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Qu’est-ce que la théorie du Big Bang?

La théorie du Big Bang est la principale explication sur la façon dont l’univers a commencé. Dans sa forme la plus simple, il dit que l’univers tel que nous le connaissons a commencé avec une petite singularité, puis s’est gonflé au cours des 13,8 milliards d’années suivants vers le cosmos que nous connaissons aujourd’hui.

Parce que les instruments actuels ne permettent pas aux astronomes de regarder la naissance de l’univers, une grande partie de ce que nous comprenons à propos de la théorie du Big Bang provient de formules et de modèles mathématiques. Les astronomes peuvent cependant voir «l’écho» de l’expansion à travers un phénomène connu sous le nom de fond cosmique de micro-ondes.

Alors que la majorité de la communauté astronomique accepte la théorie, certains théoriciens ont des explications alternatives en plus du Big Bang – comme l’inflation éternelle ou un univers oscillant.

L’expression «Big Bang Theory» est populaire parmi les astrophysiciens depuis des décennies, mais elle a frappé le grand public en 2007 lorsqu’une émission humoristique du même nom a été créée sur CBS. L’émission a suivi la vie familiale et académique de plusieurs chercheurs (dont un astrophysicien) et s’est terminée en 2019.

La première seconde et la naissance de la lumière

Dans la première seconde après le début de l’univers, la température environnante était d’environ 10 milliards de degrés Fahrenheit (5,5 milliards de Celsius), selon la NASA. Le cosmos contenait un vaste éventail de particules fondamentales telles que des neutrons, des électrons et des protons. Ceux-ci se décomposent ou se combinent à mesure que l’univers se refroidit.

Cette soupe précoce aurait été impossible à regarder, car la lumière ne pouvait pas la transporter à l’intérieur. « Les électrons libres auraient provoqué la dispersion de la lumière (photons) de la même manière que la lumière du soleil se disperse à partir des gouttelettes d’eau dans les nuages », a déclaré la NASA. Au fil du temps, cependant, les électrons libres se sont rencontrés avec des noyaux et ont créé des atomes neutres. Cela a permis à la lumière de briller pendant environ 380 000 ans après le Big Bang.

Parfois appelée la «rémanence» du Big Bang, cette lumière est plus connue sous le nom de fond cosmique micro-ondes (CMB). Il a été prédit pour la première fois par Ralph Alpher et d’autres scientifiques en 1948, mais n’a été découvert que par accident près de 20 ans plus tard.

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Arno Penzias et Robert Wilson, tous deux de Bell Telephone Laboratories à Murray Hill, New Jersey, construisaient un récepteur radio en 1965 et captaient des températures plus élevées que prévu, selon la NASA. Au début, ils pensaient que l’anomalie était due aux pigeons et à leurs excréments, mais même après avoir nettoyé le désordre et tué les pigeons qui tentaient de se percher à l’intérieur de l’antenne, l’anomalie a persisté.

Simultanément, une équipe de l’Université de Princeton (dirigée par Robert Dicke) tentait de trouver des preuves du CMB et se rendit compte que Penzias et Wilson étaient tombés dessus. Les deux groupes ont chacun publié des articles dans l’Astrophysical Journal en 1965.

L’âge de l’univers

Le fond cosmique des micro-ondes a été observé lors de nombreuses missions. L’une des missions spatiales les plus célèbres était le satellite Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA, qui a cartographié le ciel dans les années 1990.

Plusieurs autres missions ont suivi les traces de COBE, comme l’expérience BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA et le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne.

Les observations de Planck, publiées pour la première fois en 2013, ont cartographié l’arrière-plan avec des détails sans précédent et ont révélé que l’univers était plus ancien qu’on ne le pensait: 13,82 milliards d’années, plutôt que 13,7 milliards d’années. La mission de l’observatoire de recherche se poursuit et de nouvelles cartes du CMB sont publiées périodiquement.

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Les cartes donnent lieu à de nouveaux mystères, cependant, comme pourquoi l’hémisphère sud apparaît légèrement plus rouge (plus chaud) que l’hémisphère nord. La théorie du Big Bang dit que le CMB serait à peu près le même, peu importe où vous regardez.

L’examen du CMB donne également aux astronomes des indices sur la composition de l’univers. Les chercheurs pensent que la majeure partie du cosmos est composée de matière et d’énergie qui ne peuvent pas être «détectées» avec nos instruments conventionnels, ce qui conduit aux noms de «matière noire» et «d’énergie noire». Seulement 5% de l’univers est composé de matière telle que des planètes, des étoiles et des galaxies.

Faibles signaux de l’inflation de l’univers

Alors que les astronomes ont pu voir les débuts de l’univers, ils ont également cherché la preuve de son inflation rapide à l’aide d’ondes gravitationnelles, de minuscules perturbations dans l’espace-temps qui ondulent vers l’extérieur à cause de grandes perturbations comme, par exemple, la collision de deux trous noirs ou la naissance de l’univers.

La théorie dit que dans la première seconde après la naissance de l’univers, notre cosmos a gonflé plus vite que la vitesse de la lumière. (Cela, en passant, ne viole pas la limite de vitesse d’Albert Einstein. Il a dit un jour que la vitesse de la lumière est la vitesse la plus rapide que tout ce qui peut voyager dans l’univers – mais cette déclaration ne s’appliquait pas à l’inflation de l’univers lui-même.)

Au fur et à mesure que l’univers s’est développé, il a créé le CMB et un «bruit de fond» similaire composé d’ondes gravitationnelles qui, comme le CMB, devraient être une sorte de statique détectable de toutes les parties du ciel. Ces ondes gravitationnelles, selon la collaboration scientifique LIGO, ont produit une polarisation théorisée à peine détectable, dont un type est appelé «modes B».

En 2014, des astronomes ont déclaré avoir trouvé des preuves de modes B à l’aide d’un télescope antarctique appelé «Imagerie de fond de la polarisation extragalactique cosmique» ou BICEP2.

«Nous sommes très convaincus que le signal que nous voyons est réel et qu’il se trouve dans le ciel», a déclaré le chercheur principal John Kovac, du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, à 45secondes.fr en mars 2014.

Mais en juin, la même équipe a déclaré que leurs découvertes auraient pu être modifiées par la poussière galactique qui gênait leur champ de vision. Cette hypothèse était étayée par de nouveaux résultats du satellite Planck.

En janvier 2015, les chercheurs des deux équipes travaillant ensemble « ont confirmé que le signal Biceps était principalement, sinon tout, de la poussière d’étoile », a déclaré le New York Times.

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)

Cependant, les ondes gravitationnelles ont maintenant été confirmées. Ces ondes, qui ne sont pas des modes B de la naissance de l’univers mais plutôt des collisions plus récentes de trous noirs, ont été détectées à plusieurs reprises par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) depuis 2016. À mesure que le LIGO devient plus sensible, on prévoit que la découverte d’ondes gravitationnelles liées aux trous noirs sera un événement assez fréquent.

Gonflage plus rapide, multivers et planification du départ

L’univers n’est pas seulement en expansion, mais il devient plus rapide à mesure qu’il se gonfle. Cela signifie qu’avec le temps, personne ne pourra repérer d’autres galaxies depuis la Terre, ou tout autre point d’observation dans notre galaxie.

« Nous verrons des galaxies lointaines s’éloigner de nous, mais leur vitesse augmente avec le temps », a déclaré l’astronome de l’Université Harvard Avi Loeb dans un article de 45secondes.fr en mars 2014.

« Donc, si vous attendez assez longtemps, finalement, une galaxie lointaine atteindra la vitesse de la lumière. Ce que cela signifie, c’est que même la lumière ne pourra pas combler le fossé qui s’ouvre entre cette galaxie et nous. Il n’y a aucun moyen pour extraterrestres sur cette galaxie pour communiquer avec nous, pour envoyer tous les signaux qui nous atteindront, une fois que leur galaxie se déplacera plus vite que la lumière par rapport à nous. « 

Certains physiciens suggèrent également que l’univers que nous expérimentons n’est qu’un parmi tant d’autres. Dans le modèle «multivers», différents univers coexisteraient comme des bulles côte à côte. La théorie suggère que dans cette première grande poussée d’inflation, différentes parties de l’espace-temps se sont développées à des rythmes différents. Cela aurait pu découper différentes sections – différents univers – avec des lois potentiellement différentes de la physique.

«Il est difficile de construire des modèles d’inflation qui ne conduisent pas à un multivers», a déclaré Alan Guth, physicien théoricien au Massachusetts Institute of Technology, lors d’une conférence de presse en mars 2014 concernant la découverte des ondes gravitationnelles. (Guth n’est pas affilié à cette étude.)

« Ce n’est pas impossible, donc je pense qu’il y a certainement encore des recherches à faire. Mais la plupart des modèles d’inflation mènent à un multivers, et les preuves de l’inflation nous pousseront à prendre [the idea of a] multivers au sérieux. « 

Bien que nous puissions comprendre comment l’univers que nous voyons est né, il est possible que le Big Bang n’ait pas été la première période inflationniste que l’univers a connue. Certains scientifiques pensent que nous vivons dans un cosmos qui passe par des cycles réguliers d’inflation et de déflation, et que nous vivons simplement dans l’une de ces phases.

La théorie du Big Bang: faire de la théorie scientifique une expression courante

Tournant 279 épisodes sur 12 saisons, l’émission CBS « The Big Bang Theory » a suivi un groupe de scientifiques – à l’origine, tous des physiciens, astrophysiciens et ingénieurs aérospatiaux – et leurs amitiés ringardes et querelles à Pasadena, en Californie. Sa première saison a été créée le 24 septembre 2007 et l’émission s’est officiellement terminée le 16 mai 2019.

Bien que l’émission elle-même n’ait pas approfondi une grande partie de la physique derrière la théorie du Big Bang elle-même, les showrunners ont embauché l’astrophysicien de l’UCLA David Saltzberg en tant que consultant scientifique pour toute la série de l’émission, selon le magazine Science. Cela signifiait que le jargon scientifique, fréquemment jeté dans les scènes d’ouverture de la série et saupoudré dans la vie des personnages, était revu par un véritable scientifique. Parce que les personnages sont immergés dans le milieu universitaire, Saltzberg a déclaré à Science, cela a ajouté à la représentation réaliste de leur vie.

De plus, grâce à Saltzberg, les tableaux blancs à l’arrière-plan des laboratoires, des bureaux et des appartements tout au long du salon étaient remplis d’une variété d’équations et d’informations de pointe et parfois dignes d’intérêt. Au cours de l’émission, a déclaré Saltzberg, ces tableaux blancs sont devenus un espace convoité car les chercheurs lui ont envoyé de nouveaux travaux qu’ils espéraient y présenter. Dans un épisode, a rappelé Saltzberg, de nouvelles preuves d’ondes gravitationnelles ont été griffonnées sur un tableau blanc qui appartenait apparemment au célèbre physicien Steven Hawking, qui a également approuvé le texte.

Le spectacle a pris quelques libertés en inventant de nouveaux concepts scientifiques, et avec la politique des prix Nobel et du milieu universitaire, selon le physicien du Laboratoire Fermi Don Lincoln. Mais en fin de compte, a déclaré Lincoln, ce qui lui semblait le moins fidèle, c’était la scène où les personnages recevaient des billets d’avion pour visiter un autre laboratoire non pas dans des sièges d’autocar, où de nombreux vrais scientifiques se crispent les jambes, mais en Economy Plus.

Notamment, plusieurs personnages de la série font des voyages. Un épisode voit les personnages principaux Leonard, Sheldon, Raj et Howard se lancer dans une expédition de recherche dans l’Arctique – de nombreuses expériences de physique sont mieux réalisées dans ou à proximité des environnements extrêmes des pôles. Un autre a mis l’ingénieur aérospatial Howard sur un vaisseau spatial russe Soyouz et un modèle de la Station spatiale internationale avec l’astronaute réel Mike Massimino.

Cet article a été mis à jour le 17 mai 2021 par la contributrice de 45secondes.fr, Vicky Stein.

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