L’univers dans lequel nous vivons arbore énormément de mystères et d’énigmes qui, bon nombre d’entre eux, demeurent toujours  sans réponses. Vous avez certainement entendu parler de plusieurs concepts d’astrophysique et de physique théorique qui deviennent de plus en plus en vogue. (voir nos articles sur les trous noirs). Mais avez-vous réellement conscience de l’immensité de l’univers, de son commencement ainsi que de son fonctionnement.

Accrochez vos cerveaux  et par-dessus tout, essayez de faire preuve d’imagination. Albert Einstein a toujours dit que l’imagination est une qualité prépondérante dans tous ce que nous entreprenons. Le sujet abordé dans cet article en requerra énormément.

Le commencement de toute chose

Le modèle cosmologique le plus accepté est celui du « Big Bang ». Il ya environ plus de 13milliards d’années (ce qui représente l’âge de l’univers), une singularité primordiale ou initiale contenait l’ensemble de la matière, peu importe sa nature (nous explorerons ce point en détail). Toute cette matière était donc extrêmement compressée en un point minuscule semblable aux singularités hypothétiquement retrouvées au cœur des trous noirs. 

L’univers aurait vu le jour suite à une dilatation rapide du contenu de cette singularité, ce n’est donc pas une simple explosion au bon sens du terme.

L’évolution de l’univers

Notre description de la naissance de l’Univers ne peut pas commencer exactement au temps zéro. Si nous repassons le film du Big Bang à l’envers, plus nous nous rapprochons de la naissance de l’Univers, plus sa température et sa densité sont élevées. Ainsi, les conditions deviennent de plus en plus extrêmes et les lois de la physique doivent être extrapolées dans des domaines que nos accélérateurs de particules (comme le LHC) ne sont pas capables de reproduire.

L’extrapolation de la physique connue montre que ces conditions extrêmes ont régné lorsque l’Univers était âgé de moins de 10^-43seconde, le temps de Planck. Toute la période qui précède, baptisée l’ère de Planck, nous est donc inaccessible.

La grande unification

Beaucoup de scientifiques pensent que les quatre forces fondamentales (interaction faible / forte, la gravité, la force électromagnétique) étaient unifiées en une seule et unique force à un moment donné. Les conditions étaient si extrêmes qu’on pense que ces quatre forces n’en faisaient en fait qu’une seule. Avec le temps, l’univers s’est refroidi, les forces se seraient séparées, l’une après l’autre. Cette phase pourrait être à l’origine de la baryogenèse, ainsi éventuellement que de la matière noire, dont la nature exacte reste inconnue.Cette étape serait de 10^-43 à 10^-36 seconde.

L’inflation

Cette étape extrêmement courte, de 10^-36 à 10^-32 secondes, est d’une importance substantielle afin d’expliquer l’homogénéité de l’univers dans toutes les directions (isotrope). Selon les scientifiques l’univers serait trop jeune pour pouvoir atteindre l’état de maturité cosmologique actuel et il devrait être beaucoup plus âgé qu’il ne l’est actuellement pour atteindre ce stade de stabilité. Cette problématique est connue sous le nom de « problème de l’horizon » ; indiquant que certaines régions de l’univers sont si éloignées qu’il semblerait qu’elles n’aient jamais pu échanger d’information depuis le Big Bang.

En théorie, une période d’expansion incroyablement rapide, appelée inflation cosmique, aurait soufflé l’Univers plus vite que la vitesse de la lumière.

Matière et antimatière

Les scientifiques s’accordent sur le fait que la matière et l’antimatière existaient en quantités strictement identiques au début de l’Univers. Les observations actuelles indiquent que l’antimatière est quasiment absente dans l’univers observable. La présence de matières est donc le signe qu’à un moment donné s’est formé un léger excès de matière par rapport à l’antimatière. Lors de l’évolution ultérieure de l’Univers, matière et antimatière se sont annihilées en quantités strictement égales, laissant derrière elles le très léger surplus de matière qui s’était formé. Comme la matière ordinaire est formée de particules appelées baryons (particules élémentaires comme les protons et les neutrons), la phase où cet excès de matière s’est formé est appelée baryogenèse.

Nucléosynthèse

Cette étape aurait duré de trois à vingt minutes après le début de l’Univers. Il y avait tout un océan de proton, électrons et neutrons répartit d’une manière anarchique. Suite au refroidissement progressif de l’Univers les protons et les neutrons purent se combiner pour former des noyaux atomiques simples, principalement de l’hydrogène qui était le plus répandu, d’hélium et un peu de lithium. Un processus appelé « nucléosynthèse ». A cause de la chaleur encore prépondérante qui régnait,un nombre important d’électrons étaient encore libres ce qui empêchait la circulation de photons.

Au-delà de 380 000 ans

A ce stade la température de l’univers était suffisamment propice pour permettre aux électrons de s’assembler aux noyaux atomiques. Ainsi, la lumière a enfin pu se déplacer librement, c’est cette même lumière que nous pouvons encore voir aujourd’hui et elle a été étirée par l’expansion de l’univers et c’est ce que les scientifiques surnomment le fond diffus cosmologique.

Les premières étoiles ont commencé à se former à partir de 180 millions d’années. La matière à ce stade était encore concentrée et il en résulte la formation d’étoiles très denses et volumineuses allant jusqu’à 1000 masses solaires. Ces étoiles primordiales avaient un impact important sur l’évolution de l’Univers car elles permettaient la fusion de l’hydrogène en abondance.Au cœur de ces fournaises célestes, de nouveaux éléments furent créés, avant d’être libérés (en explosant en supernovæ) dans l’Univers et recyclés en nouvelles étoiles et finalement en planètes.

Les toutes premières galaxies quant à elles ont vu le jour 500 millions d’années après le Big Bang. Lorsque les premières étoiles explosent, certaines laissent derrière elles des trous noirs qui grandissent en fusionnant et en absorbant de la matière. Autour de ces trous noirs se regroupe toujours plus de gaz suite à leur formidable gravité, et un système d’étoiles se forme. Ce sont les premières galaxies, d’à peine quelques centaines d’années-lumière de diamètre, mais très denses. Ces galaxies primordiales fusionnent les unes avec les autres pour devenir les galaxies plus grandes que nous connaissons aujourd’hui.

La naissance de notre galaxie : la voie lactée

Personne ne peut réellement déterminer le déroulement de la naissance de notre galaxie. Mais étant de taille considérable, notre galaxie a certainement été engendrée suite à une collision d’une ou plusieurs galaxies primordiales. Le système binaire (deux étoiles en orbite) le plus ancien dans la voie lactée est celui de 2MASS J18082002−5104378. Son âge est estimé à environ 13,53 milliards d’années ce qui nous donne un âge minimum concernant notre galaxie. Cette étoile est tellement ancienne qu’elle serait composée de matière provenant directement du Big Bang.

Nous verrons prochainement quels sont les preuves et observations scientifiques qui jouent en faveur du Big Bang. Le devenir de l’univers sera abordé également comme sujet.

Références:

https://www.nature.com/articles/srep35596

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aadd97/meta

https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2016/01/aa27456-15/aa27456-15.html

http://adsabs.harvard.edu/abs/1927ASSB…47…49L

https://arxiv.org/pdf/hep-th/0702178.pdf

https://arxiv.org/abs/astro-ph/9801320

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2014/08/039/meta

http://adsabs.harvard.edu/abs/2013arXiv1303.5062P

http://www.dogma.lu/txt/CM-MonsongesCosmologistes.htm

https://hub.jhu.edu/2018/11/05/scientists-find-star-with-big-bang-origins/