Le Big Bang

Comment l'univers est passé d'un commencement chaud et dense à une toile de galaxies, en 13,8 milliards d'années

Étape par étape

L'univers aujourd'hui

Des galaxies alignées le long d'une toile de filaments autour de vides : l'univers 13,8 milliards d'années après le Big Bang. L'espace lui-même continue de s'étirer et éloigne les galaxies les unes des autres.

La région montrée mesure environ 800 millions d'années-lumière. Ses galaxies se rassemblent en murs et en filaments autour de vides d'une centaine de millions d'années-lumière ou plus, le motif qu'ont révélé les relevés de millions de galaxies. La toile est ici dessinée d'après un modèle simple plutôt que cartographiée : elle ressemble à la vraie sans l'être.

Les galaxies lointaines s'éloignent de nous d'autant plus vite qu'elles sont loin : environ 67 km/s de plus tous les 3,26 millions d'années-lumière. Elles ne filent pas à travers l'espace : c'est l'espace entre elles qui grandit. Remontez le temps, et tout a dû un jour être serré.

On remonte le temps

En remontant le temps, les galaxies se resserrent, se fondent en un gaz uniforme puis disparaissent dans une lumière de plus en plus chaude. Il n'y a pas de centre : de n'importe où, tout se rapproche de la même façon.

Le Big Bang n'a pas été une explosion en un point de l'espace. L'espace lui-même était plus petit partout à la fois, et chaque partie de l'univers actuel y a pris part. Choisissez n'importe quelle galaxie : en remontant le temps, toutes les autres s'en rapprochent, comme elles se rapprochent de la nôtre.

Tout ce que nous pouvons voir aujourd'hui, 93 milliards d'années-lumière d'un bord à l'autre, tenait une seconde après le Big Bang dans une région d'environ 18 années-lumière. Ce qui s'est passé au tout premier instant, ou s'il y a eu un avant, personne ne le sait encore : notre physique ne peut suivre l'univers que jusqu'au moment où il avait déjà une infime fraction de seconde.

La première seconde

Un millionième de seconde après, l'espace est rempli de quarks, de gluons et de lumière à des milliers de milliards de degrés. Vers un cent-millième de seconde, les quarks se rassemblent en protons et en neutrons.

Rien aujourd'hui n'est aussi chaud, pas même le cœur d'une étoile. Tout l'univers était une soupe épaisse des plus petites particules, qui se heurtaient bien trop souvent pour que quoi que ce soit tienne ensemble. En grandissant, l'espace s'est refroidi, et vers deux mille milliards de degrés les quarks se sont groupés par trois : protons et neutrons.

Au début, il y avait autant de neutrons que de protons. Les neutrons étant un peu plus lourds, ils sont devenus plus rares en refroidissant, jusqu'à un peu plus d'une seconde, quand les uns ont cessé de se changer en les autres : un neutron pour six protons. Les neutrinos s'étaient alors échappés ; ils remplissent encore l'espace aujourd'hui.

Les premières minutes

Entre trois et vingt minutes environ, protons et neutrons fusionnent en hélium, jusqu'à ce qu'un quart de toute la matière ordinaire soit de l'hélium. Ensuite, l'univers est trop froid pour en faire davantage.

Protons et neutrons s'associent d'abord en deutérium, mais pendant quelques minutes la lumière est encore assez chaude pour briser ces paires. Une fois refroidie sous un milliard de degrés environ, les paires survivent et se joignent vite en hélium. Presque tous les neutrons finissent dans un noyau d'hélium.

Le résultat, environ trois quarts d'hydrogène et un quart d'hélium en masse, avec des traces de deutérium et de lithium, est ce que les astronomes trouvent dans les gaz et les étoiles les plus anciens. C'est l'une des preuves les plus solides que le Big Bang a eu lieu, et cela s'est joué dans les vingt premières minutes de l'univers.

Un brouillard lumineux

Pendant les 370 000 années suivantes, l'univers est un brouillard lumineux de noyaux, d'électrons et de lumière. La lumière ne peut pas aller loin sans rebondir sur un électron : on ne voit rien au travers.

C'est comme être à l'intérieur d'une étoile, mais de plus en plus ténue et froide à mesure que l'espace grandit. Matière et lumière se poussent et s'attirent, et des ondes sonores parcourent le brouillard. Les ondulations qu'elles laissent sont infimes, une partie sur 100 000 ; elles sont dessinées ici des milliers de fois plus fortes.

Peu à peu le brouillard passe de centaines de millions de degrés à quelques milliers, et sa lueur change de couleur comme celle d'une étoile qui refroidit : du blanc bleuté au jaune puis à l'orange. Il y a environ 1,6 milliard de particules de lumière pour chaque proton ou neutron.

Le brouillard se dissipe

Vers 3 000 degrés, quelque 370 000 ans après le Big Bang, les électrons se fixent sur les noyaux et le brouillard devient transparent. La lumière alors libérée nous parvient encore de toutes les directions : le fond diffus cosmologique.

Une fois les électrons liés en atomes d'hydrogène et d'hélium, la lumière passe librement entre eux. Cette lumière voyage depuis. Étirée par l'univers en expansion jusqu'à des longueurs d'onde mille fois plus grandes, elle arrive aujourd'hui sous forme de micro-ondes, à 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu.

Ses minuscules ondulations, des taches d'environ un degré dans le ciel, sont les germes de toutes les galaxies. Des satellites les ont cartographiées en détail, de COBE à WMAP et Planck ; la vraie carte figure parmi les photos. Leur motif nous dit l'âge de l'univers et de quoi il est fait.

L'âge sombre

Tandis que l'espace continue de grandir, la lueur rougit et s'éteint. Après quelques millions d'années, il n'y a plus aucune lumière visible, seulement l'obscurité, pendant que la gravité rassemble en silence la matière dans les ondulations.

Pendant quelques millions d'années, le ciel a encore brillé d'un rouge sourd, comme des braises. Puis sa lumière a glissé dans l'infrarouge, et l'univers est devenu noir. Il n'y avait pas encore d'étoiles, seulement du gaz d'hydrogène et d'hélium qui refroidissait.

Dans l'obscurité, la matière noire, qui ne brille ni ne bloque la lumière et pèse cinq fois plus que la matière ordinaire, s'est rassemblée là où les ondulations l'avaient laissée un peu plus dense, et le gaz a suivi. Elle est dessinée ici en bleu ; en réalité, elle est invisible.

Premières lueurs

Entre cent et deux cents millions d'années après, les premières étoiles s'allument dans les nœuds les plus denses de la toile, et les premières galaxies se rassemblent. Leur lumière éclaircit peu à peu le gaz qui les entoure.

Les premières étoiles étaient sans doute énormes, chaudes et de courte vie, faites seulement d'hydrogène et d'hélium ; aucune n'a encore été trouvée. Le télescope spatial James Webb a vu des galaxies qui brillaient déjà moins de 300 millions d'années après le Big Bang.

La lumière ultraviolette des jeunes galaxies a de nouveau séparé les atomes d'hydrogène autour d'elles, et vers un milliard d'années le gaz entre les galaxies était transparent. Leurs étoiles ont aussi forgé les premiers éléments plus lourds, du carbone au fer, dont furent faits ensuite étoiles et planètes.

La toile grandit

Au fil de milliards d'années, les galaxies grandissent et fusionnent le long de la toile. Le Soleil se forme 9,2 milliards d'années après le Big Bang, et depuis six milliards d'années l'espace grandit de plus en plus vite.

La plupart des étoiles sont nées quand l'univers avait entre deux et six milliards d'années ; depuis, la naissance d'étoiles a été divisée par dix environ. Le Soleil et la Terre se sont formés à partir d'un gaz déjà enrichi par des générations d'étoiles plus anciennes, il y a environ 4,6 milliards d'années.

En 1998, des astronomes ont découvert que des étoiles lointaines qui explosent étaient plus faibles que prévu : l'expansion s'accélère. Ce qui la pousse, appelé énergie noire, représente aujourd'hui environ 68 % de l'univers. Sa nature reste l'une des grandes questions ouvertes de la physique.