Histoire de l'univers : le Big Bang

06 juin 1979
03m 44s
Réf. 01448

Notice

Résumé :

En 1979, l'émission A la poursuite des Etoiles invite une classe de collège. A cette occasion, un astronome propose d'expliquer la théorie du Big Bang et les confirmations expérimentales qu'elle a reçues depuis les années 1960.

Type de média :
Date de diffusion :
06 juin 1979
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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.

Christelle Rabier

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.

Christelle Rabier

Transcription

Inconnu
On a parlé aussi de la théorie du Big Bang et dans cette théorie, on a parlé que tout avait explosé au commencement de l'univers. Mais pourquoi cette théorie, on en a spécialement parlé ces derniers temps et pourquoi a t-elle spécialement intéressée les astronomes au lieu des autres théories qui existent aussi ?
Jean Heidmann
Cette théorie a eu comme premier support observationnel, le fait que les galaxies semblent nous fuir et d'autant plus vite qu'elles sont plus loin. Bon ça c'est une découverte qui est déjà ancienne, qui remonte à presque 50 ans mais elle a reçu un support observationnel très important plus récemment avec la découverte de ce qu'on appelle le rayonnement cosmologique à 3 degrés. Et ce rayonnement qui est observé actuellement sous forme d'ondes radio, de quelques centimètres de longueur d'ondes, s'interprète tout à fait naturellement dans le cadre de la théorie du Big Bang comme étant le reliquat, la relique de la, du rayonnement à très haute température qui existait quand l'univers était très condensé et très chaud. Donc on imagine, qu'au début, il y a une quinzaine de milliards d'années, l'univers était très chaud parce que très condensé donc il était bourré d'un rayonnement encore plus fort que celui qui existe dans ce studio et puis au fur et à mesure de cette expansion, ce rayonnement s'est refroidi. De la même façon que un gaz se refroidit quand on le détend, quand on le laisse prendre un plus grand volume. Et on l'observe maintenant sous forme d'un rayonnement beaucoup moins énergique qui est un rayonnement d'ondes radio. Alors ça vraiment ça a apporté vraiment un support considérable à la théorie de l'expansion de l'univers. Il faut quand même se rappeler que on a vraiment failli ne pas exister. Ce qui c'est passé dans le premier dix millième de seconde de l'expansion de l'univers a été fondamental pour la suite. Et le fondamental là-dedans dépend en définitive des lois physiques entre les particules élémentaires. Et puis après, il s'est passé un quart d'heure vraiment important où y a eu des réactions nucléaires qui ont formé l'hélium qui, majorité de l'hélium qui existe dans l'univers. Et le deutérium. Ça aurait pu ne pas exister. Et puis après l'univers est resté en léthargie sous forme de gaz dilués dans l'espace complètement froid où il ne se serait rien passé du tout pour la suite de l'éternité s'il n'y avait pas eu la loi de la gravitation. A ce moment là, par hasard, il y avait des fluctuations de densité à certains endroits, elles se sont concentrées et en se concentrant elles se sont échauffées et en s'échauffant, elles se sont, elles ont atteint une température suffisante pour allumer des réactions thermonucléaires. Et c'est grâce à ces réactions thermonucléaires que la vie est apparue. Mais si il y avait pas eu les lois de physique nucléaire ad hoc, on ne serait pas apparu.
Inconnu
Qui avait-il avant le Big Bang ?
Jean Heidmann
Dans le cadre encore de la théorie de la relativité d'Einstein qui est celle qui marche le mieux pour l'instant, mettons à 90%, si on faisait un vote parmi les astronomes, la théorie du Big Bang obtiendrait 90% de voix, ça veut pas dire qu'elle est vraie, bon. Mais enfin en se plaçant dans le cadre qui est le plus raisonnable actuellement, ce qui n'empêche pas de regarder les autres cas sérieusement. Et bien d'après cette théorie, l'univers pourrait, qui est en expansion maintenant, qui était donc très concentré au moment du Big Bang et qui à partir de ce Big Bang est rentré dans une phase d'expansion. Il se pourrait qu'avant ce Big Bang, l'univers ait existé depuis un temps indéfini dans le passé sous forme de contractions et puis s'est contracté, contracté, ça a donné un état très chaud, très concentré qui, d'où il a rebondi et a produit en définitive le Big Bang dans lequel on vit. Et même on peut avoir dans cette théorie d'Einstein d'autres modèles où l'univers subirait une suite d'expansions, de recontractions, d'expansions, de recontractions, indéfinie.
Inconnu
Alors à ce moment là, on peut répondre un petit peu à ta question, en disant : avant le Big Bang il y avait peut-être une contraction de l'univers.