Il a fallu un peu plus de sept jours pour créer l’univers tel que nous le connaissons aujourd’hui. SPACE.com regarde les mystères des cieux dans notre série en huit parties: L’histoire &Avenir du Cosmos. C’est la partie 5 de cette série.

Notre univers est né il y a environ 13,7 milliards d’années dans une expansion massive qui a fait exploser l’espace comme un gigantesque ballon.

En un mot, c’est la théorie du Big Bang, que pratiquement tous les cosmologistes et physiciens théoriciens approuvent. Les preuves à l’appui de l’idée sont nombreuses et convaincantes. Nous savons, par exemple, que l’univers est encore en expansion, même maintenant, à un rythme sans cesse croissant.

Les scientifiques ont également découvert une empreinte thermique prédite du Big Bang, le rayonnement de fond diffus cosmologique qui imprègne l’univers. Et nous ne voyons aucun objet de plus de 13,7 milliards d’années, ce qui suggère que notre univers a vu le jour à cette époque.

« Toutes ces choses ont placé le Big Bang sur une base extrêmement solide », a déclaré l’astrophysicien Alex Filippenko de l’Université de Californie à Berkeley. « Le Big Bang est une théorie extrêmement réussie. »

Alors qu’est-ce que cette théorie nous enseigne ? Que s’est-il réellement passé à la naissance de notre univers, et comment a-t-il pris la forme que nous observons aujourd’hui ?

Le début

La théorie traditionnelle du Big Bang postule que notre univers a commencé par une singularité — un point de densité et de température infinies dont la nature est difficile à saisir pour nos esprits. Cependant, cela peut ne pas refléter fidèlement la réalité, disent les chercheurs, car l’idée de singularité est basée sur la théorie de la relativité générale d’Einstein.

« Le problème est qu’il n’y a aucune raison de croire à la relativité générale dans ce régime », a déclaré Sean Carroll, physicien théoricien à Caltech. « Ce sera faux, car cela ne prend pas en compte la mécanique quantique. Et la mécanique quantique sera certainement importante une fois que vous arriverez à cet endroit de l’histoire de l’univers. »

Le tout début de l’univers reste donc assez trouble. Les scientifiques pensent qu’ils peuvent reprendre l’histoire à environ 10 à moins 36 secondes — un trillionième de trillionième de trillionième de seconde — après le Big Bang.

À ce moment-là, ils pensent que l’univers a subi une période d’inflation extrêmement brève et dramatique, se développant plus rapidement que la vitesse de la lumière. Il a doublé de taille peut-être 100 fois ou plus, le tout en l’espace de quelques petites fractions de seconde.

(L’inflation peut sembler violer la théorie de la relativité restreinte, mais ce n’est pas le cas, disent les scientifiques. La relativité restreinte soutient qu’aucune information ou matière ne peut être transportée entre deux points de l’espace plus rapidement que la vitesse de la lumière. Mais l’inflation était une expansion de l’espace lui-même.)

« L’inflation a été le « bang » du Big Bang », a déclaré Filippenko SPACE.com « Avant l’inflation, il y avait juste un peu de choses, très probablement, en expansion juste un peu. Nous avions besoin de quelque chose comme l’inflation pour rendre l’univers grand. »

Cet univers en expansion rapide était à peu près vide de matière, mais il abritait d’énormes quantités d’énergie noire, selon la théorie. L’énergie noire est la force mystérieuse qui, selon les scientifiques, est à l’origine de l’accélération actuelle de l’expansion de l’univers.

Pendant l’inflation, l’énergie noire a fait lisser et accélérer l’univers. Mais ça n’a pas duré longtemps.

« Ce n’était que de l’énergie sombre temporaire », a déclaré Carroll SPACE.com .  » Il s’est converti en matière ordinaire et en rayonnement par un processus appelé réchauffage. L’univers est passé d’être froid pendant l’inflation à être à nouveau chaud lorsque toute l’énergie sombre a disparu. »

Les scientifiques ne savent pas ce qui a pu stimuler l’inflation. Cela reste l’une des questions clés de la cosmologie du Big Bang, a déclaré Filippenko.

Une autre idée

La plupart des cosmologistes considèrent l’inflation comme la principale théorie pour expliquer les caractéristiques de l’univers — en particulier, pourquoi il est relativement plat et homogène, avec à peu près la même quantité de choses réparties également dans toutes les directions.

Divers éléments de preuve indiquent que l’inflation est une réalité, a déclaré le physicien théoricien Andy Albrecht de l’Université de Californie à Davis.

« Ils s’accordent tous assez bien avec le tableau inflationniste », a déclaré Albrecht, l’un des architectes de la théorie de l’inflation. « L’inflation s’est incroyablement bien passée. »

Cependant, l’inflation n’est pas la seule idée qui tente d’expliquer la structure de l’univers. Les théoriciens en ont proposé un autre, appelé modèle cyclique, qui est basé sur un concept antérieur appelé univers ekpyrotique.

Cette idée soutient que notre univers n’a pas émergé d’un seul point, ou quelque chose de semblable. Au contraire, il a « rebondi » dans l’expansion — à un rythme beaucoup plus calme que ne le prévoit la théorie de l’inflation — d’un univers préexistant qui s’était contracté. Si cette théorie est correcte, notre univers a probablement subi une succession sans fin de « bangs » et de « craquements ». »

« Le début de notre univers aurait été agréable et fini », a déclaré Burt Ovrut de l’Université de Pennsylvanie, l’un des initiateurs de la théorie ekpyrotique.

Le modèle cyclique postule que notre univers est composé de 11 dimensions, dont seulement quatre peuvent être observées (trois de l’espace et une du temps). Notre partie à quatre dimensions de l’univers s’appelle une brane (abréviation de membrane).

Il pourrait y avoir d’autres branes qui se cachent là-bas dans un espace à 11 dimensions, l’idée va. Une collision entre deux branes aurait pu faire basculer l’univers de la contraction à l’expansion, déclenchant le Big Bang dont nous voyons la preuve aujourd’hui.

À la recherche d’ondes gravitationnelles

Bientôt, les scientifiques sauront peut—être avec certitude quelle théorie — l’inflation ou le modèle cyclique – est une meilleure représentation de la réalité.

Par exemple, l’inflation produirait probablement des ondes gravitationnelles beaucoup plus fortes qu’un « rebond » ekpyrotique, a déclaré Filippenko. Les chercheurs sont donc à la recherche de tout signe de ces distorsions théoriques de l’espace-temps, qui n’ont pas encore été observées.

Le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne, lancé en 2009, pourrait trouver les ondes gravitationnelles insaisissables. Il peut également recueillir d’autres preuves qui pourraient faire pencher la balance de toute façon, a déclaré Ovrut.

« Ce sont des choses qui, dans les 10 prochaines années, seront discutées et, espérons-le, décidées », a déclaré Ovrut SPACE.com .

L’univers que nous connaissons prend forme

Les cosmologistes soupçonnent que les quatre forces qui gouvernent l’univers — la gravité, l’électromagnétisme et les forces nucléaires faibles et fortes — ont été unifiées en une seule force à la naissance de l’univers, écrasées ensemble en raison des températures et des densités extrêmes impliquées.

Mais les choses ont changé avec l’expansion et le refroidissement de l’univers. Au moment de l’inflation, la force forte s’est probablement séparée. Et environ 10 trillionièmes de seconde après le Big Bang, les forces électromagnétiques et faibles sont devenues distinctes.

Juste après l’inflation, l’univers était probablement rempli d’un plasma chaud et dense. Mais d’environ 1 microseconde (10 à moins 6 secondes), il s’était suffisamment refroidi pour permettre aux premiers protons et neutrons de se former, pensent les chercheurs.

Dans les trois premières minutes après le Big Bang, ces protons et neutrons ont commencé à fusionner ensemble, formant du deutérium (également connu sous le nom d’hydrogène lourd). Les atomes de deutérium se sont ensuite joints les uns aux autres, formant de l’hélium-4.

Recombinaison: L’univers devient transparent

Ces atomes nouvellement créés étaient tous chargés positivement, car l’univers était encore trop chaud pour favoriser la capture d’électrons.

Mais cela a changé environ 380 000 ans après le Big Bang. À une époque connue sous le nom de recombinaison, les ions hydrogène et hélium ont commencé à accrocher des électrons, formant des atomes électriquement neutres. La lumière diffuse de manière significative les électrons libres et les protons, mais beaucoup moins les atomes neutres. Les photons étaient donc maintenant beaucoup plus libres de naviguer à travers l’univers.

La recombinaison a radicalement changé l’apparence de l’univers ; c’était un brouillard opaque, et maintenant il est devenu transparent. Le rayonnement de fond cosmologique micro-ondes que nous observons aujourd’hui date de cette époque.

Cependant, l’univers a été assez sombre pendant longtemps après la recombinaison, ne s’éclairant vraiment que lorsque les premières étoiles ont commencé à briller environ 300 millions d’années après le Big Bang. Ils ont aidé à défaire une grande partie de ce que la recombinaison avait accompli. Ces premières étoiles — et peut-être d’autres sources mystérieuses – ont émis suffisamment de rayonnement pour diviser la majeure partie de l’hydrogène de l’univers en ses protons et électrons constitutifs.

Ce processus, connu sous le nom de réionisation, semble avoir suivi son cours environ 1 milliard d’années après le Big Bang. L’univers n’est pas opaque aujourd’hui, comme il l’était avant la recombinaison, car il s’est tellement étendu. La matière de l’univers est très diluée, et les interactions de diffusion de photons sont donc relativement rares, disent les scientifiques.

Au fil du temps, les étoiles ont gravité ensemble pour former des galaxies, conduisant à une structure de plus en plus grande échelle dans l’univers. Des planètes se sont coalescées autour de certaines étoiles nouvellement formées, y compris notre propre soleil. Et il y a 3,8 milliards d’années, la vie a pris racine sur Terre.

Avant le Big Bang?

Alors qu’une grande partie des premiers instants de l’univers reste spéculative, la question de ce qui a précédé le Big Bang est encore plus mystérieuse et difficile à aborder.

Pour commencer, la question elle-même peut être absurde. Si l’univers est né de rien, comme le croient certains théoriciens, le Big Bang marque l’instant où le temps lui-même a commencé. Dans ce cas, il n’y aurait rien de tel que « avant », a déclaré Carroll.

Mais certaines conceptions de la naissance de l’univers peuvent proposer des réponses possibles. Le modèle cyclique, par exemple, suggère qu’un univers contractant a précédé notre univers en expansion. Carroll, aussi, peut imaginer quelque chose existant avant le Big Bang.

« Il pourrait s’agir d’un espace vide qui existait avant notre Big Bang, puis une certaine fluctuation quantique a donné naissance à un univers comme le nôtre », a-t-il déclaré. « Vous pouvez imaginer une petite bulle d’espace se pincer à travers une fluctuation et être remplie d’une petite petite cuillerée d’énergie, qui peut ensuite se développer dans l’univers que nous voyons à travers l’inflation. »

Filippenko soupçonne également que quelque chose dans ce sens pourrait être vrai.

« Je pense que le temps dans notre univers a commencé avec le Big Bang, mais je pense que nous étions une fluctuation par rapport à un prédécesseur, un univers mère », a déclaré Filippenko.

Saurons-nous un jour?

Les cosmologistes et les physiciens travaillent d’arrache-pied pour affiner leurs théories et mettre les premiers instants de l’univers au point de vue de plus en plus net. Mais sauront-ils jamais vraiment ce qui s’est passé lors du Big Bang?

C’est un défi de taille, d’autant plus que les chercheurs travaillent à un retrait de 13,7 milliards d’années. Mais ne comptez pas sur la science, a déclaré Carroll. Après tout, il y a 100 ans, les gens comprenaient très peu l’univers. Nous ne connaissions pas la relativité générale, par exemple, ni la mécanique quantique. Nous ne savions pas que l’univers était en expansion, et nous ne connaissions pas le Big Bang.

« Nous savons toutes ces choses maintenant », a déclaré Carroll. « Le rythme des progrès est en fait étonnamment rapide, donc je ne céderais jamais au pessimisme. Il n’y a aucune raison dans l’histoire récente de la cosmologie et de la physique d’être pessimiste quant à nos perspectives de compréhension du Big Bang. »

Albrecht a exprimé un optimisme similaire, disant que nous pourrions même un jour comprendre ce qui existait, le cas échéant, avant le Big Bang.

« Je fonde mon espoir sur le fait que la cosmologie a connu un tel succès », a-t-il déclaré SPACE.com .  » Il semble que la nature nous ait envoyé un message clair que nous pouvons vraiment faire de la science avec l’univers. »

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