Big Bang ou naissance de la matière

Il y a 13,73 milliards d’années une formidable explosion de lumière, le Big Bang, donne naissance à l’espace, au temps, à la matière, un chaos brulant d’une chaleur inimaginable, une bouillie informe va enfler, s’étendre dans toutes les directions et se refroidir tout doucement. Ce terme a été inventé dans les années 1950 par l’astrophysicien anglais Fred Hoyle pour désigner avec ironie le concept «d’explosion originelle» introduit dans le modèle cosmologique développé dans les années 1920 par l’astrophysicien belge Georges Lemaître et le physicien russe Alexander Friedmann.
L’histoire du bigbang ne préjuge pas de l’existence d’un «instant initial» ou d’un commencement. Aujourd’hui encore, on capte dans le ciel une trace de cette origine que l’on nomme rayonnement fossile ou fond du ciel, c’est un rayonnement de microondes à basse température, proche du zéro absolu, arrivant à la surface de la Terre depuis toutes les directions du cosmos. On l’appelle ainsi parce qu’il forme un arrière-plan à toutes les sources radio ponctuelles qui ont été détectées par les radiotélescopes. Le Big Bang fut détecté pour la première fois par Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson en 1965, qui seront récompensés par le Prix Nobel de physique en 1978. De la soupe cosmique encore chaude de milliards de degrés, des éléments de matière vont tisser une toile aux structures de plus en plus complexes  pour finir en galaxies, des centaines de milliards de galaxies aux formes diverses, s’éloignant les unes des autres. Observer ces objets célestes, c’est mesurer le temps qu’a mit la lumière pour nous parvenir, c’est aussi voir l’état dans lequel ils étaient à cette époque.
La relativité générale d’Albert Einstein en 1915 marque le début de la cosmologie moderne, où il devient possible de décrire l’univers dans son ensemble comme un système physique.

Il y a longtemps…

Voir loin c’est voir il y a longtemps.
Au commencement il n’y a rien, pas de matière, pas de vide, le temps et l’espace n’existe pas.
L’explosion d’un point lumineux plus petit qu’un atome et d’une chaleur infinie, va engendrer l’univers.
Tout commence une infime fraction de seconde après l’explosion originelle, le Big Bang. Le temps commence à se dérouler, en l’espace d’une seconde le cosmos tout entier va se dessiner.
C’est le plus grand mystère de tous les temps.
Avant, on ne sait rien, c’est la “terra incognita“, il n’y a pas de temps zéro, le temps n’existe pas, nous n’avons aucune donnée pour dire qu’il y a quelque chose. Pour les scientifiques, l’horloge cosmique frappe son premier coup à 10-43 seconde.
L’univers est un vide bouillonnant d’énergie très dense incroyablement chaud, ensuite on le suppose, il enfle brusquement, c’est l’inflation.
L’univers est en expansion, à 10-32 seconde, des premiers éléments de matière accompagnés d’antimatière, émergent les particules élémentaires et leurs antiparticules, les quarks, les électrons, les neutrinos, les photons ces grains de lumière dans lesquels baignent cette soupe cosmique.Ensuite, entre en jeu une première force, la force nucléaire forte qui au temps 10-6 seconde, c’est à dire 1 millionième de seconde, va assembler les quarks, 3 par 3 pour donner les protons et les neutrons et former les noyaux, les noyaux d’hydrogène, beaucoup, les noyaux d’hélium plus lourds.

Image : Image simulée d’une mince tranche de l’univers. La structure en toile d’araignée des amas de galaxies semble lier ensemble ces amas par des filaments de matière. Voir des galaxies distantes de 10 milliards d’années, c’est voir ces galaxies telles qu’elles étaient, il y a 10 milliards d’années. Aujourd’hui, l’Univers enfle de 20 milliards de km toutes les secondes dans toutes les directions.

nota : 10-43 seconde est le temps de Planck.

3 minutes après…

A 3 minutes, 98% de la masse de l’univers est constituée. Rien de nouveau jusqu’à 380 000 ans, la fin de l’ère radiative. Commence alors l’ère matérielle et apparait la deuxième force, la force électromagnétique, elle construit les atomes d’hydrogène et d’hélium en faisant tourner les électrons autour des noyaux.
Le dernier acte commence 1 milliard d’années après le Big Bang. Un Univers toujours en expansion et en refroidissement voit la force gravitationnelle se grouper les atomes en structures plus complexes. C’est la naissance des galaxies qui dans leurs cœurs abritent les stars du ciel, les étoiles qui évoluent depuis 15 milliards d’années. Dans les étoiles, les protons fusionnent pour former des noyaux de deutérium selon des processus liés aux interactions faibles, la force nucléaire faible.
Ces noyaux servent ensuite à l’édification de noyaux plus massifs.
L’énergie dégagée est emportée à 98% sous forme d’énergie lumineuse par les photons.

Image : illustration de l’électron. En réalité l’électron n’a pas de localisation précise, il reste dans une espèce de vague, à la fois un peu ici et un peu là.

Le fond du ciel cosmique

Selon le modèle théorique du Bigbang, qui décrit l’évolution de l’Univers, le rayonnement de microondes de fond du ciel est un résidu de l’énergie régnant au moment de la formation des premiers atomes stables de l’Univers où le rayonnement devient matière.
Cela se passe environ 380 000 ans après l’explosion primordiale.
Des données du satellite COBE (Cosmic Background Explorer) ont montré que ce rayonnement n’est pas aussi uniforme que le croyaient les scientifiques.
Cette carte (ci-contre) du rayonnement cosmologique dans la moitié nord du ciel révèle, après traitement informatique, des zones d’intensité variable, apparaissant chacune, arbitrairement, dans des couleurs différentes. Ces fluctuations, qui correspondraient aux variations de densité de l’Univers primordial et seraient ainsi à l’origine de la formation des galaxies, témoignent de la dynamique de l’Univers à ses débuts.Des fluctuations de densité de 1/100 000ème de Kelvin sont imprégnées dans le rayonnement microonde fossile à 2.73 K.
Elles témoignent qu’environ 300 000 ans après le Big Bang il existait des zones hétérogènes dans l’univers d’une taille comprise entre 100 et 1000 Mpc.

Image : Le fond du ciel à ses débuts (M. Tegmark, A. de Oliveria-Costa, M. Devlin, B. Netterfield, L. Page & E. Wollack, Astrophysical Journal, 474, L77)

Notion de distance et de vide

L’astronomie fonctionne sur une échelle de distance que l’homme a du mal à se représenter.
Les astrophysiciens utilisent la vitesse de la lumière comme étalon, pour mesurer les distances du cosmos.
La lumière se déplace à 300 000 km/s dans le vide.
Elle a été fixée à 299 792 458 m/s en 1983 par le Bureau international des poids et mesures.
C’est la vitesse la plus rapide existante en physique relativiste. Lorsque un temps est indiqué en vitesse-lumière, il faut en fait comprendre que c’est d’une distance que l’on parle. Pour aborder l’astronomie il faut tout d’abord avoir une notion des distances et du vide qui sépare les astres. Ensuite il faut avoir une notion des masses en présence. Pour donner une image des distances  qui  séparent  les  astres  de  notre système solaire, voici un modèle avec une échelle au 1/100 milliardième ou 1cm = 1 million de km. Avec cette échelle le système solaire tient dans le Grand Stade de France à Paris. Le Soleil,  au centre du stade, aurait  un diamètre de 1,4 cm, à 1,5 m de distance serait la Terre avec un diamètre de 0,1 mm, Jupiter se trouverait à 8 m du soleil et mesurerait 1,4 mm. Pluton serait à 59 m du Soleil et aurait un diamètre de 0,05 mm.L’étoile Alpha Centauri C ou Proxima Centauri est une naine rouge de magnitude apparente 11, trop faible pour être visible à l’œil nu, située dans la constellation du Centaure. C’est l’étoile la plus proche du système solaire elle est à 4,22 années lumière.
Sur notre échelle, elle se trouverait au environs de Lyon et Sirius (même taille que le Soleil) aux environs de Barcelone.

nota: La vitesse de la lumière est fixée à 299 792 458 m/s en 1983 par les poids et mesures. C’est une constante physique dont une valeur précise est obtenue expérimentalement dès le XVIIe siècle par l’astronome danois Ole Christensen Romer en 1676.
La vitesse de la lumière fut alors estimée à 200 000 kilomètres par seconde, environ 35 % en dessous de sa vraie valeur du fait des incertitudes de l’époque sur la taille de l’orbite de la Terre. Cependant, Cassini émit des doutes sur la validité des résultats de son collègue.
James Bradley proposa ensuite une estimation à 300 000 km/s. La vitesse de la lumière constitue l’un des piliers de la physique théorique.

Image : Les analyses, de l’image WMAP, du ciel, indiquent que l’Univers est vieux de 13,82 milliards d’années (avec une précision de 1%), il est composé de 73 % d’énergie sombre, 23 % de matière sombre froide, et de seulement 4 % d’atomes. Il est actuellement en expansion au taux de 71 km/s/Mpc (avec une précision de 5 %). Il est passé par des épisodes d’expansion rapide appelés inflation et grandira pour toujours.
Crédit: Équipe scientifique WMAP, NASA

Notion des masses en présence

La masse de notre Galaxie équivaut à environ 40 milliards de masses solaires. Il y a environ 5 milliards d’années la matière présente dans l’espace de notre système solaire se condensa à partir d’un nuage de  poussières  et  de  gaz. La quasi   totalité du nuage disparut pour faire place au Soleil, les planètes étant un résidu du notre système stellaire. En effet le Soleil a capturé plus de 99% de la masse totale du système Solaire original. Jupiter la plus grosse poussière de notre système  contient  plus de matière  que  l’ensemble des planètes, satellites, astéroïdes, comètes, poussières et gaz qui constituent le reste du système solaire. Ensemble le Soleil et Jupiter se sont attribués 99,9 % de la masse du système.La masse de la Terre équivaut à 0,3% de la masse de Jupiter et la masse de Vénus à 0,2%. Malgré tout, c’est sur cette masse matérielle ridiculement petite qu’est venue se poser la VIE.

Image : Dans le système solaire, le Soleil a capté 99,86% de la masse totale de la poussière et du gaz de la nébuleuse originelle. Jupiter, la plus grosse planète du système, a capté 71% de la masse restante. Les autres planètes se sont partagées le résidu de cette évolution gravitationnelle, c’est à dire 0,038% de la masse totale.

Information reprise sur http://www.astronoo.com/