La théorie du Big Bang expliquée : comment l’Univers a commencé et comment on le sait
La théorie du Big Bang affirme que l’Univers est issu d’un état extrêmement chaud et dense il y a environ 13,8 milliards d’années et qu’il se dilate et se refroidit depuis. Ce n’était pas une explosion dans un espace vide : c’est l’espace lui-même qui s’est étiré, entraînant la matière et l’énergie. Trois observations indépendantes la soutiennent : les galaxies s’éloignent proportionnellement à leur distance, le fond diffus cosmologique à 2,7 kelvins et la proportion mesurée d’hydrogène et d’hélium.
Qui demande comment l’Univers a commencé attend souvent un seul événement avec une seule cause. La théorie est plus modeste et mieux testée : elle décrit ce qu’a fait l’Univers à partir d’un état chaud très précoce. Ce guide sépare en cinq minutes environ ce qui a été mesuré de ce qui reste ouvert.
Idées essentielles
- L’Univers a environ 13,8 milliards d’années et son espace se dilate et se refroidit depuis un début extrêmement chaud et dense.
- Le Big Bang n’a pas été une explosion dans l’espace et n’a pas de centre : chaque galaxie voit les autres s’éloigner, car l’espace qui les sépare s’étire.
- Trois observations soutiennent la théorie : le décalage vers le rouge des galaxies (années 1920), le fond diffus cosmologique (détecté en 1964) et les proportions d’hydrogène et d’hélium.
- La théorie ne dit pas ce qu’il y avait avant ni pourquoi l’expansion a commencé, et la matière noire et l’énergie noire, environ 95 % du contenu, restent inexpliquées.
Ce que dit vraiment la théorie du Big Bang
La théorie décrit l’histoire de l’Univers depuis un état initial chaud et dense, il y a environ 13,8 milliards d’années, jusqu’à aujourd’hui. L’idée clé est que l’espace lui-même se dilate. Les galaxies ne filent pas vers l’extérieur dans une pièce vide : les distances entre elles augmentent, comme les raisins d’une pâte qui gonfle au four. Chaque raisin voit tous les autres s’éloigner, et aucun n’est le centre.
Au début, l’Univers était un mélange chaud et dense de particules et de lumière. En se dilatant, l’espace l’a refroidi. Dans les premières minutes, protons et neutrons se sont fondus en noyaux d’hydrogène, d’hélium et de traces de lithium. Après environ 380 000 ans, il était redescendu à quelque 3000 kelvins, les atomes ont pu se former et la lumière a pu voyager librement.
Le nom vient d’un rival. Fred Hoyle, qui préférait un Univers stationnaire, inchangé à grande échelle, a employé l’expression « Big Bang » dans une émission de la BBC en 1949. Les scientifiques ont alors fait ce qu’on fait avec des idées concurrentes : ils ont cherché des observations sur lesquelles les deux théories divergeaient.
Première preuve : les galaxies s’éloignent, d’autant plus vite qu’elles sont loin
En 1927, le physicien belge Georges Lemaître a trouvé que les équations d’Einstein admettent un Univers en expansion. En 1929, Edwin Hubble a mesuré le décalage vers le rouge des galaxies, l’étirement de leur lumière vers le rouge, et montré que plus une galaxie est loin, plus elle s’éloigne vite. C’est le même effet qui rend une sirène plus grave quand elle s’éloigne, sauf qu’ici c’est l’espace lui-même qui étire les ondes lumineuses.
La relation est la loi de Hubble, v = H₀ × d. Le satellite Planck a mesuré le taux d’expansion actuel à H₀ ≈ 67,4 kilomètres par seconde et par mégaparsec, alors que les mesures faites avec des étoiles proches donnent environ 73. Ce désaccord, la tension de Hubble, est un vrai problème ouvert. Avec H₀ = 70, une galaxie à 100 mégaparsecs (environ 326 millions d’années-lumière) s’éloigne à environ 7000 km/s.
Si l’on repasse le film à l’envers, les galaxies se rejoignent. L’estimation rapide 1 / H₀ donne environ 14 milliards d’années, proche des 13,8 milliards des modèles détaillés. L’accord n’est qu’approximatif, car le taux d’expansion n’a pas été constant.
Deuxième et troisième preuves : la plus vieille lumière et les premiers éléments
Pendant environ 380 000 ans, l’Univers a été opaque, comme un brouillard, parce que la lumière heurtait sans cesse des électrons libres. Quand les atomes se sont formés, la lumière a été libérée et voyage depuis. Étirée par l’expansion, elle nous arrive aujourd’hui sous forme de micro-ondes de toutes les directions, à 2,725 kelvins. C’est le fond diffus cosmologique, avec environ 400 de ses photons dans chaque centimètre cube d’espace.
Gamow, Alpher et Herman ont prédit une telle lueur à la fin des années 1940. Arno Penzias et Robert Wilson l’ont détectée par hasard en 1964 avec une antenne radio dans le New Jersey et ont partagé le prix Nobel de physique 1978. Un Univers stationnaire n’a aucune raison de briller ainsi, et la découverte a fait basculer le débat. Des satellites ultérieurs (COBE, WMAP, Planck) ont trouvé de minuscules écarts de température, de l’ordre d’une partie sur 100 000, les graines dont sont nées les galaxies.
Le troisième appui vient de la physique nucléaire. Dans les premières minutes, l’Univers chaud ne pouvait fabriquer que les noyaux les plus légers : il doit contenir, en masse, environ trois quarts d’hydrogène et un quart d’hélium. Les plus anciens nuages de gaz que l’on sait mesurer montrent ce mélange.
Ce que la théorie du Big Bang n’explique pas
La théorie ne dit pas ce qu’il y avait avant, s’il y avait quelque chose, ni pourquoi l’expansion a commencé. Dans les tout premiers instants, la densité était si extrême que la physique connue cesse de fonctionner : toute affirmation sur l’« avant » relève de la spéculation, non de la mesure.
Les cosmologistes ajoutent une brève phase de croissance fulgurante juste après le début, l’inflation, pour expliquer pourquoi l’Univers est si lisse et d’où viennent les minuscules germes des galaxies. Elle s’accorde bien avec les données, mais n’est pas confirmée directement.
Le modèle standard exige aussi deux ingrédients que personne n’a identifiés. D’après les résultats de Planck, la matière ordinaire ne représente qu’environ 5 % du contenu, la matière noire environ 27 % et l’énergie noire environ 68 %. Les titres affirmant que le télescope James Webb a brisé le Big Bang lisent mal la découverte : Webb voit des galaxies brillantes moins de 400 millions d’années après le début, ce qui affine la manière dont les galaxies se sont formées, pas la question de savoir si l’espace s’est dilaté depuis un état chaud précoce.
Comment le VJOURNAL SMART BOOK le montre
Le chapitre « Le début de toute chose » ouvre le premier volume du VJOURNAL SMART BOOK d’Histoire, « Du Big Bang à Rome ». Le texte complet est à gauche et, à droite, un dessin joue ce que le texte décrit : un point de lumière qui se met à grandir, des galaxies qui s’éloignent d’autant plus vite qu’elles sont loin, la première lumière qui refroidit en une lueur tachetée, les premières étoiles qui s’allument, puis la famille du Soleil et la Lune.
Le chapitre compte six moments animés. On peut les lire dans l’ordre, faire glisser la ligne du temps ou toucher un paragraphe pour rejouer son moment. Il y a une version courte en mots simples, une bande de chiffres, un quiz de trois questions avec explications et une liste de sources. Là où les scientifiques ne sont pas d’accord, le texte le dit.
En mots simples
Dessinez des points sur un ballon et gonflez-le. Chaque point s’éloigne de tous les autres, les lointains plus vite, et aucun point n’est le centre. Les points sont les galaxies et le caoutchouc est l’espace, ce qui s’étire.
À vous de jouer
Dessinez cinq points sur un ballon, mesurez avec un fil trois distances entre des paires de points, gonflez un peu plus le ballon et mesurez de nouveau les trois mêmes paires.
Résultat attendu
Toutes les distances augmentent, et les paires qui étaient les plus éloignées augmentent le plus. C’est le motif que Hubble a trouvé chez les galaxies : la vitesse d’éloignement croît avec la distance.
Vérifiez votre réponse: Une galaxie s’éloigne à 14 000 km/s. Avec H₀ = 70 km/s par mégaparsec, à quelle distance est-elle ?
14 000 ÷ 70 = 200 mégaparsecs, soit environ 650 millions d’années-lumière.
Questions et réponses
Le Big Bang était-il une explosion ?
Non. C’est le nom donné à l’expansion de l’espace depuis un état chaud et dense, pas à une déflagration dans un espace déjà là. La matière n’a pas jailli d’un point : l’espace lui-même a grandi partout à la fois.
Où le Big Bang a-t-il eu lieu ?
Partout. L’Univers n’a ni centre ni bord vers lequel les galaxies se dilateraient. Tout observateur voit les autres galaxies s’éloigner, comme chaque raisin de la pâte qui gonfle.
Comment sait-on que l’Univers a 13,8 milliards d’années ?
Le motif du fond diffus cosmologique, ajusté au modèle standard, donne 13,8 milliards d’années : 13,82 dans les données Planck de 2013 et 13,787 plus ou moins 0,020 dans les résultats de 2018. Le taux d’expansion donne une valeur approchée voisine.
Qu’y avait-il avant le Big Bang ?
Personne ne le sait. La théorie décrit l’Univers à partir d’un état chaud très précoce, et les premiers instants échappent à la physique testée. Méfiez-vous de toute réponse assurée.
Le Big Bang n’est-il qu’une théorie ?
En science, une théorie est une explication testée, pas une supposition. Celle-ci a fait des prédictions qui se sont vérifiées, comme la lueur micro-onde et le mélange hydrogène-hélium, alors que sa rivale, l’Univers stationnaire, ne les a pas passées.
Le télescope James Webb réfute-t-il le Big Bang ?
Non. Les galaxies précoces de Webb remettent en question des détails sur la vitesse de formation des galaxies. Elles ne changent rien aux preuves que l’espace s’est dilaté depuis un état chaud et dense il y a environ 13,8 milliards d’années.
Retenez les trois preuves : des galaxies qui s’éloignent, une rémanence à 2,7 kelvins et un mélange hydrogène-hélium de trois pour un. Ouvrez ensuite le chapitre, jouez ses six moments et faites le quiz.
Sources et lectures
- ESA: Planck and the cosmic microwave background ↗Sources consultées:
- NASA Science: The Big Bang ↗Sources consultées:
- ESA: Planck reveals an almost perfect Universe (age, composition, Hubble constant) ↗Sources consultées:
- Nobel Prize in Physics 1978: Arno Penzias, facts ↗Sources consultées:
- Planck Collaboration: Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters ↗Sources consultées: