The Universe in the Classroom

Big Bang

Le Plus Grand De Tous Les Boums

Fort de ces hypothèses, observations, et lois, les cosmologues essayent de construire une théorie du développement ou de l'évolution de l'univers. Comment est-il né? Que va-t-il devenir? La science peut-elle même espérer répondre un jour à ces questions? La plupart des cosmologues pensent que oui. Au cours des 70 dernières années ils ont bâti et mis à l'épreuve une théorie qui semble expliquer les principales propriétés de l'univers: la théorie du Big Bang.

Cette théorie est basée sur la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, qui fût l'un des progrès les plus importants en physique au début du siècle, et qui a établi les fondations intellectuelles de la cosmologie moderne. La théorie d'Einstein contient des équations que les chercheurs peuvent résoudre pour décrire l'évolution de l'univers.

Une des solutions possibles indique que quand l'univers est né tout était concentré en un point minuscule--vraiment tout: toute la matière, tout le rayonnement, toute l'énergie qu'on observe aujourd'hui. Comme on pourrait s'y attendre, la température en ce point était extrêmement élevée. Rapidement, l'univers s'est mis à gonfler, éparpillant son contenu uniformément dans toutes les directions sur des distances de plus en plus grandes. Comme cela ressemble beaucoup à une explosion, on l'a appelé le Big Bang ("Grand Boum").

La théorie de Big Bang comprend deux idées essentielles: l'univers est né infiniment petit et chaud il y a quelques milliards d'années, et il est en expansion continue et n'arrête pas de se refroidir depuis. Mais la théorie ne précise pas ce qui a créé cette expansion. Elle n'indique pas comment les galaxies et les étoiles se sont formées. Et elle ne dit pas quelle quantité de matière l'univers contient ou sous quelle forme elle est.

C'est là un détail important: la théorie du Big Bang autorise beaucoup de scénarii différents pour les détails de l'évolution et de la composition de l'univers. Ce n'est que les fondations sur lesquelles les modèles cosmologiques sont construits. On pourrait le comparer à une soupe de légumes. La recette de base est simple: faire cuire les légumes, les passer à la moulinette, ajouter de l'eau, et réchauffer le tout. Mais on peut utiliser des légumes différents, mettre plus ou moins d'eau, ou faire cuire selon des durées variables. On a alors des soupes qui n'ont pas le même goût, mais qui ressemblent plus ou moins à la photo du livre de cuisine.

De même, les cosmologues utilisent des recettes différentes basées sur la formule du Big Bang. Ils ajustent les constantes de leurs équations afin de créer des modèles d'univers qu'ils comparent ensuite à leur livre de référence: le ciel. Si la comparaison n'est pas bonne cela ne veut pas dire que le modèle du Big Bang est faux--mais simplement qu'ils n'ont pas utilisé la bonne recette, auquel cas ils doivent changer de recette et voir si la nouvelle a meilleur goût. Les cosmologues peuvent ne pas être d'accord sur la valeur de certaines constantes particulières, mais peu d'entre eux remettent en cause le Big Bang.

Pour prouver que le Big Bang est complètement faux, il faudrait que les astronomes observent un phénomène qui contredirait une de ses idées fondamentales. Ce serait par exemple le cas si la distribution des galaxies s'avérait ne pas être homogène, ou si on confirmait qu'il existe une étoile plus vieille que l'univers. De tels problèmes ont été soulevés, mais jamais confirmés. Au fil des ans, les trois preuves essentielles du Big Bang n'ont fait que devenir plus incontestables. L'une explique comment les éléments chimiques ont été créés; une autre explique à quelle vitesse l'univers grandit; et la dernière nous permet de voir le Big Bang lui-même.

Comment Fabriquer Un Elément

On dit parfois que nous sommes les enfants des étoiles. La plupart des éléments chimiques de notre corps, tels le carbone et l'oxygène, n'existaient pas dans la jeunesse de l'univers. Ils furent créés bien plus tard par les étoiles. Comment le savons-nous? Grâce à une théorie appelée la nucléosynthèse.

La nucléosynthèse décrit comment le coeur des atomes (noyaux) sont formés (synthétisés) dans l'univers. Il en existe deux types. L'un a eu lieu très tôt dans l'histoire de l'univers (pendant les trois premières minutes) et s'appelle par conséquent nucléosynthèse primordiale. L'autre type, la nucléosynthèse stellaire, est un processus qui a lieu en continu dans les étoiles comme notre soleil.

C'est la théorie de la nucléosynthèse qui a donné pour la première fois une assise solide au Big Bang. La nucléosynthèse primordiale est un mélange de la théorie du Big Bang et de la physique des particules aux hautes énergies. La théorie du Big Bang nous dit quelles conditions régnaient dans l'univers primordial et de quelle façon elles ont évolué au cours du temps. Les accélérateurs de particules reproduisent ces conditions, ou du moins s'en rapprochent. Il s'avère que certaines réactions nucléaires ont eu lieu à différents stades de l'évolution de l'univers.

Au départ l'univers était une soupe dense des particules subatomiques les plus élémentaires, connues sous le nom de quarks. Il n'existait pas encore de noyaux atomiques, même pas leurs briques élémentaires, les protons et les neutrons. L'univers se refroidissant, les quarks se sont regroupés pour former protons et neutrons. Le proton étant le seul composant du noyau de l'atome d'hydrogène, l'hydrogène fut le premier élément créé dans l'univers. Plus tard, des réactions nucléaires ont combiné protons et neutrons, formant de l'hélium et des traces de lithium.

Ce furent les trois éléments primordiaux, et ce sont les plus légers dans la table périodique. En buvant un verre d'eau, vous avalez des noyaux d'hydrogène aussi vieux que l'univers. De plus, la nucléosynthèse primordiale a produit un quatrième noyau atomique: le deutérium, une version de l'hydrogène qui possède aussi un neutron.

Tous les autres éléments--du bérilium à l'uranium--n'existaient pas jusqu'à quelques milliards d'années plus tard, quand les étoiles sont elle-mêmes passées à la nucléosynthèse. Les étoiles ne produisent pas de deutérium, mais elles créent un peu d'hélium en brûlant l'hydrogène. Ainsi, tout le deutérium et la plupart de l'hélium qu'on observe aujourd'hui datent de la naissance de l'univers.

La théorie prédit précisément les quantités d'éléments qu'on s'attend à voir dans l'univers. De plus, la théorie prédit ces quantités pour tous les éléments en même temps, alors que les observations sont indépendantes pour chaque élément. Si toutes les quantités observées étaient en accord avec la théorie sauf une, la théorie serait complètement rejetée. Pourtant, toutes ces mesures indépendantes concordent--un argument très persuasif en faveur de la théorie.

Vous pouvez voir cela comme un puzzle miniature. Si vous faites la moindre erreur en le construisant, vous vous retrouverez avec une pièce qui ne colle pas, et il vous faudra tout recommencer. D'un autre côté, si toutes les pièces s'emboîtent bien, vous pouvez être assez sûr que vous avez réussi. Ici, les pièces sont les mesures des quantités des éléments. Elles concordent.

The Universe

Qu'est-ce que les cosmologues entendent par "l'univers"? Manifestement, l'univers est composé de tout ce qui existe. Mais tout étudier serait bien trop compliqué, aussi les cosmologues étudient l'univers comme une entité--tout comme un docteur étudie votre corps tout entier sans songer à tous les atomes qu'il contient.

En regardant du haut d'une colline, on peut voir des objets à des distances différentes: herbe, arbres, bâtiments, planètes, étoiles, galaxies. En se concentrant sur une distance donnée, one peut regrouper les choses et traiter chaque groupe comme une entité: pelouse, forêt, système solaire, galaxie, amas de galaxies. Les amas de galaxies sont les éléments de base de la plus grande des entités: l'univers. Les amas les plus éloignés sont si distants qu'il a fallu pratiquement tout l'âge de l'univers pour que leur lumière nous arrive. Schéma de Kathleen L. Blakeslee pour la SAP.

<< previous page | 1 | 2 | 3 | next page >>

back to Teachers' Newsletter Main Page