Le Big Bang et l'âge de l'Univers

7 min de lecture

Fiche

Âge de l'Univers	environ 13,8 milliards d'années
Principales preuves	expansion, fond diffus cosmologique, éléments légers
Découverte de l'expansion	1929, Edwin Hubble (après Georges Lemaître, 1927)
Découverte du fond diffus cosmologique	1965, Arno Penzias et Robert Wilson
Température actuelle du fond diffus	environ −270,4 °C (2,725 K)
Formation des premiers atomes	environ 380 000 ans après le Big Bang
Rayon de l'Univers observable	environ 46 milliards d'années-lumière
Principales missions de cartographie	COBE, WMAP, Planck

En bref

Le Big Bang n'a pas été une explosion dans l'espace ; c'est l'expansion rapide de l'espace lui-même à partir d'un état chaud et dense.
L'Univers a environ 13,8 milliards d'années, un âge mesuré surtout grâce au fond diffus cosmologique.
Trois indices soutiennent cette idée : des galaxies qui s'éloignent, une chaleur résiduelle qui emplit le ciel, et la proportion des éléments légers.
L'Univers observable n'est que la partie dont la lumière a eu le temps de nous parvenir ; l'Univers entier est peut-être bien plus vaste.
La théorie décrit ce qui s'est passé après le début ; elle ne dit pas ce qui, éventuellement, l'a précédé.

Ce que signifie le Big Bang

Le Big Bang est la description scientifique de l'évolution de l'Univers, d'un état primitif extrêmement chaud et dense vers le cosmos plus froid et dilué que nous voyons aujourd'hui. Le nom évoque une détonation, mais l'idée est en réalité celle d'un étirement.

L'espace lui-même n'a cessé de s'étendre depuis, éloignant les galaxies les unes des autres. En s'étendant, il s'est refroidi, ce qui a permis la formation de particules, puis d'atomes, puis d'étoiles et de galaxies au fil de milliards d'années.

Cette théorie compte parmi les idées les mieux vérifiées de la science. Elle ne cherche pas à expliquer pourquoi il existe un Univers, mais elle concorde avec un large éventail de mesures minutieuses.

Premier indice : l'expansion de l'Univers

Dans les années 1920, Georges Lemaître a établi qu'un Univers obéissant à la gravité d'Einstein pouvait être en expansion. En 1929, Edwin Hubble a montré que les galaxies lointaines s'éloignent de nous, et d'autant plus vite qu'elles sont loin.

Cette régularité, aujourd'hui appelée loi de Hubble–Lemaître, est exactement ce que l'on attend si l'espace s'étire partout à la fois. La lumière des galaxies lointaines est elle aussi étirée et décalée vers le rouge ; les astronomes parlent de décalage vers le rouge.

Déroulez l'expansion à l'envers, comme un film rembobiné, et tout se rapproche, devient plus dense et plus chaud. Ce raisonnement conduit à un commencement situé à une durée finie dans le passé.

Deuxième indice : le fond diffus cosmologique

Pendant ses quelque 380 000 premières années, l'Univers était un brouillard lumineux de particules chargées que la lumière ne pouvait pas traverser. Une fois assez refroidi pour que des atomes se forment, le brouillard s'est dissipé et la lumière a pu voyager librement.

Cette lumière ancienne remplit encore le ciel dans toutes les directions. L'expansion l'a étirée en faibles micro-ondes, à seulement 2,7 degrés environ au-dessus du zéro absolu. Arno Penzias et Robert Wilson l'ont découverte par hasard en 1965, sous la forme d'un sifflement persistant dans leur antenne radio.

Des satellites comme COBE, WMAP et Planck de l'ESA ont cartographié de minuscules variations de température dans cette lueur. Ces variations sont les germes des futures galaxies, et leur comparaison avec les modèles donne un âge d'environ 13,8 milliards d'années.

Troisième indice : les éléments légers

Pendant les premières minutes, l'Univers entier était assez chaud pour fusionner des noyaux, un peu comme le cœur d'une étoile. Les calculs prévoient que cette brève période a dû produire environ trois quarts d'hydrogène et un quart d'hélium en masse, avec des traces de deutérium et de lithium.

Quand les astronomes mesurent le gaz et les étoiles les plus anciens, ils trouvent presque exactement ces proportions. Les étoiles seules n'auraient pas pu fabriquer autant d'hélium : cette concordance appuie fortement l'idée d'un Univers primitif chaud.

Ce que signifie « Univers observable »

La lumière voyage à une vitesse fixe : nous ne pouvons voir que les objets dont la lumière a eu le temps de nous atteindre depuis que l'Univers est devenu transparent. Cette région qui nous entoure est l'Univers observable.

On pourrait s'attendre à un rayon de 13,8 milliards d'années-lumière, mais il est d'environ 46 milliards d'années-lumière. La raison : l'espace a continué de s'étendre pendant le trajet de la lumière, si bien que les sources sont aujourd'hui bien plus loin qu'au moment où leur lumière est partie.

Chaque observateur, dans n'importe quelle galaxie, possède son propre Univers observable centré sur lui. Au-delà de sa limite, il y a presque certainement encore de l'Univers ; nous ne pouvons simplement pas encore le voir, et ne le pourrons peut-être jamais.

Idées reçues

« C'était une explosion en un point de l'espace. » Il n'y a ni centre ni extérieur. L'expansion se produit partout, un peu comme des points dessinés sur un ballon qui s'écartent tous quand on le gonfle.

« Les galaxies foncent dans l'espace en s'éloignant de nous. » Pour l'essentiel, c'est l'espace entre elles qui grandit. Des galaxies proches peuvent encore se rapprocher sous l'effet de la gravité ; la galaxie d'Andromède se dirige vers nous.

« Le Big Bang explique le tout premier instant. » Notre physique cesse de fonctionner aux tout premiers moments. Des idées comme l'inflation cosmique tentent de décrire cette époque, mais ce qui a précédé, si la question a même un sens, reste ouvert.

« Les scientifiques changent sans cesse l'âge. » Différentes méthodes s'accordent sur environ 13,8 milliards d'années. Il subsiste un petit désaccord sur le taux d'expansion actuel, appelé tension de Hubble, mais il ne remet pas en cause le tableau d'ensemble.