The Universe in the Classroom

Big Bang

L'Univers Grandit

La seconde preuve du Big Bang vient de l'observation de l'expansion de l'univers. L'astronome américain Edwin Hubble devint célèbre dans le monde entier pour l'avoir mesurée dans les années 1920. Il remarqua que quasiment toutes les galaxies s'éloignent de nous--se déplaçant d'autant plus vite qu'elles sont éloignées. Il a établi que la vitesse (v) d'une galaxie est proportionnelle à sa distance (d) de nous: v = H × d, où H est un nombre connu aujourd'hui sous le nom de constante de Hubble. Cette équation s'appelle de nos jours la loi de Hubble et la soit-disant constante de Hubble n'est en fait constante que dans l'espace; elle varie dans le temps.

Pour avoir une image de ce que signifie la loi de Hubble, prenez un ballon et dessinez des points dessus. Quand vous le gonflez, vous voyez que la distance entre chaque paire de points augmente. Laissez sortir l'air, reprenez votre souffle, et recommencez l'expérience. Imaginez que vous êtes l'un des points regardant les autres points. De ce point de vue-là, tous les autres points semblent s'éloigner, comme des bateaux quittant un port dans des directions différentes. Peu importe quel point vous avez pris; tous les points voient la même chose.

A partir de cette analogie, les chercheurs ont déduit que la loi de Hubble est exactement ce à quoi on s'attend si l'univers est en expansion. Les galaxies d'un univers en expansion sont semblables aux points sur un ballon qu'on gonfle, ou à des bateaux dans un océan immense qui s'agrandit avec le temps.

Bien sûr les choses sont un peu différentes dans l'univers réel car nous ne somme pas sur la surface (bi-dimensionelle) d'un ballon. C'est notre univers tri-dimensionel qui est en expansion. Nous ne pouvons pas le voir de l'extérieur, comme c'était le cas pour le ballon. C'est une illustration parfaite du fait que notre vision est limitée parce que nous ne pouvons pas sortir de l'univers. Il nous est parfois impossible de visualiser ce qui se passe, et les chercheurs en sont réduits à parler en termes purement mathématiques.

La constante de Hubble est un des nombres les plus importants en cosmologie. En revenant à la loi de Hubble, vous constatez que la constante est une vitesse divisée par une distance. Comme la vitesse est elle-même une distance divisée par un temps, l'inverse de la constante de Hubble est simplement un temps. Il s'avère que ce temps est l'âge approximatif de l'univers.

Pour comprendre cela, imaginez que vous et votre frère alliez rendre visite à de la famille. Vous partez de la maison à la même heure, mais il va chez votre grand-mère à 120 kilomètres au nord, alors que vous allez chez votre oncle à 120 kilomètres au sud. Vous conduisez tous deux à une vitesse moyenne de 60 km/h. Quand vous arrivez, votre oncle vous demande combien de temps vous avez roulé, mais supposons que vous ne savez plus à quelle heure vous êtes parti(e). Connaissant la distance et la vitesse, vous calculez que vous avez conduit 120 kilomètres divisés par 60 km/h, soit 2 heures. Votre frère fait le même calcul. L'un par rapport à l'autre, vous avez fait 240 kilomètres à 120 km/h, ce qui correspond également à un voyage de 2 heures.

Cette situation est analogue à la loi de Hubble. Les astronomes peuvent estimer à quelle vitesse la Voie Lactée et la galaxie M100 s'éloignent l'une de l'autre, ainsi que la distance de l'une à l'autre. En divisant la distance par la vitesse, ils déduisent quand les deux ont dû partir du même point. On peut faire de même pour n'importe quelle paire de galaxies, et la loi de Hubble impliquera que toutes sont parties du même point au même moment--l'essence même de ce qu'on appelle le Big Bang.

Jusqu'à il y a deux ou trois ans, la constante de Hubble n'était connue qu'à un facteur 2 près, et sa valeur exacte donnait lieu à des débats houleux. Mais grâce essentiellement aux observations du Télescope Spatial Hubble, on pense maintenant qu'elle est comprise entre 60 et 70 kilomètres par seconde et par mégaparsec, ce qui implique que l'univers a environ 15 milliards d'années. C'est une valeur encourageante, car proche mais pas inférieure, à l'âge des plus vieilles étoiles connues, soit environ 14 milliards d'années.

D'autres mesures de la constante de Hubble correspondaient à un âge d'environ 10 milliards d'années, ce qui remettrait en question toute la théorie du Big Bang. Ces mesures ont fait beaucoup de bruit dans la presse au cours de ces dernières années. En fait, des estimations plus anciennes donnaient un âge encore inférieur! Mais la conversion exacte de la constante de Hubble à l'âge de l'univers n'est pas aussi simple que la division d'une distance par une vitesse. D'autres effets pourraient rendre l'univers plus vieux que ne le laisse croire la constante, tout comme, dans l'exemple précédent, le trajet aurait pris plus de deux heures si vous vous aviez fait une pause café. Quoi qu'il en soit, les observations semblent maintenant converger vers une valeur qui est tout-à-fait cohérente avec le Big Bang.

Masquez Vos Yeux

Bien sûr, la façon la plus simple de prouver le Big Bang serait de vérifier ce qu'on trouve quand on regarde dans le passé jusqu'à l'origine des temps. Comme la lumière voyage à une vitesse finie, un objet vu aujourd'hui est en fait tel qu'il était quand il a émis sa lumière. Donc, plus on regarde loin, plus on remonte dans le passé. On voit la Lune telle qu'elle était il y a une seconde, le soleil tel qu'il était il y a 8 minutes, la galaxie d'Andromède telle qu'elle était il y a deux millions d'années. Pourquoi ne pas regarder jusqu'au bout?

Malheureusement, cela n'est pas possible. Dans sa jeunesse, l'univers était trop chaud et dense pour que la lumière puisse se propager. Il était rempli de lumière, mais aussi d'électrons, qui bousculaient les particules de lumière et les maintenaient confinées. L'espace était opaque. Du moins jusqu'à environ 300,000 ans après le début du Big Bang.

C'est alors que les noyaux atomiques ont attrapé les électrons et mis fin à leur agitation. Tous ces photons étaient enfin libre de s'échapper. Ils s'en allèrent dans toutes les directions, comme le flash de lumière d'une bombe. La théorie du Big Bang prédit qu'on devrait voir une trace de cette lumière sous la forme d'une lumière qui semble venir de tout autour de nous. On ne peut pas voir le Big Bang se produire de plus près que cela. C'est l'horizon de l'univers observable.
Inside the Big Bang
L'illumination primordiale. Une explosion produit un flash brillant, n'est-ce pas? Et bien le Big Bang a produit son propre flash, dit "rayonnement cosmique de fond." Tout comme nous sommes à l'intérieur de l'univers, nous sommes à l'intérieur du Big Bang, et donc le flash est tout autour de nous. On ne peut pas le voir avec nos yeux parce que le Big Bang a eu lieu il y a tellement longtemps que le flash s'est atténué. Mais il peut encore être observé par les télescopes radio, et en fait il crée des interférences avec les satellites de communications. Le flash a eu lieu au moment où l'univers est devenu transparent, 300,000 ans après le début du Big Bang. En première approche, le flash est assez uniforme. Mais quand on l'amplifie 100,000 fois, on voit des zones claires et sombres. Ces zones représentent des concentrations de matière qui sont ensuite devenues des amas de galaxies. Image fournie par Charles L. Bennett, Centre des Vols Spatiaux Goddard.

Heureusement, cette lumière n'est pas aussi intense qu'elle l'était il y a des milliards d'années. L'expansion de l'univers a tellement allongé sa longueur d'onde que la lumière est devenu du rayonnement micro-ondes.

La découverte de ce rayonnement en 1965 fût le triomphe ultime de la théorie du Big Bang. Aucune autre théorie ne pouvait l'expliquer. Depuis 1989, le satellite COsmic Background Explorer mesure ce rayonnement et a trouvé qu'il est presque identique dans toutes les directions: il est isotrope, comme le prédit la théorie (voir diagramme p. *).

Le satellite a bien trouvé que le rayonnement varie de quelques millionièmes sur l'ensemble du ciel, ce qui signifie que l'univers avait perdu un peu de son uniformité au moment où il a libéré cette lumière. Loin de réfuter le Big Bang, ce manque d'uniformité fut une victoire pour les modèles de formation des galaxies basés sur cette théorie. Après tout, à petite échelle, l'univers n'est pas homogène. On trouve des galaxies, des planètes, des champignons. Il fallait bien qu'il arrive un moment où l'univers parfaitement uniforme se mette à former des grumeaux. Les théoriciens pensent maintenant que l'imperfection de l'uniformité du rayonnement représente les germes des structures qu'on observe aujourd'hui. Certains vont même jusqu'à dire que cela pourrait refléter les processus physiques qui ont donné lieu au Big Bang à l'origine. Un cosmologue s'exclama qu'on voyait le visage de Dieu, un fossile de la création.

A ce stade, la limite entre science et religion se fond. Ce n'est pas très surprenant, car la cosmologie tente de répondre à des questions qui sont parmi les plus fondamentales que nous puissions avoir.

On peut se servir de la science pour découvrir quand le temps a démarré, d'où nous venons, et ce que notre destin peut être. Mais nous ne pouvons cependant pas dire ce qu'il y avait avant le début des temps, où ce qu'il y a au-delà de l'univers. L'univers dans lequel nous vivons est le seul que nous puissions atteindre par l'observation, et les lois de la physique que nous connaissons ne peuvent pas être extrapolées à une date hypothétique antérieure au Big Bang. Ce sont-là des sujets philosophiques et théologiques que la science ne peut pas et n'essaye pas d'aborder.

La théorie du Big Bang dit bien que l'univers a eu un début et qu'il aura peut-être une fin. D'autres théories, comme celle de l'univers immuable, prétendaient que l'univers est éternel. Mais cela s'est avéré être en contradiction avec les observations. Il se peut qu'un jour la théorie du Big Bang soit aussi remplacée par une théorie meilleure et plus complète. Peut-être que cette théorie répondra aux questions à propos d'"au-delà" et d'"avant." Mais même si la théorie du Big Bang n'est pas la réponse définitive, c'est la seule théorie scientifique qui puisse expliquer tout ce que l'on sait sur l'univers à l'heure actuelle.

PHILIPPE BRIEU est un chercheur associé à l'Université du Michigan à Ann Arbor. Il étudie la formation des structures dans l'univers à l'aide de super-ordinateurs (un domaine connu sous le nom de cosmologie numérique). Son adresse électronique est:philippe@astro.physics.lsa.umich.edu.

Le Destin de l'Univers

Les cosmologues ne s'intéressent pas qu'au passé de l'univers. Ils peuvent aussi faire des prédictions savantes sur son avenir.

Le devenir l'univers dépend de la quantité de matière qu'il contient. C'est parce que la gravité est la force qui domine l'univers, et plus il y a de matière, plus cette force est importante. La gravité (qui attire les objets) est donc en concurrence avec l'expansion (qui les sépare).

Si la masse totale de l'univers est plus grande qu'une certaine masse, dite mass critique, la gravité l'emportera. L'expansion finira par ralentir, s'arrêtera, et fera demi-tour. L'univers se contractera jusqu'à ce qu'il atteigne un état infiniment petit et dense semblable à celui où le Big Bang a eu lieu. Ce point est appelé le Big Crunch. En théorie, le cycle d'expansion et de contraction se poursuit ainsi. Les cosmologues appellent ce destin un univers fermé.

D'un autre coté, si la masse de l'univers est inférieure ou égale à la masse critique, l'expansion aura le dessus. L'univers n'arrêtera pas de grandir. Après bien des milliards d'années, toutes les étoiles se seront éteintes, aucune nouvelle étoile ne pourra se former, et la vie telle que nous la connaissons ne sera plus en mesure de se maintenir. Les cosmologues appellent ce destin un univers ouvert, ou, si sa masse est exactement égale à la masse critique, un univers plat.

En gros, le destin de l'univers diffère peu du lancer d'une balle en l'air. Dans ce cas-là aussi, la gravité fait concurrence à une force initiale: celle du bras qui lance la balle. En général le balle monte, s'arrête, puis retombe. Cela correspond à un univers fermé: la gravité l'emporte. Mais avec suffisamment de force on pourrait envoyer la balle dans l'espace et elle ne reviendrait jamais sur Terre. Cela correspond à un univers ouvert: la force initiale a le dessus.

Quel destin est-ce que ce sera? Comme vous pouvez vous en douter, mesurer la quantité totale de matière dans l'univers n'est pas une mince affaire. Non seulement cela demande d'additionner toutes les étoiles et galaxies qu'on peut voir, mais il faut aussi y ajouter toute la matière qu'on ne peut pas voir: la matière sombre dont la présence n'est révélée que par les forces qu'elle exerce sur la matière visible. Pour l'instant les observations semblent indiquer que l'univers est ouvert, alors que la théorie préfère un univers plat. Ceux qui pensent que l'univers se contractera vers un Big Crunch ne sont pas nombreux.
Size/Age of Universe graph
Croissance exceptionnelle. Comme un embryon humain se développant dans un ventre, l'univers était minuscule avant de grandir jusqu'à sa taille et sa complexité actuelles. Au cours de sa croissance, les différentes choses qui nous paraissent aujourd'hui acquises--l'espace et le temps, les forces physiques, les particules subatomiques, les noyaux atomiques, les atomes, les étoiles, les planètes, la vie--se formèrent l'une à la suite de l'autre. Aux tous premiers instants, le taux de croissance était beaucoup plus élevé qu'aujourd'hui. C'est pourquoi nous avons présenté cet historique avec une échelle logarithmique. A savoir, l'espacement entre chaque graduation représente un facteur de 10 milliards en distance (axe vertical) ou temps (axe horizontal). Il se peut que l'univers continue son expansion à jamais, ou il se peut qu'elle finisse par s'arrêter et que l'univers se contracte jusqu'à un Big Crunch ("Grand Effondrement"). Ce schéma est tiré en partie d'un dessin de Chris D. Impey, Observatoire Steward.

tuyaux pour des activités en classe

Le livre d'activités "L'Univers aux Bout des Doigts" de la SAP (disponible dans le catalogue des articles éducatifs de la SAP) fournit plusieurs activités pratiques liées à la cosmologie. Dans l'activité HM-P2, les élèves fabriquent un historique de l'univers. Dans HM-P4, HM-P5, et HM-P6, ils étudient la loi de Hubble et l'expansion de l'univers. Dans DM-P9, ils étudient ce qu'est une "année-lumière." Pour d'autres idées sur l'enseignement de la cosmologie, voir "Banging Your Head on the Big Bang," Mercury, Septembre/Octobre 1996, p. 8.

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