Le Big Bang, l'espace, le temps et la matière

Le Big Bang, l’espace, le temps et la matière

Quelle est l’origine de la matière qui constitue notre environnement et nous-mêmes ? Quel est son âge ?

 

Deux métas théories semblent régir toutes les sciences depuis le premier quart du XXe siècle : la relativité générale et la mécanique quantique.

La mécanique quantique est dominante à l’échelle des particules. Elle intervient aussi dans tout système matériel dont la densité outrepasse celle de la matière ordinaire (comme dans les astres « dégénérés » et l’univers primordial).

La relativité générale décrit, elle, une interdépendance totale entre espace, temps et matière. L’espace et le temps y restent différents mais non indépendants et la matière-énergie y est coextensive (et reliée) à l’espace-temps. Ces présupposés de la théorie excluent par avance la question de l’avant et de l’autour de l’univers matériel. Théorie géométrique de la gravitation, la relativité générale devient dominante à grande échelle et donc pour la structuration de l’univers. La gravitation en effet, bien que la plus faible des 4 interactions, est à grande échelle celle qui domine, les interactions nucléaires étant à très courtes portées (10-15 m) et l’interaction électromagnétique s’y trouvant considérablement réduite par la neutralité électrique généralement présenté par les systèmes macroscopiques.

Comment la relativité générale du temps, de l’espace et de la matière a-t-elle donné très rapidement naissance à la cosmologie moderne ? Les équations de la relativité générale mettent en relation les variations de la géométrie de l’espace-temps au voisinage d’un point et celles du contenu matière-énergie au voisinage de ce point. Appliquée à une répartition homogène et immobile de matière que semble retrouver (approximativement) l’observation astronomique à très grande échelle, elle implique un espace à échelle variable. Les observations contraignent cette variabilité du « facteur d’échelle » : l’espace universel semble en expansion depuis un « commencement » il y a environ 15 milliards d’années. On désigne par « Big Bang » aussi bien la « singularité initiale » que l’ensemble de l’expansion.

Cet âge géométrique de l’Univers (~15 milliards d’années) se comptent en temps usuel. C’est du « temps de la montre » et il est le même pour tous les observateurs potentiels puisque les vitesses sont faibles par rapport à celle de la lumière. Il concorde de plus assez bien avec l’âge des plus vieilles étoiles observées. La théorie du Big Bang est aujourd’hui validée par bien des observations comme celles du rayonnement fossile et celles des abondances des éléments légers. Bien évidemment on peut s’interroger sur l’ensemble des démarches qui conduisent à cette chronologie.

L’Univers a-t-il vraiment son âge ?

Les validations de la théorie du Big Bang pour toute la période qui suit le premier milliardième de seconde sont un encouragement à utiliser cette théorie pour situer la physique en amont, voire celle du premier instant au cours duquel se seraient définies les caractéristiques de la matière actuelle.

 

La quête de l’origine

Bien des questions restent posées, notamment sur la physique en deçà de 10-32 s (c’est-à-dire à plus de 1028 K) mais le schéma général des particules fondamentales se matérialisant à partir de la lumière, puis se combinant pour former, en quelques minutes, les premiers noyaux atomiques (nucléosynthèse primordiale de l’hydrogène, de l’hélium et de quelques traces d’éléments légers) semble très robuste. Cette matière des premières minutes est ionisée et de ce fait opaque. Quelques centaines de milliers d’années plus tard, refroidie à quelques milliers de degrés, elle devient un gaz neutre et transparent et laisse de ce fait échapper la lumière qui, diluée et décalée par l’expansion de la géométrie, va devenir le « rayonnement fossile » qui nous baigne de toute part.

 

Quelques centaines de millions d’années après le big bang, ce gaz est suffisamment refroidi pour que sous l’effet de la gravitation s’amplifient ses faibles inhomogénéités et que se condensent les premiers astres. Les régions centrales des étoiles (et probablement l’environnement des trous noirs) sont des sites où une nouvelle nucléosynthèse peut commencer.

Les étoiles ont des durées de fonctionnement thermonucléaires qui vont, selon leur masse, du million d’années à plusieurs milliers de milliards d’années. A la fin de ce fonctionnement, l’épuisement et l’effondrement de leur cœur permettent la « nucléosynthèse stellaire » (et parfois la dispersion) des éléments lourds à commencer par le carbone.

Les atomes qui constituent la terre et nous-mêmes semblent donc avoir une double origine : cosmologique ou astrophysique : l’hydrogène date des premières minutes, le carbone et les éléments plus lourds, parfois assemblés en grains de poussière microscopiques, ont été essentiellement produits lors de fins de vie d’étoiles aujourd’hui éteintes qui ont précédé la formation de notre système solaire il y a 4,5 milliards d’années. La terre et les planètes ont ensuite répartie et combiné diversement ces éléments.

Une des grandes questions actuelles est celle de la matière noire. Beaucoup d’observations mettent en évidence que la masse des galaxies et des amas de galaxies est de plus de 10 fois supérieure à celle que l’on voit sous forme d’étoiles et de nébuleuses. Cela signifie que si l’on connaît assez bien la matière qui constitue la terre et le soleil, à plus grande échelle on ignore plus de 90 % du contenu physique de l’Univers. Cette « masse cachée » est-elle faite de mêmes particules ordinaires (protons, neutrons, électrons) que notre matière mais assemblées dans des structures peu lumineuses et difficilement observables ou bien est-elle constituée d’entités « exotiques » qu’étudient les théories unificatrices de la physique et qui semblent étroitement liées aux événements cosmiques qui ont pu se dérouler avant 10-32 s ? Certains rayons cosmiques à très haute énergie sont-ils le témoignage de la présence de cette autre « matière » qui reste à découvrir ?