BIG BANG

naissance de l'univers

Terme inventé dans les années 1950 (au cours d'un programme de la BBC) par l'astrophysicien anglais Fred Hoyle pour désigner avec ironie le concept "d'explosion originelle" introduit dans le modèle cosmologique initialement développé dans les années 1920 par l'astrophysicien belge Georges Lemaître et le physicien russe Alexander Friedmann.

Dans le modèle de Friedmann et Lemaître, l'Univers ne semble pas avoir éternellement existé dans le passé et il existe une singularité initiale, qui est souvent décrite maladroitement comme une sorte d'explosion, ce qui inspira Hoyle. Mais la prédiction physique importante de cette première version du modèle est l'existence d'une phase d'expansion de l'Univers, idée qui fut soutenue dès 1929 par les observations de l'américain Edwin Hubble. Dans les années 1940, la description physique précise de cette phase d'expansion débuta réellement, sous l'impulsion de l'américain d'origine russe George Gamow. Celui-ci prédit théoriquement l'existence d'une phase primordiale durant laquelle l'Univers était un objet extrêmement dense, chaud et opaque (prédictions soutenues dès 1965 par l'observation accidentelle du rayonnement cosmologique de fond par les américains Arno Penzias et Robert Wilson). C'est pour décrire de manière provocante ce modèle cosmologique concurrent du sien (le modèle dit "de l'Univers stationnaire") que le terme de Big-Bang fut introduit par Hoyle.

Alors qu'il ne portait initialement que sur "l'instant 0", le terme Big-Bang est désormais souvent utilisé pour décrire le modèle cosmologique standard actuel dans son intégralité. Ainsi, l'expression "modèle standard du Big-Bang" fait référence à un modèle cosmologique en perpétuelle évolution, mais reposant sur le modèle de Friedmann-Lemaître-Gamow (auquel on ajoute parfois les noms des américains Howard Robertson et Arthur Walker) et incorporant divers autres éléments, telle une phase dite "d'inflation".

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Du BIG BANG à la Galaxie

A l'heure actuelle, et malgré le développement technologique acquis par notre civilisation, personne ne peut décrire de façon catégorique ce qui s'est passé à cet instant ni ce qu'il y'avait avant. Les théories mathématiques et physiques constituent le seul recours utilisé pour l'explication des phénomènes encourus pendant cet instant et les instants d'après ( théorie de supersymètrie, supercordes, la théorie M qui se veut regrouper les cinq théories des cordes en une seule...). 

Simplifions les choses en disant qu'à cet instant l'univers avait une dimension très largement inférieure à 10^-33cm de diamètre(10 millions de milliards de fois plus petit qu'un atome d'hydrogène), la température qui reignait dans cet univers infiniment petit est impossible à quantifier tellement elle est gigantesque. La matière n'existait pas sous sa forme actuelle, mais une agitation particulaire virtuelle (particules virtuelles) reignait dans cet univers minuscule. Les quatre intéractions fondamentales ou forces (gravitation, électromagnétique, nucléaire faible et nucléaire forte) sont unifiées en un tout appelé superforce(le TOUT). Et l'explosion fût.

Lintervalle de temps comprise entre l'instant t=0, s'il existe, et l'instant t=10^-43 s est appelée l'ère de Plank. 

A partir de cet instant appelé temps de Plank, les lois de la physique actuelle peuvent être appliquées, la raison en est la rupture de l'unification totale des intéractions (le TOUT) par la séparation de la force de gravitation des trois autres (qui sont encore en grande unification), ceci est dû à la décroissance de la densité d'énergie dans l'univers en pleine expansion (10^-33cm de diamètre) et de ce fait la diminution de la température qui atteint 10³²°K, les gravitons se libérèrent du TOUT, et la force de gravitation entre en action, la relativité générale pouvant ainsi être appliquée.
L'expansion de l'univers continue ainsi jusqu'à l'instant t=10^-38 s.

Pendant cet intervalle de temps, la température atteignit 10²⁸ °K, deux évènements majeurs se produisirent, le premier consista en une deuxième séparation qui mit fin à la grande unification en scindant la force électronucléaire en deux faisant apparaitre l'intéraction nucléaire forte. Une extraordinaire quantité d'énergie est injectée dans l'univers, dûe à la libération des gluons de la nucléaire forte, faisant naître le deuxième évènement de taille qui est l'accélération foudroyante de l'expansion de l'univers: l'inflation, qui débute à l'instant t=10^-35 s.

Durant cette période, l'univers acquit des dimensions gigantesques, l'accroissement des distances relatives de l'univers est de l'ordre de 10³⁵. Pour vous donner une idée, c'est comme si la grosseur d'un minuscule noyau atomique passait à une sphère de 4 années lumière de rayon(~40.10¹² Km), dans le cas réel, l'univers acquit la taille d'une pomme, puisqu'il était des billions de fois plus petit qu'un noyau atomique. Ce phénomène parait incohérent avec la loi de la relativité (qui dit : Rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière), or il ne s'agit pas là d'un déplacement d'un corps d'un point à un autre, mais de la dilatation de l'espace lui-même, engendrant ainsi une augmentation astronomique de la distance entre les particules sans que celles-ci se déplacent. La température baissa énormément et tomba à 10²⁵ °K.

Ce gigantisme accompagné de l'apport énergétique énorme de la nucléaire forte lors de sa séparation de la grande unification favorisa l'apparition de particules ordinaires en rompant l'équilibre de la supersymètrie, en effet, sur 10⁹ antiparticules, surgiraient de l'agitation 10⁹ +1 particules, c'est ce qu'on appelle la brisure de symètrie grâce à laquelle apparurent les quarks et se multiplièrent, annonçant ainsi l'apparition de la matière.

A ce stade de la vie de l'univers et jusqu'à l'instant t= 10^-12 s, nous avons:

• un retour à une expansion normale après la fin de l'inflation.
• une baisse continue de la densité d'énergie. De 10²⁵ °K, la température passa progressivement à 10¹⁵ °K.
• Deux forces d'interactions actives et influentes, la gravitation par ses gravitons et la nucléaire forte par ses gluons, alors que bosons (W et Z) et photons sont encore indiscernables agissant au sein de l'union de l'électrofaible( électromagnétique et nucléaire faible).
• Une agitation particulaire entre quarks et antiquarks qui s'anihilèrent -pour la plupart entre eux-, mais favorisant la particule au détriment de l'anti-particule. Le nombre de quarks grandit prodigieusement laissant la matière prendre le pas sur l'anti-matière.

 A cet instant l'univers a atteint  3.10⁸ Km de diamètre, son rayon est égal à la distance Terre-soleil, soit une unité astronomique (U.A). Avec une température de 10¹⁵ °K, l'intéraction électrofaible arrive à se scinder en deux, libérant dans une ultime séparation la force électromagnétique et la force nucléaire faible. Ainsi pour la première fois depuis "le grand BOUM", les quatre forces naturelles sont distinctes l'une de l'autre, et les bosons vecteurs agissent chacun dans son domaine.

D'autres types de particules sensibles à l'interaction faible virent le jour, fondant la famille des leptons et regroupant électron, muon, tau, et leurs neutrinos respectifs ( électron-neutrino, muon-neutrino, tau-neutrino). Chacune de ces particules possède son anti-particule.

La température est descendue à 10¹³ °K, le volume de l'univers est désormais égal au volume du système solaire actuel (10¹³ m de diamètre). Les quarks jusqu'ici assez énergiques pour exister à l'état isolé, deviennent "anémiés"' et subissent l'effet de l'interaction forte (gluons) et entrent en combinaisons hadroniques pour former les baryons (protons, neutrons)et les mésons.

La création des baryons s'arrète lorsque la température atteint 1.6.10¹² °K, et celle de tous les hadrons, mésons compris, à 10¹²°K(à 10^-4 s exactement) . On ne verra plus de production de particules. Les accélérateurs de particules actuels tels le L.H.C (Large Hadrons Collider) sont limités pour le moment à ces valeurs.

A ce stade de la vie de l'univers, en l'occurence l'instant  t= 10^-4 s, et jusqu'à l'instant t=1s, nous avons:

• Des baryons à l'état libre

 Dans quelques heures........................................................La suite