Le Big Bang PDF - Univers, Cosmologie, Théorie

Here's a markdown version of the text in the images, formatted with headings, lists and tables : ## 45 Le Big Bang La naissance de l'univers, dans une explosion phénoménale, créa l'espace, la matière et le temps tels que nous les connaissons. Prédit par les mathématiques de la relativité générale,...

Here's a markdown version of the text in the images, formatted with headings, lists and tables : ## 45 Le Big Bang La naissance de l'univers, dans une explosion phénoménale, créa l'espace, la matière et le temps tels que nous les connaissons. Prédit par les mathématiques de la relativité générale, le Big Bang se révèle également dans la fuite des galaxies, les proportions d'éléments légers présents dans l'univers et le fond diffus micro-onde qui baigne le ciel. Le Big Bang est l'explosion mère - celle par laquelle naquit l'univers. En regardant autour de nous aujourd'hui, nous voyons des signes de l'expansion de notre univers et en déduisons qu'il a dû être plus petit et plus chaud par le passé. Pousser ce raisonnement jusqu'à sa conclusion logique signifie que le cosmos dans son intégralité pourrait avoir trouvé son origine en un point unique. Au moment de l'ignition, espace, temps et matière furent tous créés ensemble dans une boule de feu cosmique. Très progressi-vement, en 14 milliards d'années, ce nuage bouillant et dense a enflé, s'est refroidi et a fini par se fragmenter pour donner les étoiles et les galaxies qui parsèment aujourd'hui les cieux. Ce n'est pas une blague L'expression <<< Big Bang >> fut en fait forgée pour tourner cette théorie en ridicule. L'éminent astronome britannique Fred Hoyle considérait comme absurde l'idée que l'univers tout entier puisse provenir d'un seul point. Dans une série de conférences diffusées pour la première fois en 1949, il se moquait d'une proposition tirée par les cheveux du mathématicien belge Georges Lemaître qui avait découvert une telle solution dans les équations de la relativité générale. Hoyle préférait, lui, croire à une vision plus durable du cosmos. Dans son univers <<< stationnaire », matière et espace étaient continuellement créés et détruits et pouvaient exister pour une durée indéterminée. Néanmoins, les éléments d'observation s'amassaient, et dans les années 1960, l'image statique de l'univers de Hoyle dut céder face au poids des éléments en faveur du Big Bang. L'univers en expansion Trois observations cruciales assurèrent le succès du modèle du Big Bang. La première est l'observation par Hubble dans les années 1920 de la récession des galaxies par rapport à la nôtre. Observées à une certaine distance, toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres comme si le tissu de l'espace-temps s'étendait et s'étirait, suivant la loi de Hubble. Une conséquence de cette expansion est qu'il faut à la lumière un petit peu plus de temps pour nous parvenir que si les distances étaient fixées. Cet effet apparaît sous la forme d'un décalage dans les fréquences de la lumière appelé décalage vers le rouge parce que la lumière reçue est plus rouge que la lumière émise par l'étoile ou la galaxie lointaine. Les décalages vers le rouge peuvent être utilisés pour calculer les distances astronomiques. Les éléments légers Si l'on remonte le temps jusqu'aux premières heures de l'univers, juste après le Big Bang, tout était concentré dans un bouillonnant chaudron surchauffé. Durant la première seconde, l'univers était si chaud et si dense que même les atomes n'étaient pas stables. À mesure qu'il grandit et se refroidit, une soupe de particules émergea, pleine de quarks, de gluons et d'autres particules fon-damentales (cf. page 144). Après seulement une minute, les quarks s'assemblèrent les uns avec les autres pour former protons et neutrons. Puis, dans les trois premières minutes, la chimie cosmique combina protons et neutrons en noyaux atomiques, selon leurs nombres respectifs. C'est à ce moment **(Réglez votre télévision sur n'importe quel canal qu'il ne reçoit pas environ 1% de la neige que vous voyez est aux vestiges du Big Bang. La prochaine fois que vous vous plaindrez qu'il n'y a rien à la télévision souvenez-vous que vous pouvez toujours regarder la naissance de l'univers. Bill Bryson, 2005** que les premiers éléments autres que l'hydrogène furent formés par fusion nucléaire. Une fois l'univers refroidi en deçà de la limite de fusion, aucun élément plus lourd que le béryllium ne pouvait plus être fabriqué. L'univers primordial regorgeait donc de noyaux d'hydrogène, d'hélium, de traces de deutérium (hydrogène lourd), de lithium et de béryllium créés par le Big Bang lui-même. Dans les années 1940, Ralph Alpher et Georges Gamow prédirent les proportions d'éléments légers produits par le Big Bang et leurs calculs ont été confirmés, jusque par les observations les plus récentes dans les étoiles à combustion lente et les nuages de gaz primitifs de notre Voie Lactée. ## Chronologie | Date | Événement | |---|---| | 1927 | Friedmann et Lemaître conçoivent la théorie du Big Bang | | 1929 | Hubble observe l'expansion de l'univers | | 1948 | Prédiction du fond diffus cosmologique | | |Calculs de la nucléosynthèse primordiale par Alpher et Gamow | | 1949 | Hoyle introduit le terme de <<< Big Bang >>> | | 1965 | Penzias et Wilson détectent le rayonnement du fond cosmologique | | 1992 | Le satellite cartographie le fond diffus cosmologique | ### Chronologie du Big Bang | Temps | Description | |---|---| | 13,7 milliards d'années [après le Big Bang] Aujourd'hui | (température, T = 2,726 kelvins) | | 200 millions d'années | <<< Re-ionisation » : les premières étoiles réchauffent et ionisent l'hydrogène gazeux (T = 50 K) | | 380 000 ans | <<< Recombinaison >> : l'hydrogène gazeux se refroidit et forme des molécules (T = 3 000 K) | | 10 000 ans | Fin de l'ère dominée par le rayonnement (T = 12 000 K) | | 1 000 secondes | Désintégration des neutrons isolés(T = 500 millions de kelvins) | | 180 secondes | <<<Nucléosynthèse >> : formation de l'hélium et d'autres éléments à partir de l'hydrogène (T = 1 milliard de kelvins) | | 10 secondes | Annihilation des paires électron-positron(T = 5 milliards de kelvins) | | 1 seconde | Découplage des neutrinos (T~ dix milliards de kelvins) | | 100 microsecondes | Annihilation des pions (T~ mille milliards de kelvins) | | 50 microsecondes | <<< Transition QCD >> : les quarks se lient en protons et neutrons (T~ deux mille milliards de kelvins) | | 10 picosecondes | <<< Transition électrofaible >> : les forcesélectromagnétique et nucléaire faible se séparent(T~1-2 millions de milliards de kelvins) | |Avant ce temps, les températures sont si élevées que notre connaissance de la physique est incertaine.| | ## Éclat micro onde Un autre des piliers soutenant la théorie du Big Bang fut la découverte en 1965 de l'écho, ténu, du Big Bang lui-même. Arno Penzias et Robert Wilson travaillaient sur un télescope radio au Bells Lab, lors-qu'ils furent intrigués par un faible bruit dont ils ne pouvaient se débarrasser. Il semblait qu'une source micro-ondes couvrît tout le ciel, correspondant à une température de quelques kelvins. Après en avoir parlé à l'astrophysicien Robert Dicke de université de Princeton, ils réalisèrent que leur signal correspondait aux prédictions de l'éclat du Big Bang. Ils étaient tombés sur la radiation micro-onde du fond cosmo-logique, une mer de photons, vestige du bouillant univers primordial. Dicke, qui avait construit une antenne radio similaire pour observer le fond diffus, se réjouit moins : <<< Mince, on s'est fait doubler! >>> lâcha-t-il. L'existence du fond diffus avait été prédite dans la théorie du Big Bang par George Gamow, Ralph Alpher et Robert Hermann en 1948. Même si des noyaux furent synthétisés dans les trois premières minutes, les atomes ne furent pas formés avant 400 000 ans. Les électrons chargés négativement finirent par se coupler aux noyaux chargés positivement pour former des atomes d'hydrogène et d'autres éléments légers. Le retrait des particules chargées, qui diffractaient et bloquaient la lumière, dispersa le brouillard et rendit l'univers transparent. Dès lors, la lumière put se propager librement à travers l'univers, nous permettant de voir jusque-là. Bien que le brouillard du jeune univers fût initialement chaud (~3000 K), l'expansion de l'univers l'a décalé vers le rouge si bien que nous le percevons aujourd'hui à une température inférieure à 3 K (trois degrés au-dessus du zéro absolu). C'est ce que Penzias et Wilson ont observé. Avec ces trois piliers intacts encore aujourd'hui, la théorie du Big Bang est largement acceptée par les astrophysiciens. Une poignée développe encore le modèle statique de Fred Hoyle, mais les observations y sont difficiles à expliquer. ## Passé et destinée Qu'y avait-il avant le Big Bang ? L'espace-temps ayant été créé par le Big Bang, cette question n'a pas vraiment de sens - un peu comme de demander: << où la Terre commence-t-elle ? » ou « qu'y a-t-il au nord du pôle nord?». Néanmoins, les spécialistes de physique mathématique explorent le déclenchement du Big Bang dans des espaces multidimen-sionnels (souvent à 11 dimensions) via les mathématiques de la théorie des cordes et de la théorie M. Ils considèrent la physique et les énergies des cordes et des membranes dans ces espaces multidimensionnels et incorporent des idées de physique des particules et de mécanique quantique pour voir comment peut se déclencher un tel événement. En faisant des liens avec des idées de physique quantique, certains cosmologistes s'inté-ressent également à l'existence d'univers parallèles. Dans le modèle du Big Bang, l'univers évolue. La destinée du cosmos est essentiellement dictée par le rapport entre la quantité de matière qui le maintient par gravité et les autres forces physiques qui tendent à le déchirer, dont l'expansion. Si la gravité l'emporte, alors il se peut qu'un jour il cesse son expansion et même s'effondre sur lui-même, finissant en un Big Bang inversé appelé <<< Big Crunch ». Les univers pourraient ainsi connaître plusieurs cycles de naissances et de morts. Si l'expansion et les autres forces répulsives (comme l'énergie noire) gagnent, elles finiront par disperser étoiles, galaxies et planètes et notre univers deviendra un désert sombre de trous noirs et de particules. Enfin, reste la possibilité d'un univers <<< Boucle d'Or », où les forces d'attraction et de répulsion s'équilibrent, et l'expansion se poursuit indéfiniment quoiqu'elle ralentisse peu à peu. C'est le plus probable d'après la cosmologie contemporaine : notre univers est juste comme il faut.**(Il y a un plan col dans l'univers, bien que je ne sache pas un plan de quoi. Fred Hoyle, 1915-2001.)** ## Idée clé L'explosion mère