Une histoire de la théorie du Big Bang

Vous n’êtes pas sans savoir que notre univers est en expansion et il y a fort à parier que vous avez déjà entendu parler de la théorie du Big Bang. Ce que vous ignorez peut-être, en revanche, c’est l’histoire qui se cache derrière cette théorie. Dans une récente vidéo, David Louapre, de la chaîne Science étonnante, nous parle de la genèse de la théorie du Big Bang.

Il y a fort fort longtemps, bien avant les pandémies, la 5G, et même la vie, tout le cosmos était condensé dans un point unique, une singularité dans laquelle tout était infini : la densité, la pression, la température. Nous sommes alors il y a environ 13,8 milliards d’années, un temps que non seulement les moins de vingt ans ne peuvent pas connaître, mais que même la physique est incapable de décrire. 

Le plus loin que soit capable de remonter la physique, c’est dans la première fraction de seconde qui suit le Big Bang (t = 10-43s). Au-delà de cette limite, nos modèles théoriques ne fonctionnent plus. Cette limite, on l’appelle le Mur de Planck. 

Voir le monde en grand 

Pour admettre la possibilité d’une singularité dans laquelle tout est infini, pour admettre la théorie du Big Bang et faire apparaître dans les calculs que l’univers était en expansion, il a fallu remettre en question pas mal de choses dans la physique du XXème siècle. C’est sur ce point précis que David nous éclaire en nous expliquant comment les physiciens en sont arrivés à ces conclusions. 

Déjà, il faut savoir que l’idée que l’univers contient plusieurs galaxies n’est pas si vieille. Au début du XXe siècle, on admettait l’idée qu’il n’en existait qu’une, la nôtre, la Voie Lactée. Des débats sur la question ont été très animés jusqu’en 1925. Cette année-là, Edwin Hubble observe la nébuleuse M31, qui est située dans la constellation d’Andromède, et estime qu’elle est située à environ 2 millions d’années-lumière de nous. Pour info, le diamètre de notre propre galaxie est de 100 000 années-lumière.

On comprend donc à cette époque que l’univers est composé de plusieurs galaxies qui sont très éloignées les unes des autres. 

Le début du siècle marque aussi la publication d’une théorie très célèbre de l’histoire de la physique : la théorie de la relativité générale d’Einstein. Le très célèbre physicien à la langue tirée s’intéresse alors à la force de gravité. 

Que disait Einstein ? 

Pour faire simple, la théorie de la relativité générale nous explique que la gravitation n’est pas une force (contrairement à ce qu’on apprend encore aujourd’hui à l’école) mais bien une conséquence de la courbure de l’espace-temps. C’est la très fameuse image de la grille déformée que présente David Louapre dans sa vidéo : 

Source : La théorie du Big Bang, Science étonnante

Pour bien comprendre ce phénomène, on vous invite à lire notre article dédié au sujet : Relativité générale et espace courbe. 

Réfléchir dans le nouvel espace-temps

L’une des conséquences de l’existence de cet espace-courbe, c’est qu’il faut calculer les distances différemment. On se retrouve donc avec un ensemble de coefficients qui permettent de calculer les distances dans un espace courbe : la métrique de l’espace.

Nous nous concentrons ici sur la partie historique, mais le fonctionnement de ces coefficients et de la métrique de l’espace-temps est expliqué dans la vidéo de la chaîne Science étonnante.

Toujours est-il que, quelques années après la publication de la théorie de la relativité générale, en 1927,  l’abbé Georges Lemaître, un scientifique belge, décide d’appliquer les équations d’Einstein à l’univers tout entier. Il fait pour cela une simplification dans les équations d’Einstein et suppose que l’univers est homogène. 

Il admet donc dans ses calculs que l’espace-temps est le même partout et ne prend pas en compte le fait qu’il soit localement déformé par la présence de matière. Si l’espace-temps est homogène, alors la métrique est partout la même dans l’univers. En plus de cela, Lemaître part aussi du postulat que l’univers est le même dans toutes les directions. 

Plus demain qu’aujourd’hui, moins hier que demain 

En conséquence de ses calculs, Georges Lemaître trouve donc que le facteur d’échelle évolue au cours du temps, qu’il augmente. Cela implique donc que tout s’éloigne de tout. Et cela n’est pas dû au fait que les objets s’éloigneraient les uns des autres (les galaxies des galaxies par exemple) mais bien au fait que c’est la métrique même qui change, l’espace-temps qui se déforme. 

On parle alors d’expansion de l’univers. 

Autre figure importante de cette histoire, Edwin Hubble réalise des observations de nébuleuses et de galaxies en 1929 dont il mesure la distance et la vitesse d’éloignement. En accord avec les prédictions faîtes par Georges Lemaître, il constate qu’il existe une relation de proportionnalité. 

Plus la vitesse augmente, plus la distance augmente. Les galaxies s’éloignent donc les unes des autres de plus en plus vite. 

Sachant cela et étant capables de calculer à quel rythme elles s’éloignent les unes des autres, les physiciens sont également capables de calculer à quelle distance elles se trouveront dans le futur. 

Evolution du facteur d’échelle à travers le temps

Et donc, vous vous en doutez (peut-être), si on peut faire ce calcul en regardant vers l’avenir, on peut également le faire en regardant… vers le passé. C’est ce que fait Georges Lemaître en 1931. 

Et ainsi naquît le Big Bang

En remontant le fil du temps en sens inverse, il s’aperçoit qu’il y a 8 milliards d’années, les distances étaient la moitié de ce qu’elles sont aujourd’hui. Et plus on remonte en arrière, plus la densité et la température augmentent. C’est ainsi qu’on remonte jusqu’à 13,8 milliards d’années en arrière pour se rendre compte que la température et la densité étaient infinies et que toutes les distances valaient 0. 

Evolution du facteur d’échelle à travers le temps

C’est ainsi qu’on retrouve notre fameuse singularité que nos modèles théoriques sont incapables de décrire.

Y a-t-il eu un instant zéro ? A quelle période correspond exactement le Big Bang ? Comment les travaux de Georges Lemaître ont-ils été reçus par les autres physiciens ? 

Pour savoir tout cela, il vous faudra regarder la vidéo La Théorie du Big Bang et ça se passe sur la chaîne Science étonnante ! 

Fanny Aici

Petit zoom sur la gravitation

Vous lirez souvent le terme “force gravitationnelle” pour expliquer le fonctionnement de la gravitation. Et effectivement, le fait de traiter la gravitation comme une force fonctionne très bien dans une grande partie des cas pour expliquer et décrire les observations empiriques. 

Ce qu’on appelle la force gravitationnelle n’est en fait pas une force, mais l’effet de la courbure de l’espace-temps. Einstein nous a appris en 1915 avec sa théorie de la relativité générale (qui est une théorie générale de la gravitation) que la gravitation n’est pas une force en soi mais bien la manifestation de la courbure de l’espace-temps.

Edwin Hubble (1889-1953) est un astronome américain. Il est particulièrement célèbre pour son travail sur la relation entre la distance des galaxies et leur vitesse d’éloignement, qui est à l’origine du concept d’expansion de l’univers. Il est si bien passé à la postérité qu’un télescope a été nommé d’après lui, le télescope Hubble. Allez regarder quelques-unes de ses images, on peut vous assurer que ça vaut le détour ! 

Georges Lemaître (1894-1966) est un astronome et physicien belge qui est devenu célèbre notamment pour ses travaux présentés plus haut. La loi de Hubble-Lemaître, selon laquelle les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse approximativement proportionnelle à leur distance, a très longtemps été appelée la loi de Hubble. Ce n’est qu’en 2018, suite à un vote à la 30e assemblée générale de l’Union astronomique internationale, que la priorité de Lemaître sur Hubble a été officiellement reconnue dans la découverte de la loi de l’expansion de l’univers.