Dix minutes pour comprendre les origines de l'Univers

La théorie sur l'origine de notre Univers qui rencontre le plus d’adeptes s’articule autour d'un événement connu sous le nom de Big Bang. Elle est née d’une observation, celle d'autres galaxies s'éloignant de la nôtre à grande vitesse dans toutes les directions, comme si elles avaient toutes été propulsées par une ancienne force explosive.

C'est un prêtre belge du nom de Georges Lemaître qui a proposé pour la première fois la théorie du Big Bang dans les années 1920, lorsqu'il a émis l'hypothèse que l'univers était issu d'un unique atome primitif. Deux événements ont donné une impulsion majeure à cette idée : les observations d'Edwin Hubble, selon lesquelles les galaxies s'éloignent de nous à toute vitesse et dans toutes les directions ; ainsi que la découverte, par Arno Penzias et Robert Wilson, dans les années 1960, du fond diffus cosmologique, interprété comme un écho du Big Bang.

D'autres travaux ont permis de clarifier la temporalité du Big Bang. Voici la théorie qui en découle : au cours des 10^-43 premières secondes de son existence, l'Univers était très compact, moins d'un million de milliards de milliardièmes de la taille d'un atome. On croit qu'à un tel niveau impensable de densité et d'énergie, les quatre forces fondamentales, à savoir les interactions faibles, fortes, gravitationnelles et électromagnétiques, se sont unifiées en une seule et unique force. Les théories actuelles n'ont toutefois pas encore permis de comprendre comment fonctionnerait cette « superforce ». Pour y parvenir, il faudrait connaître le fonctionnement de la gravité à l'échelle subatomique, ce qui n'est pas le cas à l'heure actuelle.

On pense également que cette densité a permis aux toutes premières particules de l'Univers de se mélanger, de se lier et de se stabiliser à peu près à la même température. Ensuite, en une fraction de seconde, toute cette matière et cette énergie se sont étendues vers l'extérieur, plus ou moins uniformément, avec d'infimes variations dues à des fluctuations à l'échelle quantique. Ce modèle d'expansion fulgurante, appelé inflation cosmique, pourrait expliquer une telle uniformité au niveau de la température et de la répartition de la matière dans l'Univers.

Après l'inflation, ce dernier a continué à se développer mais à un rythme beaucoup plus lent. La cause exacte du déclenchement de cette inflation est encore inconnue.

APRÈS L'INFLATION COSMIQUE

À mesure que le temps passait et que la matière se refroidissait, des particules plus diverses ont commencé à se former et, au final, se sont condensées, faisant naître les étoiles et les galaxies de notre Univers tel qu'il est aujourd'hui.

Lorsque l'Univers a atteint l'âge d'un milliardième de seconde, il s'est suffisamment refroidi pour que les quatre forces fondamentales se séparent les unes des autres. Les particules élémentaires se sont alors formées. Cependant, l'Univers était encore si chaud que celles-ci ne pouvaient pas encore se lier pour former la plupart des particules subatomiques que nous connaissons aujourd'hui, comme le proton. Au fur et à mesure de l'expansion de l'Univers, cette soupe primordiale très chaude, appelée « plasma de quarks et de gluons », a continué à se refroidir. Certains collisionneurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN, sont suffisamment puissants pour recréer celui-ci.

Au sein de l'Univers primordial, le rayonnement était si intense que la collision de photons pouvait former des paires de particules composées de matière et d'antimatière, ressemblant en tous points à la matière ordinaire, hormis sa charge électrique opposée. On pense que l'Univers primordial contenait des quantités égales de matière et d'antimatière. Toutefois, lorsque l'Univers s'est refroidi, les collisions des photons n'étaient plus assez puissantes pour former ces paires. À la manière d'un jeu de chaises musicales extrême, de nombreuses particules de matière et d'antimatière ont formé des paires et se sont annihilées.

D'une manière ou d'une autre, de la matière excédentaire a subsisté. C’est de cette dernière que sont faits les êtres humains, les planètes et les galaxies. Notre existence constitue le signe évident que les lois de la nature traitent la matière et l'antimatière de manière légèrement différente. Les chercheurs ont observé en action, de manière expérimentale, ce déséquilibre des règles, appelé violation de CP. Les physiciens tentent encore de comprendre exactement de quelle façon la matière a pu l'emporter dans l'Univers primordial.

Une particule minuscule et fantomatique, le neutrino, et son équivalent antimatière, l'antineutrino, pourraient permettre de faire la lumière sur cette question. Deux grandes expériences, baptisées DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) et Hyper-Kamiokande, utilisent ces particules dépourvues de charge électrique et à la masse presque nulle pour tenter de résoudre ce mystère.

FORMATION DES ATOMES

Au cours de la première seconde, l'Univers était suffisamment froid pour que la matière restante se lie et forme les protons, ainsi que les neutrons, ces particules familières qui constituent les noyaux des atomes. Après les trois premières minutes, celles-ci ont fusionné en noyaux d'hydrogène et d'hélium. En termes de masse, ces derniers représentaient respectivement 75 % et 25 % de la matière de l'Univers primordial. L'abondance de l'hélium est une prédiction clé de la théorie du Big Bang, qui a été confirmée par des observations scientifiques.

Malgré la présence de noyaux atomiques, l’Univers jeune était encore trop chaud pour que les électrons s’accrochent autour d'eux et forment des atomes stables. La matière de l'Univers restait un brouillard primordial chargé électriquement, si dense que la lumière peinait à s'y frayer un chemin. Il faudra encore attendre près de 380 000 ans pour que l'Univers se refroidisse suffisamment afin que des atomes neutres se forment, un moment charnière appelé « recombinaison ». C’est en se refroidissant que l'Univers est devenu transparent pour la première fois, ce qui a permis aux photons qui s'y agitaient de se faufiler sans obstacle.

Nous voyons encore aujourd'hui cette lueur primordiale sous la forme du rayonnement fossile, ou fond diffus cosmologique, que l'on retrouve dans tout l'Univers. Il est similaire à celui utilisé pour transmettre les signaux de télévision par l'intermédiaire d'antennes. Il s'agit du plus ancien rayonnement connu et il pourrait receler de nombreux secrets sur les premiers instants de l'Univers.

DES PREMIÈRES ÉTOILES À NOS JOURS

Il n'existait pas une seule étoile dans l'Univers jusqu'à environ 180 millions d'années après le Big Bang. C’est le temps qu’il a fallu pour que la gravité rassemble des nuages d'hydrogène et les transforme en étoiles. De nombreux physiciens pensent que de vastes « nuages » de matière noire, une matière encore inconnue qui l'emporte sur la matière visible dans une proportion de plus de cinq pour un, ont servi en quelque sorte d’échafaudage gravitationnel aux premières galaxies et étoiles.

Lorsque les premières étoiles de l'Univers ont commencé à briller, la lumière qu'elles ont émise était suffisamment puissante pour arracher à nouveau des électrons aux atomes neutres, un chapitre clé de l'Univers appelé « réionisation ». Les scientifiques ont tenté d'entrevoir cette « Aube cosmique » avec des résultats cependant mitigés. En 2018, une équipe australienne a annoncé avoir détecté des signes de formation des premières étoiles près de 180 millions d'années après le Big Bang mais aucun autre groupe n'a été en mesure de recréer leurs résultats. 

Les premières galaxies sont nées 300 millions d'années après le Big Bang. Au cours des milliards d'années qui ont suivi, étoiles, galaxies et amas de galaxies se sont formés et reformés, pour finalement donner naissance à notre galaxie, la Voie lactée, et à notre foyer cosmique, le système solaire.

Aujourd'hui encore, l'Univers est en expansion. À la surprise des astronomes, la vitesse de cette dernière s'accélère. Les estimations du taux d'expansion varient mais les données fournies par le téléscope spatial James Webb s'ajoutent à un ensemble croissant de preuves indiquant qu'il est nettement plus rapide qu'il ne devrait l'être.

On pense que cette accélération est due à une force répulsive : l'énergie noire. On ne sait toujours pas ce qu'elle est mais on pense qu'elle représente 68 % de la matière et de l'énergie totales de l'Univers. La matière noire en constitue, elle, 27 %. En substance, toute la matière que vous avez vue jusqu’à présent, de votre premier amour aux étoiles dans le ciel, représente moins de 5 % de l'Univers.