univers continuait à se dilater et à se refroidir, il y avait moins de photons de haute énergie (particules de lumière) dans l’univers qu’auparavant. C’est un déclencheur du processus appelé nucléosynthèse du Big Bang (BBN).

C’est à ce moment-là que les premiers noyaux atomiques – les amas denses de matière constitués de protons et de neutrons et trouvés au centre des atomes – se sont formés par des réactions de fusion nucléaire, comme celles qui alimentent le Soleil.

Lorsque les photons de haute énergie étaient plus nombreux dans l’univers, tous les noyaux atomiques qui se formaient auraient été rapidement détruits par eux (un processus appelé photodésintégration). Le BBN a cessé quelques minutes seulement après le Big Bang, mais ses conséquences sont observables aujourd’hui.

Les observations des astronomes nous ont fourni des preuves des abondances primordiales des éléments produits dans ces réactions de fusion. Les résultats concordent étroitement avec la théorie du BBN. Si nous continuions, sur près de 14 milliards d’années, nous atteindrions la situation qui existe aujourd’hui. Mais à quel point pouvons-nous comprendre ce qui se passait près du moment du Big Bang lui-même ?

Les scientifiques n’ont aucune preuve directe de ce qui s’est passé avant la rupture de l’unification électrofaible (lorsque l’électromagnétisme et la force nucléaire faible ont cessé d’être combinés). À de telles hautes énergies et à des époques aussi reculées, nous ne pouvons qu’observer le mystère du Big Bang. Alors, que suggère la théorie ?

Lorsque nous remontons le temps dans l’histoire du cosmos, les distances et les volumes diminuent, tandis que la densité d’énergie moyenne augmente. Au Big Bang, les distances et les volumes tombent à zéro, toutes les parties de l’univers se superposent et la densité d’énergie de l’univers devient infinie.

Nos équations mathématiques, qui décrivent l’évolution de l’espace et l’expansion du cosmos, sont infestées de zéros et d’infinis et cessent d’avoir un sens.

Nous appelons cela une singularité. La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein décrit comment l’espace-temps est façonné. L’espace-temps est une façon de décrire la géométrie tridimensionnelle de l’univers, mélangée au temps. Une courbure dans l’espace-temps donne naissance à la gravité.

Mais les mathématiques suggèrent qu’il existe des endroits dans l’univers où la courbure de l’espace-temps devient illimitée. Ces endroits sont connus sous le nom de singularités. Un tel exemple peut être trouvé au centre d’un trou noir. En ces lieux, la théorie de la relativité générale s’effondre.

De 1965 à 1966, les physiciens théoriciens britanniques Stephen Hawking et Roger Penrose ont présenté un certain nombre de théorèmes mathématiques démontrant que l’espace-temps d’un univers en expansion doit se terminer par une singularité dans le passé : la singularité du Big Bang.

Penrose a reçu le prix Nobel en 2020. Hawking est décédé en 2018 et les prix Nobel ne sont pas décernés à titre posthume. L’espace et le temps apparaissent à la singularité du Big Bang, donc les questions de ce qui se passe « avant » le Big Bang ne sont pas bien définies. En ce qui concerne la science, il n’y a pas d’avant ; le Big Bang est le début du temps.

Cependant, la nature n’est pas décrite avec précision par la seule relativité générale, même si cette dernière existe depuis plus de 100 ans et n’a pas été réfutée. La relativité générale ne peut pas décrire les atomes, la fusion nucléaire ou la radioactivité. Ces phénomènes sont plutôt abordés par la théorie quantique.

Les théories de la physique « classique », comme la relativité, sont déterministes. Cela signifie que certaines conditions initiales ont un résultat défini et sont donc absolument prédictibles. La théorie quantique, en revanche, est probabiliste. Cela signifie que certaines conditions initiales dans l’univers peuvent avoir plusieurs résultats.

La théorie quantique est quelque peu prédictive, mais de manière probabiliste. Les résultats se voient attribuer une probabilité d’existence. Si la distribution mathématique des probabilités est fortement concentrée sur un certain résultat, alors la situation est bien décrite par une théorie « classique » comme la relativité générale.

Mais tous les systèmes ne sont pas comme ça. Dans certains systèmes, par exemple les atomes, la distribution des probabilités est étalée et une description classique ne s’applique pas.