Big Bang ou pas Big Bang?

Le but de cet article est de brosser, en termes que j’espère clairs et concis pour un public non averti, un état des lieux de la théorie du Big Bang, les grandes questions qu’il pose, et quelques propositions alternatives.

Je ne charge pas le texte avec les nombreuses références, obligatoires s’il s’agissait d’un article académique, pour ceux qui veulent aller plus loin on trouve énormément d’information sur Internet sur base de quelques mots clés.

L’origine

En 1931, Georges Lemaître, astronome et chanoine belge travaillant à l’Université Catholique de Louvain, publie sa théorie de l’atome primitif, plus connu depuis 1950 sous le nom de la théorie du Big Bang (nom donné par l’astronome Fred Hoyle lors d’une émission de la BBC, et qui est resté).

Cette théorie, qui dans sa forme moderne colle assez bien à la réalité observée, postule que l’univers a suivi le schéma suivant :

1) « Quelque chose » s’est passé, pour une cause inconnue (singularité ? Contraction d’un univers précédent ?), qui à duré le temps de Planck (10-43 secondes). On ne sait rien de cette ère de Planck car les lois physiques que nous connaissons ne s’appliquaient pas à ce moment-là, elles ne commencent à s’appliquer qu’après ce « mur de Planck ».

2) Création des particules élémentaires, avec formation de quantités quasi égales de matière et d’anti-matière (charge électrique opposée), qui s’annihilent, laissant un léger surplus de matière dite baryonique, c’est la baryogenèse.

3) Création des noyaux d’hydrogène, d’hélium et de lithium, c’est la nucléosynthèse primordiale.

4) Formation des atomes, environs 380 000 ans après le Big Bang, par recombinaison des électrons et des noyaux. L’univers devient alors suffisamment peu dense pour que la lumière puisse se propager.

5) Formation des premières étoiles et galaxies, moins d’un milliard d’années après le Big Bang

6) Expansion et refroidissement de l’univers pendant 13,7 milliards d’années, qui est aujourd’hui très peu dense (quelques atomes par mètre cube) et très froid (-270°C).

Ceci est le modèle standard de la cosmologie, bénéficiant d’un large consensus sur les concepts mais avec beaucoup de divergences sur les détails.

Néanmoins, pour qu’il fonctionne, ce modèle à impliqué la création d’un certain nombre de concepts assez surprenants, et il existe des scientifiques qui proposent soit des modifications de certaines étapes (notamment les conditions initiales) soit carrément une remise en cause de notions supposées acquises, telle que la réalité de l’expansion de l’univers.

Quelles sont les bizarreries inhérentes au modèle standard :

Inflation cosmique

Des problèmes inhérents au modèle Big Bang de base (problème de l’horizon, problème de la platitude, problème des monopôles, problème de la formation des grandes structures) ont été « résolus » par la mise au point en 1980 de la notion d’inflation cosmique, une inflation extrêmement importante (facteur de 10EXP26 à 10EXP1000000 ) de l’univers sur une période assez courte.

Ce postulat est nécessaire car sans lui l’univers observable, homogène et isotrope, serait en contradiction avec ce qui découlerait de l’état « naturel » de l’univers juste après le mur de Planck sans cette inflation. Voir ici pour plus de détails.

Matière sombre ou matière noire

La matière sombre serait une forme non-baryonique (donc n’interagissant pas avec la matière « normale »), n’émettant aucune lumière et donc indétectable par l’observation directe.

Le modèle du Big Bang avec l’inflation cosmique implique l’existence de matière sombre, car sans elle on ne peut expliquer la formation des galaxies, formation qui nécessite l’existence de zones un peu plus denses que d’autres (les « fluctuations primordiales »).

En effet le modèle d’expansion implique que la matière baryonique soit distribuée de manière homogène dans tout l’univers, donc elle ne peut être à l’origine de ces fluctuations.

Ce qui n’explique pas pourquoi la matière sombre serait, elle, distribuée de manière non homogène !

La matière sombre représenterait 22 à 27% de la densité totale de l’univers observable, alors que la matière « normale » ou baryonique ne représente que 4 à 5% de la densité totale !

Il existe deux formes de matière noire connue, mais leur masse est très nettement inférieure à ce que demande le modèle : les neutrinos (particules sans masse) et les trous noirs (objets célestes tellement denses que même la lumière ne peut leur échapper). Reste à trouver le reste.

Energie sombre ou énergie noire

L’énergie sombre est une énergie gravitationnelle négative (elle repousse au lieu d’attirer les masses entre elles). Totalement indétectable et issue des nécessité du modèle Big Bang avec inflation cosmique, cette énergie sombre composerait 65 à 75% de la densité de l’univers, autrement dit elle serait la composante majeure de l’univers…

Sans l’énergie sombre, cad sans cette forme de gravitation négative, l’accélération de l’expansion de l’univers telle qu’observée ne serait pas possible.

En l’état, ce modèle implique une croissance éternelle de l’univers, et semble rendre impossible la notion d’un univers qui se contracterait après expansion maximale, dans un jeu de yoyo Big Bang / Big Crunch.

Il existe des variations sur le thème de la nature de l’énergie sombre :

– Elle serait la constante cosmologique de la relativité générale, traduisant en fait l’énergie du vide quantique. Cette énergie serait stable, de densité égale partout dans l’univers.

– Elle serait une « énergie fantôme », dont la densité aurait la surprenante propriété d’augmenter avec l’expansion de l’univers. La finalité de l’univers serait ici la destruction de toutes les structures atomiques sous l’influence d’une de cette force associée à une densité infinie, autrement dit une singularité gravitationnelle.

– Elle serait un champ scalaire avec une équation d’état de type barotropique. Ca ne vous dit rien ? A moi non plus, mais on trouve ceci sur wikipédia.

Voilà brossé, à la grosse louche, le portrait du modèle cosmologique standard et de ses principales particularités.

Malgré le consensus, tout le monde n’est pas d’accord, heureusement, et voici quelques approches alternatives, ou partiellement alternatives :

La question de l’expansion de l’univers.

Le modèle Big Bang nécessite l’énergie sombre car l’univers est en expansion, et même en expansion accélérée. C’est le consensus, mais à quel point sommes-nous certain que l’univers est en expansion ?

Cette observation repose sur la notion de l’effet Doppler appliqué au mouvement des galaxies, effet qui dit qu’une galaxie en éloignement par rapport à l’observateur présente un décalage vers le rouge ou « red shift ». L’existence de ce red shift est considérée comme la preuve du modèle Big Bang.

Mais….et si c’était « just an illusion » ?

En effet, il est démontré que le red shift peut également être le résultat de l’attraction gravitationnelle : on voit bien une galaxie avec un red shift, mais la galaxie est stationnaire, le décalage vers le rouge est du à l’effet gravitationnel sur les photons qui nous viennent de la galaxie. Cette version (Voir ici pour une explication détaillée) soutient la théorie d’un univers statique, et permet de se séparer des notions d’énergie sombre, vu qu’il n’y a plus d’expansion.

Le modèle du red shift lié à l’expansion est également attaqué par l’astronome Halton Arp, qui propose que les galaxies ont un red shift intrinsèque, liés à la vitesse d’éjection des photons. Les implications des travaux de Arp sont profondes, mais les critiques véhémentes, je vous laisse le loisir d’aller plus loin.

L’univers ekpyrotique

Ce modèle, développé à partir de la théorie des cordes, se préoccupe des premiers instants de l’univers, du Big Bang proprement dit. Il accepte par contre la notion d’expansion de l’univers.

Selon ce modèle, l’univers est constitué de deux « plaques » ou « branes » de faible épaisseur mais sans limite sur les deux autres axes, reliées entre elles par une quatrième dimension. Cet univers serait cyclique, et un cycle débuterait par l’entrée en collision des ces deux branes, générant ainsi une grande énergie cinétique se traduisant par la création des particules élémentaires.

Pas besoin ici de singularité de départ, ni de mur de Planck, ni d’inflation cosmique, ni de matière sombre : c’est en quelque sorte une création par frottement, qui se reproduit chaque fois que l’univers se vide (de par son expansion). Le « frottement » est suffisamment homogène (sur toute la surface) pour que l’univers résultant soit homogène, mais les fluctuations quantiques (ripples) liées au frottement génèrent des fluctuations de températures qui permettent ensuite la formation de galaxies.

Notre univers visible est l’une des deux branes, l’autre nous étant parfaitement inaccessible étant donné que la lumière ne peut traverser l’espace (la quatrième dimensions) entre les deux branes.

Ce scénario est le fruit de recherches à Princeton University, plus d’information sur cet article.

L’Univers Electrique

Pour terminer, voyons rapidement une alternative généralement discréditée auprès des scientifiques classiques, le modèle de la cosmologie du plasma ou l’univers électrique.

A la base de ce modèle, l’observation que les principes électriques expliquent un certain nombre de phénomènes astronomiques bien mieux que les principes gravitationnels.

La gravitation n’est pas exclue du modèle électrique, mais elle n’est qu’une composante.

Selon cette théorie, l’univers peut être démontré comme étant constitué presque entièrement de plasma électriquement actif. La force électrique est de 39 ordres de grandeur plus grande que la pesanteur. Cela signifie mille milliard de milliard de milliard de milliards [10^39] de fois plus forte.

La cosmologie du plasma n’exige pas d’inventions mathématiques, telles que le Big Bang, la matière sombre, l’énergie sombre, et les trous noirs.

Il n’y a aucune île d’isolée dans l’espace. Toute la matière est reliée dans l’espace par les manifestations de la force électrique. La force électrique agit dans la matière à tous les niveaux, depuis les particules subatomiques jusqu’aux regroupements galactiques.

L’électricité est la force primaire qui organise la structure cosmique dans les cieux.

Cette théorie pourrait expliquer pourquoi la vitesse de rotation du soleil est différente à l’équateur et aux pôles, ou entre la surface et l’intérieur. Il expliquerait, entre autres, les queues des comètes en termes de plasma, et même la fine queue de Vénus détectée en 1997 par le satellite Soho.

Je ne suis pas compétent pour donner un avis sur la validité intrinsèque de cette approche, le fait qu’elle soit diabolisée par l’establishment serait pour moi plutôt un bon signe, mais c’est un avis personnel.

En guise de conclusion

Le modèle dominant, même s’il fonctionne plutôt bien, fait appel à des concepts parois étranges pour « caler » la théorie avec la réalité observée. Réalité qui peut être mise en doute, notamment au niveau de la supposée expansion de l’univers.

Des approches différentes, à base de théorie quantique voir de plasma électrique, tentent de simplifier le modèle et d’expliquer l’univers observé sans faire appel à des matières ou énergies sombres avec un arrière goût de sucre artificiel.

Lien vers la discussion

Cet article est très loin d’être exhaustif, c’est juste pour vous donner envie d’en savoir plus.

2 réflexions sur “Big Bang ou pas Big Bang?

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