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Les premières secondes du Big Bang: ce que nous savons et ce que nous ne savons pas

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: opinions et idées.

Croyez-le ou non, les physiciens tentent de comprendre l’univers alors qu’il n’avait que quelques secondes.

Mais la situation ici est complexe, c’est le moins qu’on puisse dire, et bien que nous ayons fait des progrès significatifs, il reste encore beaucoup à apprendre. De la miniature trous noirs aux interactions exotiques, l’univers infantile était un endroit très animé.

L’univers: du Big Bang à maintenant en 10 étapes faciles

Les connus connus

Commençons par le cadre général. Il y a 13,77 milliards d’années, notre univers était incroyablement chaud (une température de plus d’un quadrillion de degrés) et incroyablement petit (environ la taille d’une pêche). Les astronomes soupçonnent que, lorsque notre cosmos avait moins d’une seconde, il a traversé une période d’expansion incroyablement rapide, connue sous le nom de inflation.

Cet événement d’inflation était peut-être l’époque la plus transformatrice de l’histoire de notre univers. En moins d’un clin d’œil, notre univers est devenu incroyablement plus grand (agrandi d’un facteur d’au moins 10 ^ 52). Lorsque cette phase d’expansion rapide s’est terminée, ce qui a causé l’inflation en premier lieu (nous ne savons pas quoi) s’est décomposé, inondant l’univers de matière et de rayonnement (nous ne savons pas comment).

Quelques minutes plus tard (littéralement), les premiers éléments ont émergé. Avant cette époque, l’univers était trop chaud et trop dense pour que quelque chose de stable puisse se former – c’était juste un mélange géant de quarks (les éléments constitutifs fondamentaux des noyaux atomiques) et de gluons (les porteurs de la forte force nucléaire). Mais une fois que l’univers avait une bonne dizaine de minutes, il s’était suffisamment étendu et refroidi pour que les quarks puissent se lier, formant les premiers protons et neutrons. Ces protons et neutrons ont produit les premiers hydrogène et hélium (et un peu de lithium), qui ont continué des centaines de millions d’années plus tard à construire les premières étoiles et galaxies.

Depuis la formation des premiers éléments, l’univers s’est simplement dilaté et refroidi, devenant finalement un plasma, puis un gaz neutre.

Bien que nous sachions que cette histoire générale est correcte, nous savons également qu’il nous manque beaucoup de détails, en particulier dans la période précédant la formation des premiers éléments. Certaines physiques géniales ont peut-être fonctionné lorsque l’univers n’avait que quelques secondes, et cela dépasse actuellement notre compréhension théorique – mais cela ne nous empêche pas d’essayer.

Ce graphique montre une chronologie de l'univers basée sur la théorie du Big Bang et les modèles d'inflation.

Ce graphique montre une chronologie de l’univers basée sur la théorie du Big Bang et les modèles d’inflation. (Crédit d’image: NASA / WMAP)

Les inconnues connues

Un document paru récemment dans le journal de pré-impression arXiv, et accepté pour publication dans The Open Journal of Astrophysics, présente certains des scénarios les plus exotiques de l’univers très précoce.

Par exemple, il y a toute la question sur matière noire. Nous ne savons pas de quoi est faite la matière noire, mais nous savons qu’elle est responsable de plus de 80% de la matière dans l’univers. Nous avons une histoire bien comprise sur l’origine de la matière normale dans la soupe chaude et dense du cosmos primitif, mais nous n’avons aucune idée de quand ni comment la matière noire est entrée en scène. Est-il apparu dans les premières secondes? Ou bien plus tard? Cela a-t-il gâché la chimie cosmique qui a conduit aux premiers éléments, ou est-il resté en arrière-plan?

On ne sait pas.

Ensuite, il y a l’inflation elle-même. Nous ne savons pas ce qui a fourni la source d’alimentation de l’incroyable événement d’expansion, nous ne savons pas pourquoi cela a duré autant de temps et nous ne savons pas ce qui l’a finalement arrêté. Peut-être que l’inflation a persisté plus longtemps que nous ne l’avions supposé et a fait connaître sa présence pendant une seconde entière, plutôt que la petite fraction que nous supposions.

En voici une autre: il y a cette épine massive sur le côté de chaque cosmologue connu sous le nom de asymétrie matière-antimatière. Nous voyons à partir d’expériences que la matière et l’antimatière sont parfaitement symétriques: pour chaque particule de matière créée lors de réactions à travers l’univers, il y a aussi une particule d’antimatière correspondante. Mais quand nous regardons autour du cosmos, nous voyons des tas et des tas de matière normale et pas une goutte de antimatière aperçu. Quelque chose d’énorme a dû se produire dans les premières secondes de l’existence de l’univers pour rompre cet équilibre. Mais quant à savoir qui ou quoi était responsable, et le mécanisme exact, nous ne sommes pas sûrs.

Et si la matière noire, l’inflation et l’antimatière n’étaient pas suffisantes, il est également possible que l’univers primitif ait fabriqué un flot de petits trous noirs. Les trous noirs dans le cosmos actuel (c’est-à-dire les 13 derniers milliards d’années) proviennent tous de la mort d’étoiles massives. Ce sont les seuls endroits où la densité de matière peut atteindre les seuils critiques nécessaires pour déclencher la formation de trous noirs. Mais dans l’univers exotique primitif, des zones aléatoires du cosmos ont peut-être atteint une densité suffisante, déclenchant la création de trous noirs sans avoir à passer par toute la formation d’étoiles au préalable. Peut-être.

Images: Trous noirs de l’univers

Creuser plus profond

Alors que notre théorie du Big Bang est étayée par une multitude de données d’observation, il existe de nombreux mystères pour satisfaire la curiosité de générations de cosmologistes. Heureusement, nous ne sommes pas complètement aveugles lorsque nous essayons d’étudier cette époque primitive.

Par exemple, même si nous ne pouvons pas voir directement l’état de l’univers alors qu’il n’avait que quelques secondes, nous pouvons essayer de recréer ces conditions dans nos puissants collisionneurs de particules. Ce n’est pas parfait, mais cela peut au moins nous apprendre la physique de ces types d’environnements.

Nous pouvons également rechercher les indices laissés par les premières secondes. Tout ce qui se passait alors aurait laissé sa marque sur l’univers ultérieur. Changer la quantité de matière noire ou une inflation persistante perturberait la création d’hydrogène et d’hélium, ce que nous pouvons mesurer aujourd’hui.

Et l’univers est passé d’un plasma à un gaz neutre à l’âge de 380 000 ans. La lumière libérée a alors persisté sous la forme du fond de micro-ondes cosmique. Si l’univers faisait éclater un tas de petits trous noirs, ils affecteraient ce modèle de lumière rémanente.

Nous pourrions même espérer observer cette époque directement. Pas avec la lumière, mais avec ondes gravitationnelles. Cet enfer chaotique a dû libérer un torrent d’ondulations dans le tissu de l’espace-temps, qui – comme le fond cosmique des micro-ondes – aurait survécu jusqu’à nos jours. Nous n’avons pas encore la capacité technologique d’observer directement ces ondes gravitationnelles, mais chaque jour nous nous rapprochons.

Et peut-être que lorsque nous le ferons, nous aurons un aperçu de l’univers du nouveau-né.

Apprendre encore plus: « Les trois premières secondes: un examen des histoires d’expansion possibles du premier univers« 

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