Histoire de l'univers : le Big Bang

Contexte historique

Le " Big bang " fut d'abord objet de moqueries. Son nom fut forgé par l'un des principaux adversaires de la théorie d'expansion de l'univers : en 1950, l'astronome Fred Hoyle ridiculise une théorie dans une émission de la British Broadcast Compagny (BBC), The Nature of things. Sa renommée, comme savant et comme romancier, en font un interlocuteur privilégié de la BBC. Fred Hoyle s'intéresse alors à la synthèse des atomes. En 1946, il propose la théorie selon laquelle les éléments plus lourds que l'hélium sont formés dans les étoiles et dispersés dans l'espace à la mort de celles-ci. En présentant une controverse qui occupe alors les cosmologistes, qui étudient la formation de l'univers, pour la dénoncer, il donne droit de cité à une nouvelle idée, baptisée ainsi " Big bang ".

L'idée que l'univers est en expansion est récente. L'Univers fut longtemps stationnaire, organisé autour de la Terre, centre du monde. La première révolution cosmologique qui a lieu au début du XVIIe siècle déplace ce centre vers le Soleil : le procès de Galilée (1564-1642) par l'Eglise catholique en 1633, qui condamne le savant pour avoir soutenu des thèses héliocentristes (de helios, soleil), montre combien la société peut opposer des résistances à des transformations de la conception du monde. Jusqu'au milieu du XXe siècle, l'idée prévaut que l'univers est stable ou stationnaire, même s'il est immense, voire infini. Or, une série d'observations conduit à remettre en cause cette idée, en particulier l'observation des nébuleuses très lointaines : leur observation par l'étude de leur spectre de rayonnement (spectroscopie) fait apparaître un décalage du rayonnement vers le rouge. Les travaux d'Edwin Hubble (1889-1953) sur les nébuleuses établissent en 1924 que celles-ci sont des galaxies éloignées ; en collaboration avec Milton Humanson, il interprète alors ce décalage vers le rouge comme le fait que les galaxies lointaines s'éloignent les unes des autres (effet Doppler), la vitesse d'éloignement des galaxies étant proportionnelle à leur distance (loi de Hubble).

Pour comprendre pourquoi les galaxies s'éloignent, deux interprétations sont alors proposées concurremment l'une de l'autre, sans que rien ne puisse les départager. Le débat intellectuel se double d'ailleurs d'une querelle idéologique, selon laquelle les promoteurs du Big Bang seraient partisans d'une conception religieuse de création du Monde. L'une était le modèle fixe de Fred Hoyle (1915-2001) dans lequel de la nouvelle matière serait créée à mesure que les galaxies s'éloignent les unes des autres, ce qui fait que l'univers à un temps donné ressemblerait plus ou moins à l'univers à un autre temps. L'autre interprète cette observation dans le cadre de la théorie de la relativité générale, où l'univers est formalisé comme une entité particulière, l'espace-temps. Dans cette théorie, les modèles cosmologiques homogènes et isotropes, dits de Friedmann-Lemaître, autorisent des solutions où l'espace varie avec le temps décrivant un Univers en expansion, un peu comme deux points d'un ballon de baudruche s'éloignent quand on gonfle celui-ci. Une découverte décisive " le fond diffus cosmologique ", qui s'explique dans la théorie d'un Univers en expansion, donna la préférence à la seconde explication.

L'idée en est qu'à l'origine de l'Univers, la température était telle que les atomes ne pouvaient se former, l'Univers était rempli d'un gaz ionisé constitué de noyaux (d'hydrogène et d'hélium) et d'électrons avec lequel le rayonnement (la lumière) interagissait, l'Univers était opaque, un peu comme on ne peut voir à travers un brouillard. En grossissant, l'Univers se refroidit, permettant finalement 300 000 ans après le big-bang aux atomes de se former (la recombinaison des noyaux et des électrons), le rayonnement (la lumière) n'interagit plus avec la matière, l'Univers devient transparent. C'est le reliquat de ce rayonnement, nettement affaibli par l'expansion et prédit par Ralph Alpher et Robert Herman en 1948, que Arno Penzias et Robert Wilson observe en 1965 sous la forme d'un rayonnement micro-onde qui emplit tout l'espace. Dès lors, les modèles de Big Bang décrivant un Univers en expansion deviennent la théorie communément admise par les physiciens. Si des questions restent posées, de nouvelles mesures plus précises sur le fond diffus cosmologique, la proportion des différents éléments chimiques dans l'Univers, et les vitesses de récession des Galaxies ont confirmé la primauté de la théorie du Big Bang.

Bibliographie :

Stephen W. Hawking, Une Brève histoire du temps : du big bang aux trous noirs, Paris, Flammarion, 1988.

Marc Lachièze-Rey, " Le Big Bang ", in Qu'est-ce que l'Univers ?, Université de tous les savoirs, vol. 4, sd Yves Michaud, Paris, Odile Jacob, 2001.

Jean-Pierre Luminet, L'invention du Big-Bang, Paris, Le Seuil, " Points Sciences ", 2004.

Éclairage média

A la poursuite des étoiles est une émission annuelle de Robert Clarke qui débute en 1962. Au cours des années 1970, elle choisit le débat de plateau où sont conviés scientifiques et public : les jeux télévisés et les émissions littéraires proposent un modèle pour ce renouvellement de la forme du magazine de science. Le jour de l'émission, une classe de collège est invitée ainsi que Jean Heidman, astronome à l'observatoire de Meudon, à laquelle se mêlent des journalistes. Le format reproduit donc l'interrogation naïve des enfants à des adultes ; or, il apparaît que les questions sont convenues, préparées, puisque les réponses peuvent donner lieu à des projections de montages de clichés de l'univers. Les réponses, quant à elles, sont simplifiées pour un jeune public. Les questions intéressent plus largement le questionnement philosophique sur le temps. L'univers et l'espace, fascinants en raison de l'esthétique des images astronomiques et des questions qu'ils permettent d'aborder, restent aujourd'hui des sujets privilégiés des émissions sur la science.