Une vue actuelle de l'Univers

L'état actuel de la connaissance scientitique en matière cosmologique repose sur deux théories: la théorie de la Relativité, sur le plan de l'explication des grandes structures de l'Univers, le "Modèle standard", ou "physique quantique", sur le plan de la physique des particules. Ce sont, depuis les années 1970, les deux théories scientifiques qui rendent compte du monde physique et qui sont les bases sur lesquelles se poursuivent les études le concernant. Ces deux théories se fondent sur la révolution scientifique des début du XXème siècle qui sont venues dépasser la théorie newtonienne du monde, celle qui était associée à la précédente révolution scientifique, celle de la Renaissance et des Temps modernes. Ces deux théories ne sont cependant pas encore une vue certaine et définitive de l'Univers, même si elles s'en rapprochent. Cette vue est la suivante: à un temps 0, une explosion, dite le "Big Bang", a lieu. Le temps 0 est expliqué, au mieux des connaissances actuelles, comme une "singularité quantique": la physique quantique explique que, dans le vide, au sens scientifique, peut exister de l'énergie, laquelle peut parfois se transformer en matière; c'est une telle transformation d'une énergie et d'une température immenses qui constitue le Big Bang. L'explosion donne quasi immédiatement naissance à toutes les particules fondamentales de l'Univers et à une expansion ininterrompue de celui-ci. Tout le reste est actuellement spéculation: en effet, on n'arrive pas à relier la théorie de la Relativité et la physique quantique car cette dernière ne possède pas d'explication de la gravité (pour la Relativité, la gravité provient de la courbure de l'espace-temps, cet élément qui est la toile de fond de tout ce qui constitue l'Univers); la conséquence est que la science ne permet de comprendre totalement les mécanismes qui se déroulent entre l'explosion originelle et une fraction infinitésimale de temps et de dimension de l'Univers (qu'on appelle le "temps de Planck" et la "dimension de Planck). Avant les valeurs de Planck, selon les lois de la physique quantique, l'Univers entier devrait se comporter comme un système glocal, décrit par une fonction d'onde (soit la description de l'état quantique et du comportement d'une particule lesquels sont fonction de l'espace et du temps, ce qui se traduit habituellement par une description probabiliste); mais les équations pour définir celle-ci sont cependant très compliquées. C'est ce manque d'explication, ainsi que la découverte récente d'une part de la "matière noire", composante essentielle de l'Univers mais dont on ne sait rien et, d'autre part, de l'"énergie noire", cette accélération de l'expansion de l'Univers qu'on ne sait pas expliquer, qui suscitent différentes tentatives d'explications, lesquelles, à l'heure actuelle, ne peuvent, pour aucune d'entre elles, être démontrées scientifiquement. A ce qui précède -on commencerait de comprendre le comment de l'Univers- se mêlent nécessairement des considérations philosophiques ou religieuses -on pose nécessairement la question du pourquoi de celui-ci

Le Big Bang, modèle théorique dominant de l'Univers

Au début du XXème siècle, les astronomes ne comprenaient toujours pas complètement ce qu'ils observaient, spécialement ce qu'ils appelaient les "nébuleuses spirales" -ce qu'aujourd'hui on appelle les galaxies. L'époque, par ailleurs, en vint aussi à être celle de la révolution einsteinienne, ce moment où Einstein et d'autres physiciens fondèrent de nouvelles bases pour l'explication du monde physique, qui remplacèrent celles de l'ancienne physique newtonienne. Sur la base que la vitesse de la lumière est constante et que l'espace-temps est courbé du fait de l'interaction des objets qui s'y déplacent, Einstein, finalement, énonça ses "équations du champ", soit une série de formules mathématiques qui, lorsqu'on les développe ou les détaille, permettent de supposer, prouver ou décrire des caractéristiques ou des objets spécifiques du monde physique. La cosmologie, y compris du point de vue d'Einstein lui-même, devint rapidement l'un des champs d'application favoris de ces concepts nouveaux. Comme les idées cosmologiques d'alors défendaient, pour l'essentiel, une vue statique de l'Univers, Einstein ajouta à ses équations une "constante cosmologique", d'autant que ses vues amenaient un Univers dynamique, soit en contraction soit en expansion, puisque l'espace-temps était courbé par la masse, ce qui entraînait un mouvement. La logique interne de la Relativité était que l'Univers devait être en contraction. En 1922, le cosmologue et mathématicien russe Alexandre Friedmann put réellement démontrer, à partir des équations d'Einstein que l'Univers pouvait soit être en expansion, soit en contraction mais, en tout état de cause, dynamique. De Sitter, un autre cosmologue et mathématicien, lui, fut partisan que l'Univers devait être statique pour cause de manque de matière. En 1924, l'Américain Edwin Hubble démontra que les nébuleuses spirales étaient des "univers-îles" semblables à comment les astronomes considéraient alors notre propre Galaxie. En 1931, un clerc belge, membre de l'Université de Louvain, l'abbé Lemaître avait, de façon indépendante, procédé à la même démarche que Friedmann de développer les équations d'Einstein et suggéra que l'expansion évidente de l'Univers dans le temps pouvait probablement laisser penser que, si l'on remontait dans le temps, l'Univers devait avoir été contracté dans un "atome primitif" qui se trouverait être à l'origine de tout ce qui existe. En 1929, se fondant sur une idée que Lemaître avait déjà énoncée, Hubble, à l'observatoire du Mont Wilson, finit par découvrir une corrélation entre la distance et la vitesse d'éloignement des galaxies -ce qu'on appelle maintenant la "loi de Hubble"- les galaxies s'éloignant les unes des autres à des vitesses extraordinaires, ce qui accroissait spectaculairement les dimensions de l'Univers. Einstein, dont l'idée de l'éternité de l'Univers se situait dans la longue tradition d'Aristote (qui contredisait Platon et les Pythagoriciens qui pensaient que l'Univers avait un début) finit par admettre l'idée de l'expansion de l'Univers vers 1931. De telles découvertes, cependant, ne formèrent pas, à l'époque, une théorie globale et, même, des théories concurrentes furent proposées

->Le travail sur les équations d'Einstein
Cosmologiste belge, Georges Lemaître, ainsi que d'autres, dans les années 1920, ont fait remarquer qu'un Univers remplissant les conditions de la théorie de la Relativité devait être soit en expansion, soit en contraction et Edwin Hubble, astronome américain -ainsi que d'autres- montra qu'en fait il était en expansion. Mais résoudre les équations d'Einstein, pour ce qui était de la cosmologie, cependant, était impossible sans passer par des hypothèses permettant de simplifier les calculs. L'hypothèse utilisée par Lemaître et les autres théoriciens relativistes des débuts fut que la matière était un continuum homogène dans tout l'Univers et non pas concentrée dans les étoiles et les galaxies. Ensuite, les calculs relativistes complets restèrent compliqués, même pour les ordinateurs. Il est possible qu'un "truc" nécessaire fut d'accepter l'hypothèse, pour ce qui était des zones de relativement petite taille étudiées, que des régions de légère sur-densité se développaient en des structures grumeleuses du fait de la gravité -donc aussi un développement inégal, et, d'autre part, d'admettre, à grande échelle, une distribution homogène de la matière de l'Univers

la Terre et les galaxies courbent l'espace-temps, déterminant la gravité. site 'Amateur Astronomy'

->Les découvertes de Hubble Dans les années 1920, Hubble comprit que les galaxies étaient des univers-îles, identiques à la Galaxie dont nous faisions partie et que, sur la base des variables céphéides, elles s'éloignaient de nous. Les astronomes alors, considéraient la Galaxie comme un "univers-île" et ils pensaient qu'il n'existait rien au-delà d'elle. La galaxie d'Andromède, par exemple, n'était qu'un des nombreux faibles et flous patchs de lumière que les astronomes rangeaient sous le nom de "nébuleuses spirales". Ils ne savaient pas vraiment si celles-ci faisaient partie de la Galaxie ou étaient des univers-îles indépendants. Ce que détermina exactement Edwin Hubble lorsqu'il put observer une variable de type céphéide dans la galaxie d'Andromède; cette étoile, la "Variable Hubble n°1", "V1", toujours observable aujourd'hui dans la galaxie, devint ainsi l'étoile la plus importante de l'histoire de la cosmologie. La vue en existe encore aussi sur une plaque photographique 10 x 12,5cm. En 1923, Hubble passa plusieurs mois à examiner la galaxie d'Andromède avec le télescope Hooker de 2,5m, le plus puissant télescope de l'époque, qui se trouvait à l'observatoire du Mt Wilson, en Californie. La nuit du 5 octobre 1923, Hubble entreprit une séance d'observation, qui se prolongea jusqu'au premières heures du 6. Les conditions d'observations étant assez mauvaises, il fit une photographie de 45mn qui révéla la présence de 3 novas, une catégorie d'étoiles explosives qu'on utilisait alors pour le calcul des distances (et ce calcul, d'ailleurs, n'était que très approximatif). Il inscrivit à côté de chacune d'entre elles la lettre "N" pour "nova". Un peu plus tard, Hubble, en comparant cette plaque avec une autre prise auparavant des mêmes novas: l'une d'entre elles avait une variation de luminosité régulière sur un laps de temps court, qui ne pouvait être celui d'une nova. Il fit des observations supplémentaires de l'étoile qui lui permirent de tracer la courbe de la variation: la luminosité de l'étoile variait selon un cycle de 31,4 jours. Cela correspondait exactement à la courbe de luminosité d'une céphéide! La courbe permettait donc, comme pour toutes ces étoiles, de calculer sa magnitude absolue et, de là, de calculer sa distance...Les calculs donnèrent 1 million d'années-lumière. Sur la plaque, Hubble reprit son stylo, barra le "N" et nota "VAR", pour variable, suivi d'un point d'exclamation. Hubble venait donc de clairement comprendre que la galaxie d'Andromède n'appartenait pas à notre Galaxie! Avant sa découverte, en 1920, par exemple, un débat public entre deux astronomes montrait que les points de vue alors en étaient encore à considérer que soit la Galaxie devait être petite si l'on voulait qu'il y eut de la place pour d'autres univers-îles soit ou que les nébuleuses spirales devaient être beaucoup plus petites que la Galaxie si l'on voulait qu'elles puissent y être contenues. Un des ces astronomes et Henry Norris Russel pressèrent Hubble d'écrire un article pour un meeting conjoint de l'American Astronomical Society et de l'American Association for the Advancement of Science, qui devait se tenir en décembre 1924. Hubble, en fait, des mois auparavant, avait déjà informé les astronomes les plus réputés du temps. L'article fut intitulé "La nature extra-galactique des nébuleuses spirales". Les observations de l'étoile V1 par Hubble furent le premier pas dans la découverte d'un Univers plus grand et plus vaste. Il continua de découvrir de nombreuses galaxies, lesquelles lui permirent alors de découvrir que l'Univers était en expansion. Hubble prouvait ainsi que c'était le concept d'un Univers en expansion qui était juste

En 1945, deux théories seulement restèrent face à face et celle du Big Bang commence d'être largement connue. Celle de Fred Hoyle dite, en anglais, du "Steady State model", une théorie d'un univers statique car bien que l'Univers semblât en expansion cela n'était dû qu'au fait que de la matière nouvelle était constamment créée et la théorie du Big Bang de l'abbé Lemaître, qui avait été développée par Gamow. C'est Fred Hoyle qui, de façon ironique, fut celui qui inventa les termes "Big Bang" au cours d'une émission radio de la BBC en mars 1949. Lemaître, lui, utilisait les termes "grand bruit" pour qualifier l'explosion originelle. Seules les observations permirent de départager les deux théories, essentiellement via le comptage des radio-sources de l'Univers. Le modèle du Big Bang fut finalement consolidé par la découverte et la confirmation de la radiation micro-ondes cosmique de fond, ou CMB (de l'anglais "cosmic microwave background radiation"), en 1964. Le concept avait été prédit par Ralph Alpher and Robert Herman, les associés de Gamow. La CMB fut découverte accidentellement par Arno Penzias and Robert Wilson qui utilisaient un nouveau récepteur à micro-ondes pour régler les communications avec les satellites en tant qu'employés de la compagnie américaine Bell; ils entendaient une fréquence de fonds uniforme (ils soupçonnaient même qu'un nid de pigeons était responsable). Dans le train qui le menait à Princeton pour chercher une explication, Penzias rencontra un physicien qui le mit en contact avec deux collègues qui recherchaient ce son depuis 2 ans; il s'agissait du son du Big Bang, des micro-ondes sous forme d'empreinte électromagnétique. Une autre preuve du Big Bang, d'une façon générale, est le fait que le ciel est noir la nuit: il n'y a pas une infinité d'étoiles luisant depuis une infinité de temps. De meilleures preuves encore furent apportées, à la fin du siècle, par les télescopes spatiaux ou des missions spatiales spécialement conçues pour cela comme la mission COBE, le télescope spatial Hubble ou la mission WMAP, lesquels permirent des mesures précises de nombre de paramètres de la théorie du Big Bang. Le télescope Hubble joua un grand rôle en permettant des recherches loin dans le passé: les observatoires terrestres, dans les années 1990, atteignaient 7 milliards d'années; le Hubble permit d'atteindre les 12 milliards d'années en 1995 puis seulement 800 millions d'années après le Big Bang en 2004 et 480 millions d'années en 2010. La distance-temps de 200 millions d'années après le Big Bang devrait être atteinte, dans les années qui viennent, par le remplaçant du Hubble, le télescope spatial James Webb. Par ailleurs, les progrès en matière de physique des particules, l'achèvement du Modèle Standard de la physique dans les années 1970 puis les recherches ultérieures dans le domaine de la physique quantique vinrent aussi compléter le Big Bang en permettant de mieux comprende le monde des particules et, donc, la physique des débuts de l'Univers. La mission WMAP ("Wilkinson Microwave Anisotropy Probe") de la NASA, qui a été lancée en 2001 et dont les derniers résultats ont été publiés fin 2012, a confirmé le modèle du Big Bang: l'étude du rayonnement de fond a permis de transformer définitivement la cosmologie d'une science de la spéculation en une science précise. Elle a vraisemblablement inauguré ce qu'on pourrait appeler le "Modèle standard de la cosmologie". WMAP a déterminé les valeurs du Big Bang avec une précision 68000 fois plus élevée qu'auparavant. Les traces du rayonnement de l'Univers, à une époque où il était âgé de 375 000 ans permet de "cadrer" ce qui s'est produit aussi bien avant que dans les milliards d'années qui ont suivi, confirmant aussi la version la plus simple de la théorie dite de l'"inflation", lorsque l'Univers, en moins d'un mille milliardième de mille milliardième de seconde s'est accru de plus de mille milliards de mille milliards de fois. A l'aide de l'"effet Sunyaev-Zel'dovich" (SZ), qui fut observé dans les années 1980, on peut observer les photons micro-ondes constitutifs de la CMB qui, au cours de leur périple jusqu'à nous, ont pu traverser des amas de galaxies contenant des électrons de haute énergie, ce qui a donné aux photons CMB un léger regain d'énergie. Cette observation est utile pour la localisation et la distribution des amas de galaxies dans l'Univers. Jusqu'en 1966, les plus grands télescopes terrestres ne pouvaient observer que la moitié de l'Univers qu'on peut observer aujourd'hui. Il y a 4 milliards d'années, l'Univers n'était pas si grand et les objets de celui-ci étaient plus proches les uns des autres

les missions COBE, WMAP et Planck ont successivement amélioré la précision de l'image de la CMB. site 'Amateur Astronomy'

L'Univers selon le Big Bang vu chronologiquement

Sur la base de la mesure de l'expansion de l'Univers, les plus récentes données montrent que l'Univers est apparu il y a 13,75 milliards d'années. La période la plus précoce de l'Univers se déroule entre le temps zéro et aux alentours de 10-43 secondes. C'est ce qu'on appelle le "temps de Planck". Les seules expériences scientifiques réalisables sur cette époque de Planck sont les missions spatiales qui étudient la radiation cosmique de fond ou des détecteurs à neutrons. Les données réalisées dans les accélérateurs de particules fournissent également des aperçus sur le temps de Planck; les physiciens, par exemple, en brisant les particules en particules toujours plus petites, ont pu comprendre que le "plasma quark-gluon", cette phase de la matière à ses débuts, a un comportement de liquide plutôt que de gaz; le Large Hadron Collider du CERN, à Genève, en Suisse, devrait pouvoir atteindre des phases encore plus lointaines de la matière même si aucun accélérateur -actuel ou programmé- ne sera capable d'étudier directement l'époque de Planck. Dans le plasma primordial, la radiation électromagnétique est tellement liée aux particules que les lois ordinaires de l'électrodynamique -dont celles de l'électrodynamique quantique- ne s'appliquent plus. De là découle que toutes les théories concernant les débuts de l'Universe sont essentiellement spéculatives, que la physique, à ces températures, est mal comprise et que les scénarios proposés diffèrent radicalement. Le point de départ de l'Univers a une dimension 1 milliard de milliards de milliards de fois plus petite que le noyau de l'atome d'hydrogène; il est très énergétique et a une température de 100 000 milliards de milliards de milliards de degrés. Le principal problème qui a trait à l'époque de Planck est que le Big Bang est essentiellement décrit à la fois par la théorie de la Relativité générale, qui est une théorie de la gravité, et par la physique des particules, laquelle a été standardisée dans les années 1970 dans le cadre de ce qu'on appelle le Modèle standard de la physique, soit la physique quantique. Mais la gravité et les trois forces fondamentales du Modèle standard sont restées, jusqu'à maintenant, irréconciliables même si les physiciens, de diverses manières, cherchent à unifier la Relativité et la physique quantique. Parce que le lien de causalité en théorie quantique parle de la façon dont les objets s'influencent les uns les autres à travers le temps et l'espace, il pourrait aider à unir le Modèle standard avec la Relativité générale (dans laquelle la structure causale joue un rôle central). D'une part, la Relativité dit qu'une singularité gravitationnelle est à l'origine de l'Univers et, donc, cette singularité possède donc, en soi, une densité infinie. De l'autre, la physique quantique, permet à cette singularité de quitter son état. Aussi, on comprend encore mal comment, exactement, les forces fondamentales -et la gravité- étaient, ou pas, unifiées et comment elles sont devenues des forces séparées. Donc il serait utile d'utiliser la gravité sous sa forme d'une gravité quantique: les effets quantiques de la gravité ont vraisemblablement été importants à ce moment, spécialement pour faire passer la singularité de sa masse infinie aux différents constituants de l'Univers. Ainsi, une théorie de champ quantique de la gravité, cohérente et mathématiquement rigoureuse, ou "gravité quantique", est en construction mais pas encore terminée. La théorie de la gravité quantique, en clair, permettrait d'avoir une vue unifiée, au moment du temps de Planck -ce temps où l'infiniment grand se confond avec l'infiniment petit- des quatres forces fondamentales du modèle standard de la physique, cette synthèse du monde des particules des années 1970, ce qui serait la "théorie du Tout". Pour ce qui est de ce qu'il pourrait y avoir eu avant le moment inital du Big Bang, une idée, qui se réfère aux Pythagoriciens est qu'il pourrait avoir existé une forme de "code cosmologique" (de la même façon que l'ADN est à l'origine d'un être humain); il pourrait s'agir d'une sorte de "brume de nombres", une réalité numérique non encore matérialisée. L'Univers, pendant cette première phase, a atteint une dimension maximale, la "longueur de Planck", qui est la distance parcourue par la lumière pendant 1 temps de Planck, 1,616 × 10-35 mètres. Incroyablement chaud et dense, l'état de l'Univers pendant la période de Planck est instable ou transitoire et tend à évoluer. Aux dimensions et au temps les plus infimes qu'on peut mesurer aux débuts de l'Univers, les trois dimensions de l'espace et le temps semble unis et sans structures. Certains aspects de la mécanique quantique cependant prédisent que l'espace-temps ne serait pas uni mais plutôt d'une nature "mousseuse", mutile et consisteraient en fait de plusieurs régions de petite taille, sans cesse changeantes pour lesquelles il n'y aurait plus ni espace ni temps mais que ces deux éléments varieraient. On pense que la taille de la "mousse quantique" est de quelques dizaines de fois un millionième du diamètre du noyau de l'atome d'hydrogène. En-dessous de la longueur de Planck, aucun instrument ne peut rien mesurer de plus petit car, du fait du principe d'incertitude de la mécanique quantique, l'Univers est tout simplement probabilistique et indéterminé. La longueur de Planck marque aussi la frontière entre Relativité générale et mécanique quantique: le champ gravitationnel, en-dessous, est tellement fort qu'il peut, par exemple, faire naître un trou noir de la simple énergie du champ. Si la singularité du Big Bang s'avère être d'un type quantique -une "singularité quantique" ou "fluctuation quantique"- elle était remplie, de façon homogène et isotropique, d'une densité d'énergie incroyablement élevée, de fortes températures et pressions et les forces physiques qui s'exercent à ce moment sont d'une nature primordiale. Seule la gravité quantique pourrait décrire l'espace-temps de cette période. Dans tous les cas, c'est de ce moment, qu'on ne peut décrire, d'une puissance énorme, que l'Univers naît en tant qu'émission extraordinaire d'énergie, ce qui explique que l'histoire de l'Univers depuis lors consiste en une expansion et un refroidissement continus. On notera que, plutôt que dire que la matière et l'énergie de l'Univers sont nés d'un point de l'espace et du temps, il est mieux que l'espace ait été créé, avec un certain volume, fixe, d'énergie et de matière, la suite s'étant surtout exprimée en termes d'expansion. Si l'on associe le boson de Higgs au Big Bang -le boson de Higgs est une particule qui donnerait leur masse aux particules du Modèle standard de la physique, toutes les particules, avant la rupture de l'équilibre originel, sont à une énergie zéro, une masse zéro et sont en équilibre et symétriques au sein de la longueur de Planck, soit un espace excessivement petit. Lorsque l'équilibre est rompu, l'Univers, alors, commence et le boson de Higgs -et le champ de Higgs qui lui est associé- donne leur masse aux particules; la symétrie est rompue. Du point initial, l'Univers, en 3 minutes, va passer à une température de 1 milliards de degrés seulement et l'essentiel de la masse de l'Univers aura été créée

une chronologie de l'histoire de l'Univers (les légendes en anglais sont traduites). site 'Amateur Astronomy'

Une seconde phase fondamentale est l'apparition, en termes de forces et de caractéristiques des particules fondamentales, du Modèle Standard actuel: à 10-32 secondes, la force atomique forte se sépare de la force atomique faible et de l'électromagnétisme, lesquels restent unifiés sous la forme de la force 'électrofaible'. A 10-11s, la force faible et la force électromagnétique se séparent à leur tour. L'Univers est alors constitué d'un plasma quark-gluon ainsi que de toutes les autres particules élémentaires. Les températures sont si élevées que le mouvement aléatoire des particules se fait à des vitesses relativistes. Ce moment est aussi celui auquel des paires de particules-anti-particules sont créées et détruites en permanence. En effet, à un moment donné, une réaction encore inconnue, appelée "baryogénèse" a violé le "principe de conservation du nombre des baryons" et a fait que seul un excès infime de quarks et de leptons ont survécu à leurs anti-particules, de l'ordre d'1 pour 30 millions, ce qui, en d'autres termes, a assuré, dans l'Univers, la prééminence de la matière sur l'anti-matière. Lorsque matière et anti-matière se sont annihilées l'une l'autre, cela s'est traduit en photons. L'Univers, alors, avait continué son expansion et les températures avaient chuté, l'énergie de chaque particule décroissant. Un processus dit "transitions de phase rompant la symétrie" (en anglais, "breaking phase transitions"), alors, stabilisa définitivement les forces physiques telles que nous les connaissons actuellement, soit le Modèle Standard, en termes de forces et de paramètres des particules élémentaires

A 10-11s commence une période de transition au cours de laquelles ces particules et forces fondamentales amènent à la création des briques fondamentales des objets de l'Univers, essentiellement pour la raison que les énergies des particules on chuté à des valeurs qu'on peut atteindre dans les accélérateurs de particules. A 10-6s, les quarks et la force transportée par les gluons forment les baryons, soit les protons et les neutrons et les électrons et les positrons se forment ensuite. On notera que la prééminence de la matière sur l'anti-matière se perpétue au cours de ces créations car la température n'est plus suffisamment élevée pour former de nouveaux couples particules-anti-particules et donc que des annihilations de masse de ceux-ci s'ensuivent immédiatement. Cela ne laisse que moins de briques fondamentales et aucune de leurs anti-particules. Entre 10-2s et 3 minutes après le Big Bang, les noyaux des atomes se forment car les particules fondamentales ont cessé de se déplacer à des vitesses relativistes. L'équilibre énergétique de l'Univers est alors essentiellement composé de photons, avec un peu de neutrinos et la température est maintenant d'1 million de degrés K alors que la densité est celle de l'air que nous respirons. Selon un processus qui avait été prédit par Gamow, dit la "nucléosynthèse du Big Bang" ou "BBN" (de l'anglais "'Big Bang nucleosynthesis") la plupart des protons ne se combinent pas à d'autres particules et forment donc des noyaux d'atome d'hydrogène; certains, en s'associant à des neutrons, forment des noyaux de deutérium et d'hélium. La chaleur de l'Univers à ses débuts était tel que toute la matière existante n'était qu'un plasma dense, qui absorbait la lumière et rendait l'Univers opaque. L'Univers, qui commençait dans un état extrêmement lisse -la matière étant également répartie il y a 4 milliards d'années- allait devenir grumeleux, les galaxies, les nuages de gaz et autres structures apparaissant et constituant l'Univers filamenteux

->L'assymétrie matière-anti-matière reste peu comprise L'assymétrie entre la matière et l'anti-matière dans l'Univers reste, sur un plan théorique, non expliquée. Les observations laissent penser que l'Univers, dès sa plus lointaine origine, était presqu'entièrement composé de matière seulement. Un processus inconnu, la "baryogénèse" a créé l'assymétrie. Pour qu'il puisse se produire il faut qu'aient existe les "conditions de Sakharov": non-conservation du nombre des baryons, violation des symétries C et CP, écart de l'Univers par rapport à l'équilibre thermodynamique. Toutes ces conditions s'observent dans le Modèle Standard mais l'effet n'y est pas suffisamment fort pour expliquer l'assymétrie actuelle des baryons. Plusieurs théories s'efforcent d'expliquer l'assymétrie: la matière et l'antimatière n'auraient pas une même masse (avec charges et spins opposés); un peu plus de matière aurait existé au moment du Big Bang et l'avantage se serait maintenu. Une voie d'avenir d'approfondir la question est de mesurer spectroscopiquement la "structure hyperfine" (les variations de niveaux d'énergie) dans les anti-atomes

L'hydrure d'hélium est la première molécule qui s'est formée après le Big Bang, 100 000 ans après et elle a participé au refroidissement de l'Univers, ce qui a conduit à la formation des étoiles -un fait observationnellement confirmé en 2019. Ensuite, après un temps beaucoup plus long que celui qui s'était écoulé jusqu'à 3mn après l'explosion originelle, l'Univers, âgé de 400 000 ans entre dans une nouvelle étape qui est d'importance. Il a continué de se refroidir et d'être en expansion et la densité de la matière domine maintenant celle de la lumière (soit celle des photons). Les noyaux peuvent alors capturer les éléctrons et se forment les atomes de l'hydrogène; apparaissent aussi ceux du deutérium, de l'hélium et du lithium. Ce processus détermine ce qu'on appelle l'"époque de la recombinaison" et fait que la lumière de l'Univers devient observable: l'hydrogène n'est plus ionisé, il devient de l'hydrogène neutre. L'Univers, alors, a la forme d'un plasma chaud, qui va se refroidir. Jusque là, l'Univers était resté dans une sorte de brouillard car les photons ne pouvaient voyager loin, se heurtant et étant dispersés par les noyaux et les électrons libres -ce qui s'appelle la "dispersion de Thomson". Cette lumière des débuts, une lumière relique, a, depuis, voyagé sans entraves jusqu'à nous et est tout simplement la radiation cosmique de fond ou radiation cosmique micro-ondes de fond; elle nous donne une image direct de l'état de l'Univers à cette époque. La CMB a cependant perdu de l'énergie et ne s'observe plus que dans les micro-ondes. Après le Big Bang, l'Univers est entré dans une expansion si rapide que la matière est entrée en résonance et a créé un bruit de basse très profond; les ondes sonores ont résoné dans cet Univers qui s'était refermé sur lui-même. Ce son a laissé son empreinte sur la radiation micro-onde de fond (mais, pour être audible, ces ondes sonores, de nos jours, doivent être augmentées en fréquence de centaines de milliards de milliards de fois. Lorsque la CMB interagit avec le gaz chaud des grandes structures de l'Univers telles les galaxies ou les amas de galaxies, son énergie est modifiée d'une façon caractéristique, un phénomène appelé l'effet Sunyaev–Zel’dovich ou effet SZ. Les neutrinos, à cette époque, existent en tellement grands nombres qu'ils ont affecté les débuts du développement de l'Univers et qu'on les retrouve encore aujourd'hui, sous la forme d'un fond omniprésent

le Chandra Deep Field South (CDFS) montre une portion d'Univers 600 millions d'années après le Big Bang. site 'Amateur Astronomy'

La période suivante de l'histoire de l'Univers est lorsqu'il reste vide et sombre pendant 500 millions d'années -donc un nouveau changement d'échelle- ce qu'on appelle l'"âge sombre". L'Univers alors semble vide parce que, d'une part, il l'est réellement et d'autre part parce la lumière des premières étoiles et des premières galaxies qui se sont formées vers 200 millions d'années après le Big Bang ne peut nous parvenir. En effet, cette lumière des premiers objets de grande taille est alors piégée par l'hydrogène neutre (qui, on l'a vu est apparu à l'époque de la recombinaison): les atomes de l'hydrogène capturent immédiatement les photons de la lumière ultraviolette qui ont une longueur d'onde courte. Le signal de l'hydrogène neutre -dit aussi "signal 21 centimètre" est faible et n'a pas encore été réellement détecté. Pendant la majeure partie des 500 premiers millions d'années de l'existence de l'Univers, la matière normale était restée trop chaude pour pouvoir s'effondrer gravitationnellement en les premières étoiles. Ces premiers objets de l'Univers se sont formés à partir des nuages d'hydrogène originels: les étoiles de "population III", d'une masse de 20-100 ou de 500 masses solaires, et les galaxies. Les étoiles de population III sont les premières à exploser en supernovas et donc à émettre dans l'Univers les premiers éléments lourds, lesquels forment alors la base de la formation des étoiles de seconde génération. La lumière ultraviolette de ces objets fut progressivement capable de faire que ses photons détachent les électrons de l'hydrogène neutre. Seuls les photons de l'extrême-ultraviolet ont assez d'énergie pour dissocier les atomes d'hydrogène. Il est probable que ce sont des galaxies "starbust", qui concentrent des étoiles chaudes sur des régions de petite taille et qui possèdent peu de poussière pour bloquer la lumière, qui sont à l'origine de cet extrême-ultraviolet. De la même manière que l'époque de la recombinaison avait permis à la lumière de l'Univers de commencer, 400 000 ans après le Big Bang, un voyage sans encombres, l'époque de la ré-ionisation" permet à l'Univers de devenir transparent à l'ultraviolet. Fin 2015, on a observé que c'étaient les galaxies de petite taille de ces époques qui permirent de disperser le brouillard de l'âge sombre et la ré-ionisation se serait arrêtée aux alentours de 700 millions d'années après les débuts de l'Univers. Une étude de 2016 a montré que les premières étoiles de l'Univers ont commencé de se former plus tard que ne le laissaient penser les observations de la radiation cosmique de fond et l'étude montre que ce sont ces seules étoiles qui ont éclairci le brouillard opaque des âges sombres. Aussi, le milieu de l'époque de la réionisation a eu lieu alors que l'Univers avait un âge de 700 millions d'années. Un nombre significatif de trous noirs ont accompagné les premières étoiles de l'Univers: une source sur cinq à cette époque est un trou noir. L'Univers alors se remplit d'hydrogène ionisé, ce qui permet, de nouveau, à la lumière de nous parvenir. Cela constitue l'"époque de la ré-ionisation", qui dure 1 milliard d'années. Les premiers objets de l'Univers, il y a 500 millions d'années, qui brillaient dans le visible ou l'ultraviolet ont vu ces longueurs d'onde aggrandies jusqu'à l'infrarouge, formant ce qu'on appelle l'"infrarouge cosmique de fond". Les observations ont confirmé que ces premiers objets étaient nombreux et très actifs, consommant le carburant cosmique des origines en grandes quantités. Le rayonnement micro-onde cosmique de fond (en anglais, "cosmic microwave background" ou CMB) contient de légère fluctuations de températures qui correspondent à des régions de densités légèrement différentes, qui représentent les bases de toute la structure cosmique observée de nos jours. On pense que la CMB provient des amas d'étoiles massives des premières générations d'étoiles de l'Univers ainsi que des trous noirs, lesquels ont produit de vastes quantités d'énergie en accumulant du gaz. La CMB est accompagnée du fonds cosmique infrarouge (CIB), qui est plus irrégulier qu'explicable par des galaxies distantes qu'on n'aurait pas pu observer et on pense que cette structure en excès est de la lumière émise alors que l'Univers avait moins d'1 milliard d'années (on pense aussi que cette lumière a vraisemblablement trouvé son origine des premiers objets lumineux qui se sont formés, dont les premières étoiles et les premiers trous noirs) et d'un rayonnement rayons-X diffus et faible, le rayonnement de fond cosmique rayons-X (en anglais, "cosmic X-ray background" ou CXB). Des étoiles situées dans l'espace intergalactique pourraient également être responsables de ce rayonnement infrarouge et elles se situent hors des galaxies, probablement éjectées par des collisions galactiques. Les noyaux de l'hydrogène et les électrons, cette fois, resteront dispersés mais cette "soupe" de particules, soit le plasma ionisé qui, encore aujourd'hui, constitue la majeure part de l'Univers, s'étant diluée du fait de l'expansion de l'Univers, la lumière peut continuer de les traverser. A partir de là, on assiste à un autre épisode de ré-ionisation, entre il y a 11,7 et 11,3 milliards d'années, lorsque la lumière ultraviolette des quasars capture les électrons des atomes d'hélium, processus dit de la "ré-ionisation de l'hélium". Le milieu intergalactique en est chauffé, passant de 18000 à près de 40000°F (9800-22000°C) et, dans certaines galaxies de petite taille, empêchant les nuages de gaz de continuer de s'effondrer gravitationnellement pour former de nouvelles étoiles. Il faut donc encore 2 milliards d'années avant que l'Univers ne produise des sources de radiation ultraviolette possédant suffisamment d'énergie pour ré-ioniser cet hélim primordial

->L'époque de ré-ionisation en détail De place en place, les premières étoiles et les premières galaxies creusent des sphères d'hydrogène ré-ionisé. Ces cavités se recoupent et l'Univers devient de nouveau transparent. La radiation ultraviolet devient accessible. Cette "époque de la ré-ionisation" a été un processus progressif et peut avoir pris aux alentours d'1 milliard d'années; les galaxies, alors, ont lentement construit leurs étoiles et les éléments chimiques. On observe encore des traces d'hydrogène neutre à un redshift de 6,4, qui est la zone des anciens quasars. Il n'y a plus d'hydrogène neutre à un redshift de 5, quand l'Univers a 1,2 milliards d'années. Les détails du processus sont encore mal élucidés et il se pourrait qu'après le "boom" des premières étoiles, 200 millions d'années après le Big Bang, l'Univers ne connaisse le gros de la ré-ionisation qu'aux alentours de 700 millions d'années plus tard seulement, l'ionisation de l'hydrogène se faisant de façon inhomogène, en relation avec la densité de telle ou telle région de l'Univers ... Les premières étoiles, par ailleurs, pendant 500 millions d'années à partir de 400 millions d'années après le Big Bang, ont créé un "brouillard cosmique" d'électrons autour d'elles. On appelle "arrière-plan infra-rouge cosmique" (en anglais, "cosmic infrared background") la lumière des étoiles se trouvant dans cet Univers des débuts et celle de galaxies massives, distantes et formant des étoiles; ce fond a été cartographié par la mission Herschel. Le rayonnement de fond dans les rayons-X de l'Univers provient des trous noirs galactiques des "galaxies actives" -environnés de poussière ou pas- qui se trouvent à 7 millards d'années-lumière. La somme totale de la lumière stellaire dans l'Univers est appelée la "lumière de fond extra-galactique" (en anglais "extragalactic background light", EBL); elle est composée d'un "brouillard" de lumière visible et ultraviolette. La formation d'étoiles a atteint un pic 3 milliards d'années après le Big Bang et elle a décliné depuis. En étudiant l'EBL, on peut déduire que la densité stellaire moyenne de l'Univers est d'1,4 étoile par 100 milliards d'années-lumière cubes soit une distance moyenne entre étoiles de 4,15 années-lumière

Les trous noirs alors convertissent, à un rythme puissant, une partie du potentiel gravitationnel de la masse d'hélium en puissantes émissions ultraviolettes qui viennent des quasars, au centre des galaxies. A cette époque, les premières galaxies entrent en collision et produisent ces quasars. Une fois l'hélium ré-ionisé, le gaz intergalactique se refroidit et le processus de formation des galaxies naines primordiales et entrant en collision pour en former de plus grandes reprend. On ne sait pas encore si la ré-ionisation de l'hélium s'est produite de façon uniforme dans toutes les directions de l'Univers d'alors. A partir de là, entre 2 et 6 milliards d'années après le Big Bang (il y a entre 12 et 8 milliards d'années), les autres galaxies, dont la nôtre, se forment. Le Soleil et la Terre se forment il y a 4,6 milliards d'années. De là, nous nous rapprochons de l'histoire actuelle: la vie apparaît sur Terre il y a 3,5 milliards d'années; les ères géologiques se déroulent sur d'énormes espaces de temps et l'homme commence une évolution vers il y a 7 millions d'années, conquérant tous les continents, développant la technologie et, finalement, inventant l'agriculture il y a 11000 ans. Le Big Bang, d'une façon générale, se base sur deux supposés fondamentaux, l'universalité des lois de la physique et le "principe cosmologique"; celui-ci consiste à dire que l'Univers est homogène et isotropique à grande échelle. Les deux ont d'abord été des postulats puis ont passé le test de l'observation. Ainsi, par exemple, la constante structure fine, l'une des constantes qui détermine l'existence des atomes et des molécules, est constante à 10-5 et la Relativité Générale a, elle aussi, passé avec succès des tests rigoureux. L'aspect homogène et isotrope de l'Univers ont été confirmés à une précision de 10-5 via les observations de la radiation cosmique de fond et l'Univers est homogène à grande échelle à une précision de 90%. Sur la base du principe cosmologique la meilleure description de l'Univers réside en la "métrique Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker metric" ou "métrique FLRW", un système de détermination des distances dans l'Univers qui, par son facteur d'échelle, reste valable car il consiste en un système de coordonnées en expansion qui suit celle de l'Univers. Le Big Bang, enfin, n'est pas pas une explosion suivie d'une expansion qui emplirait un vide pré-existant mais, bien au contraire, une création perpétuelle de l'espace. L'espansion constatée par le redshift des galaxies, les mesures détaillés de la CMB, l'abondance des éléments légers ou la distribution et l'évolution à grande échelle des galaxies sont parfois dites les "quatre piliers de la théorie du Big Bang"

->La métrique FLRW L'aspect de l'Univers est le même partout, et, partout il est composé de matière. Ce qui, du fait de la Relativité Générale, il est nécessairement courbé par la matière. Seules trois géométries de l'Univers sont possibles sur cette base. Elles avaient été découvertes par Friedmann and Lemaître dans les années 1920 et complétées par Robertson et Walker en 1935. Ce concept est dit "FLRW", Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Si la courbure de l'Univers est négative, l'Univers est ouvert (ou hyperbolique) et son volume est infini. Si la courbure de l'Univers est positive, l'Univers est fermé (ou sphérique) et son volume est fini. Si la courbure de l'Univers est nulle, l'Univers est plat et son volume est infini. Un Univers ouvert, comme un Univers plat, sont en expansion pour toujours alors qu'un Univers fermé commence par une phase d'expansion puis finit par retomber sur lui-même ("Big Crunch"). La courbure de l'Univers dépend de la densité de celui-ci, c'est-à-dire de tout ce qu'il contient (matière visible, radiations, etc). La densité de l'Univers est exprimée par la valeur "W". W exprime la relation entre la densité de l'Univers et une densité critique (définie par 3 atomes d'hydrogène par m3). Si la densité de l'Univers est importante (si W est supérieur à 1), l'expansion est contrôlée et l'Univers est fermé. Si la densité de l'Univers est faible (si W est inférieur à 1), l'Univers est en expansion pour toujours et l'Univers est ouvert. Un Univers plat, enfin, est un Univers dont la densité est juste égale à la densité critique (W = 1). Le télescope du Mont Palomar fut un instrument important dans cette réflexion. En 1989, la mission COBE ("Cosmic Background Explorer"), mesura précisément et cartographia la radiation micro-ondes de fond, montrant que le spectre de celle-ci confirmait les prédictions basées sur la théorie du Big Bang. La radiation micro-ondes de fond est la toile de fond de l'Univers, l'énergie restant du Big Bang, a une température de 2,725 degrees Kelvin (-260°C, -455°F). L'Univers a un âge de 13,73 milliards d'années, il est géométriquement plat à 99% (il respecte la géométrie d'Euclide: la somme des angles d'un triangle est de 180°) et il est dans une expansion éternelle. Pour les modèles FLRW, l'Univers est supposé parfaitement homogène aux grandes échelles. Certaines recherches se centrent sur l'idée que l'Univers ne présente pas cette homogénéité spatiale et vont au-delà de l'interprétation FLRW des données cosmologiques. Cette théorie vient du fait que la physique quantique nécessite que l'espace-temps, à l'époque de Planck (lorsque l'Univers n'était pas plus grand qu'un atome), ait été, nécessairement, "granuleux". C'est cette nature granuleuse qui a résulté en les fluctuations quantiques des tout premiers moments du Big Bang. Par ailleurs, dans le cadre d'une expansion de l'Univers contrôlée par la gravité, ces grains, ces amas de densité s'accroissent nécessairement au fil du temps. Aussi la question devient-elle de savoir pourquoi l'Univers actuel est finalement devenu homogène. Pour cela, on recourt habituellement à la théorie de l'inflation: celui-ci aurait homogénéisé l'Univers. Mais l'inflation elle-même nécessite à son tour qu'il ait existé un petit morceau de l'Univers originel qui ait été homogène, base sur laquelle l'inflation aurait pu commencé. Aussi les partisans d'un Univers non-homogène sont obligés d'admettre que les conditions initiales du Big Bang comportent des cisaillements de viscosité et des gradients de pression, lesquels peuvent produire rapidement des régions homogènes à partir de régions inhomogènes, d'où qu'une partie homogène de l'Univers primitif a permis à l'épisode inflationnaire de donner un Univers homogène à grande échelle. Une réponse, qui, elle aussi, questionne les vues courantes de l'Univers, est de se demander si l'homogénéité que l'on observe de l'Univers s'étend bien au-delà de notre "cône de lumière", cette région de l'espace, cette partie de l'Univers qui est suffisamment proche de nous pour que la lumière ait pu nous en parvenir pendant les 14 milliards d'années que l'Univers a existé. On doit noter, enfin, que les données observationnelles qui nous permettent de déterminer les structures de l'Univers restent, en fait, imprécises: elles ne consistent essentiellement qu'en estimations de la masse des galaxies, de comptages de ces dernières ou de mesures des distances via les mesures angulaires

Avancées, questions

Bien que le Big Bang soit devenu la théorie dominante de la cosmologie dans les années 1960 et 1970, de nouvelles considérations sont apparues depuis les années 1970 et elles peuvent -ou non- remettre en cause fondamentalement la théorie voire le Modèle Standard de la physique. Un débat en cours consiste à se demander si de tels désaccords par rapport au Big Bang annoncent ou pas une révolution scientifique ainsi que cela s'était passé à la fin du XIXème siècle quand lord Kelvin avait affirmé que seuls "quelques nuages" demeuraient au-dessus du grand édifice de Newton, nuages qui s'avérèrent être la Théorie de la Relativité et la physique quantique... Le Dr Peebles, de Princeton, par exemple, affirme que l'état actuel de la science ne semble pas être celui de cette époque mais, cependant, il n'affirme pas qu'elle n'évoluera pas dans ce sens. Sandage, qui fut le protégé de Hubble, lui, pense que toutes ces réflexions en progrès vont mener à une synthèse encore plus grande que ce qu'on pouvait imaginer il y a un siècle

La question de la "matière noire" est apparue à la fin des années 1970 du fait que la gravité et la matière observable ne suffisaient pas à rendre compte de l'Univers. Les galaxies, par exemple, ont une rotation dont la vitesse et la façon ne peuvent pas étre le fait de la matière ordinaire, une question dite, en anglais, le "galaxy rotation problem" ("question de la rotation des galaxies"). Il fallait qu'existe autre chose, ce qui mena à l'idée que 90% de la matière doit consister en une forme différente de la forme que l'on observe, forme que les cosmologues ont appelé la matière noire. Ces particules ne réagissent pas à l'électromagnétisme (aussi la matière noire n'émet-elle ni n'absorbe ni reflète la lumière ni toute autre forme d'énergie électro-magnétique; d'où, d'ailleurs, le qualificatif "matière noire"), se déplacent relativement lentement (d'où qu'on dit que la matière noire existe principalement sous l'espèce "matière noire froide") et elles n'interagissent entre elles et avec la matière ordinaire que par le biais de la gravité. Polémique au départ, l'idée de matière noire semble commencer de voir son existence être indiquée par l'observation. Ainsi les irrégularités de la radiation de fond, les différences entre les vitesses des amas de galaxies, la distribution des structures à grande échelle ou les recherches menées par les lentilles graviationnelles. Mais on ne sait toujours pas ce qu'est la matière noire. Bien que non incorporées dans le Modèle Standard, les solutions aux problèmes posés par l'hypothèse de la matière noire existent et ne demandent que des améliorations de la théorie. La matière noire agit comme une "colle" invisible qui lie gravitationnellement entre eux les galaxies et les amas de galaxies. L'agglomération en structures telles que les galaxies pourrait s'être produit dans l'Univers plus lentement qu'on ne le pensait. La question de la matière noire est partie intégrante de celle de l'énergie noire traitée ci-après car la matière noire par son masse participe à l'expansion de l'Univers

Une observation fortuite, en 1998, a mené au concept d'"énergie noire". Deux équipes, l'une menée par Riess et Brian Schmidt de l'observatoire du Mont Stromlo, l'autre par Saul Perlmutter du Lawrence Berkeley National Laboratory, un centre de la recherche nucléaire aux Etats-Unis, ont découvert que l'expansion de l'Univers accéléraient depuis il y a 7 milliards d'années. On a en effet observé que les supernovas de type Ia, ces échelles à mesurer les grandes distance de l'Univers, se trouvent plus loin qu'elles ne l'auraient été si le rythme d'expansion de l'Univers s'était maintenu stable. Le Big Bang suppose une vision de l'expansion de l'Univers qui décroît progressivement au fur et à mesure que les structures grandes, telles les étoiles et les galaxies, se sont formées. Rendre compte, sur un plan théorique, de l'accélération de l'expansion laisse les cosmologues sans réponse. Soit certains se retournent vers l'ancienne constante cosmologique d'Einstein, une notion assez mal définie que l'on peut inclure dans les équations de 1916. Mais il faudrait l'augmenter de 10 puissance 120. La constante cosmologique, cependant, serait un composant -l'énergie noire- qui posséderait une forte pression négative alors que, par ailleurs, ceci est une propriété d'un concept, le "vide quantique" ou l'"énergie du vide" qu'on trouve dans le Modèle Standard, explication de type quantique de la physique moderne des particules. D'autres se tournent vers des explications alternatives à la Relativité Générale et utilisent des théories qui font appel à des dimensions supplémentaires, une modification de la Relativité ou au concept de champ physique plus général. De façon paradoxale, l'accélération de l'expansion de l'Univers freine la formation de celui-ci: l'énergie noire, ainsi, freine la formation des amas de galaxies. En novembre 2006 le télescope Hubble a fait la preuve que l'énergie noire existe à il y a 9 milliards d'années et qu'elle existait probablement, quoique faible, dès les débuts de l'Univers. En tout cas, du fait que la densité-énergie de la matière a décru avec le temps et celle de l'énergie est restée constante, le fait que la matière ait constitué la plus grande partie de l'Univers à ses débuts puis ait décliné a fait que la force de l'énergie noire est devenue plus importante. La masse et la densité de l'Univers peuvent aussi se déduire d'un phénomène dit de l'"amassement gravitationnel", on a découvert que, dans ce cas il manque 30% de la densité nécessaire et l'énergie noire ne s'agrégerait pas de la façon habituelle. Au moment de l'accélération de l'expansion de l'Univers, il y a 7 milliards d'années, les galaxies sont encore petites et irrégulières et ne possèdent pas leurs grands bras spirales. L'une des meilleures preuves de l'existence de l'énergie noire serait l'effet dit "Integrated Sachs Wolfe effect" ("effet Sachs Wolfe intégré"): la lumière du rayonnement de fond micro-onde, le CMB, acquiert de l'énergie et donc devient légèrement plus bleue en passant au travers des champs gravitationnels d'amas de matière, effet qui est considéré prouvé depuis mi-2012. Le concept d'énergie noire mène, en termes de comment l'Univers se terminera, soit à "Big Rip" (littéralement "grand déchirement") qui verra tout se déliter, jusqu'aux ultimes constituants de la matière eux-mêmes, soit à l'éloignement des galaxies les unes des autres et à un Univers définitivement sombre. L'énergie noire, pour conclure, peut être vue comme de la "densité d'énergie du vide" et est l'un des composants de base de l'Univers. L'explication de l'énergie noire est freinée par l'absence d'une théorie quantique de la gravité

-> La constante de Hubble
En 1927, dans les Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, l'abbé Lemaître, un Belge, montra, pour rendre compte des observations qui montraient que les galaxies semblaient s'éloigner de la Terre, que les vitesses des galaxies semblaient proportionnelles à leur distance. Cette relation devint la loi de Hubble car l'astronome américain Hubble, deux ans plus tard, utilisant des données astronomiques collectées par d'autres, calcula aussi un taux d'expansion -qu'on connaît aujourd'hui sous le nom de constante de Hubble; il avait utilisé des données expérimentales et calculé une valeur plus précise de la constante et il confirmait ainsi cette loi. La contribution de l'abbé Lemaître resta moins connue, possiblement en partie parce que la traduction de son article en anglais, en 1931, ne reprenait pas le calcul de la constante -fait que l'abbé reconnut puisqu'il faisait état de ce que des données plus fiables avaient été publiées depuis. Fin 2018, l'Union Astronomique Internationale (UAI) a recommandé que la loi de Hubble soit désormais connue sous le nom de Hubble-Lemaître; Hubble et l'abbé Lemaître se rencontrèrent en 1928 lors d'une assemblée de l'UAI à Leyden et échangèrent des vues
On a découvert, en juin 2016, via le télescope spatial Hubble de la NASA que l'Univers est en expansion d'une valeur 5 à 9% plus rapide qu'on ne pensait. La découverte pourrait aider à comprendre l'énergie noire, la matière noire et la "radiation noire". La découverte a été faite en affinant le taux actuel d'expansion jusqu'à un taux d'incertitude jamais atteint de seulement 2,4% (en améliorant la précision des mesures de distance des galaxies lointaines en recherchant celles qui contiennent à la fois des Céphéides et des supernovae de Type Ia). La valeur améliorée de la constante de Hubble est de 73,2 km/s par megaparsec, ce qui signifie que la distance entre les objets cosmiques doublera d'ici 9,8 milliards d'années -ce qui est en contradiction avec les mesures de l'écho du Big Bang &agave; la fois par la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA et la mission Planck de l'ESA, qui prédisaient, respectivement, une valeur 5 et 9 fois plus faible de la constante. Cette différence a également été obtenue à la mi-2018 en comparant les données obtenues par le télescope spatial Hubble (NASA) et l'observatoire spatial Gaia de l'ESA. Les premières donnent que l'Universe est en expansion de 73,5 kilometers (45.6 miles) par seconde par megaparsec -pour chaque 3,3 million d'années-lumière qu'une galaxie est éloignée de nous, la galaxie semble se déplacer plus vite de 73,5 km/s- alors que, selon les données de Planck, la valeur n'est que de 67.0 kilometers (41.6 miles) par second par megaparsec. Il y a peu d'explications possibles pour cet excès de vitesse de l'expansion de l'Univers: une est que l'énergie noire pourrait avoir une force plus forte; une autre que l'Univers, à ses débuts, contenait une particule subatomique inconnue, qui voyageait à une vitesse proche de la vitesse de la lumière -l'ensemble de ces particules étant appelé la "radiation noire" et comprend aussi des particules déjà connues, ainsi les neutrinos; enfin, la plus forte vitesse d'expansion pourrait signifier que la matière noire posséderait des caractéristiques inattendues voire que la théorie de la gravité selon Einstein est incomplète. Le but des scientifiques, maintenant, est d'atteindre une précision d'1%. Avant le lancement du télescope spatial Hubble en 1990, les estimations de la constante de Hubble variaient d'un facteur 2 puis, à la fin des années 1990, le "Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale" ("projet-clé du télescope spatial Hubble sur l'échelle des distance extra-galactiques") avait affiné la constante à une marge d'erreur de seulement 10%, ce qui était un des buts principaux du Hubble. La constante de Hubble avait également été mesurée en 2012 par le télescope spatial dans l'infrarouge Spitzer, de la NASA via une meilleure mesure des Céphéides et l'approximation avait alors décru à 3%
Les mesures précédentes mesures de la constante de Hubble ("H0", exprimée en km par seconde par mégaparsec; pour tant de parsecs qu'une galaxie est éloignée de nous, elle semble se déplacer à tant de km/s) par le télescope spatial Hubble en mai 2009 avaient amené à estimer que la valeur confirmait que l'énergie noire est l'équivalent mathématique de la constante cosmologique d'Einstein -ce concept mathématique qu'Einstein jugea bon d'introduire dans les équations de la Relativité, se rendant compte que, sans elle, l'Univers s'effondrerait sous son propre poids et qu'il abandonna lorsque Hubble put démontrer que les galaxies s'éloignaient les unes des autres. La nature exacte de l'énergie noire reste cependant toujours en débat: s'agit-il d'une "constante cosmologique" semblable à celle à laquelle pensait Einstein? Ou s'agit-il d'un "champ dynamique" semblable au champ scalaire -cette force répulsive- qui a été responsable de l'épisode inflationnaire de l'Univers? On peut, pour l'instant, résumer la question en disant que, pendant les 7 premiers milliards d'années, l'Univers a progressivement ralenti son expansion sous le poids de ses galaxies (mais l'énergie noire, force anti-gravitationnelle- était déjà présente) puis, lorsque la matière se fut suffisamment dispersée, l'énergie put être ressentie. La mission Galaxy Evolution Explorer de la NASA a confirmé, en 2011, que l'énergie noire peut être considéré comme une force constante, qui affecte uniformément l'Univers et fonde son expansion accélérée. Cela, de plus, signifie probablement que l'énergie noire est la constante cosmologique d'Einstein. L'énergie noire s'oppose à la gravité, qui a dominé l'Univers jusqu'il y a 7 milliards d'années. Une théorie alternative est maintenant écartée, pour l'essentiel: elle affirmait que le concept einsteinien de gravité est faux et que la gravité, à de grandes distances, devient répulsive plutôt qu'attractive et que ce serait la gravité et pas l'énergie noire qui serait à la base de l'accélération de l'Univers. L'énergie noire fait que les astronomes prédisent que l'Univers, finalement, deviendra un immense désert cosmique, les galaxies s'étant tellement éloignées les unes des autres qu'aucun être se trouvant dans l'une d'entre elles ne pourra plus avoir connaissance de l'existence des autres. L'énergie noire modifie également la vitesse à laquelle les galaxies se forment, ainsi que les amas de galaxies. Une mesure précise de la constante de Hubble pourrait aider à distinguer entre notre actuel modèle de l'Univers (matière noire, expansion en accélération) et la nécessité d'une nouvelle physique. L'amélioration de la mesure du télescope Hubble à 1 sur 100 000 pourrait donner un Univers plus jeune d'1 milliard d'années soit un âge de 12,5-13 milliards... Pourraient rendre compte du problème: une nouvelle théorie de l'énergie noire -complétant l'épisode inflationnaire et l'expansion- comporterait un troisième épisode dit l'"énergie noire des débuts"; une autre idée serait que l'Univers contient de nouvelles particules subatomiques se déplaçant presqu'à la vitesse de la lumière, qu'on appelerait collectivement la "radiation sombre" (en anglais, "black radiation") en incluant des particules déjà connues telles les neutrinos; enfin, la matière noire pourrait agir plus fortement avec la matière normale et les radiations qu'on ne le pense

La "théorie de l'inflation", la dernière inadéquation par rapport au Big Bang, est apparue en 1979 et est due à Alan Guth, un physicien lié aux recherches sur la "Théorie du Tout", partisan néo-darwiniste des théories des super-cordes, des théories qui tentent d'ajouter la gravité aux efforts déjà faits, en termes de Modèle Standard pour essayer d'unifier toutes les forces de l'Univers en une seule explication dite "Théories de la Grande Unification" ou "GUT". Ces théories elles-mêmes ne sont que des efforts qui se basent sur celui qu'avait mené Einstein pendant les 30 dernières années de sa vie pour trouver une explication globale et définitive de l'Univers sous la forme d'une "théorie de tout", une théorie du "champ unifié" qui aurait été capable de "lire le cerveau de Dieu". Tout, de l'Univers aux atomes aurait été expliqué par une seule équation. L'équation, cependant, n'a jamais été trouvée. La théorie de l'inflation se fonde sur quelques disharmonies qu'on peut repérer dans la théorie du Big Bang. Le "problème de l'horizon" affirme qu'une information ne peut voyager plus vite que la lumière mais des régions séparées de l'Univers, qui, à un moment donné n'avait plus de connexion entre elles en termes de cette vitesse, ne devraient donc pas avoir été en contact de causalité, ce qui constitue une contradiction avec l'isotropie observée de l'Univers. Le "problème de la platitude" de l'Univers fait que la géométrie actuelle de l'Univers est proche d'être celle d'un Univers plat, ce qui suppose qu'aucune déviation, fut-elle infime, d'une certaine densité n'ait eu lieu, ce qui semble contradictoire avec une histoire de 13 milliards d'années et de possibles fluctuations. La théorie de l'inflation est également partie de la question des "monopoles magnétiques", des objets magnétiques produits en grand nombre au début de l'Univers et qui donc auraient dû donner, à ces époques, une densité beaucoup plus importante que celle qu'on observe. La théorie de l'inflation apporte une solution à ces questions via une explication agréable -mais qui n'a pas encore été prouvée. Elle se fonde sur la physique quantique et le concept de "champ du vide", le Big Bang devenant un évènement quantique puisant son énergie dans un tel champ vide; l'Univers s'en développa d'une façon extraordinaire en 10-37 secondes peu de temps après l'explosion originelle puis revint à une expansion plus stable. Cette "inflation" cosmique, abrupte, donnant son nom à la théorie. A partir d'une taille infime de 10-34 centimètres, l'Univers en arriva, en ce court laps de temps, à une taille 17 fois la distance Soleil-Pluton (soit deux fois l'orbite de la ceinture de Kuiper ou 1/5ème d'année-lumière)! Bien que spéculative, cette théorie est cependant ainsi une bonne explication des questions qu'on vient d'évoquer. Une expansion rapide, en termes de la question du problème de l'horizon, fait que des régions qui avaient été causalement proches se retrouvèrent loin l'une de l'autre; l'espace-temps, en terme de platitude, entra dans une expansion telle que sa courbure fut étalée et resta cependant en accord avec la densité voulue et les monopoles, des points défectueux de l'Univers, furent supprimés par cet épisode d'accroissement extrêmement rapide. Le principe quantique d'Heisenberg fait aussi que la phase inflationnaire devrait avoir connu des fluctuations thermiques quantiques minuscules lesquelles se sont également accrues phénoménalement de taille; elles sont devenues les lignes de faille de la densité de l'Univers, ce qui a déterminé l'aspect actuel supposé, de réseaux filamentaires, de l'Univers qui ont défini les points où se sont formées, par gravité, les étoiles et les galaxies. On a observé ces irrégularités dans la radiation cosmique de fond. Des restes de ces filaments originels peuvent être observés de nos jours sous la forme de "ponts" de gaz qui relient entre eux des amas de galaxies; ces ponts sont un mélange des filaments et du gaz qui provient des amas. Le "web Univers" (l'"Univers réseau") est la structure de l'Univers telle qu'on la comprend actuellement. Elle se compose de fins filaments de matériau primordial (surtout de l'hydrogène et de l'hélium) et de matière noire qui connecte les galaxies et comble les vides qui les séparent. Le matériau de ce "web" alimente les galaxies situées à leurs noeuds et est à la base de leur croissance et de leur évolution. La première preuve observationnelle d'un tel web cosmique n'est venue qu'en 2019 lorsqu'on a réellement découvert ces filaments de matières dans un amas de galaxies. Comme la plupart des galaxies se trouvent dans le web univers, des matériaux et des objets en arrivent et s'accrètent. Le rayonnement contient aussi beaucoup d'autres informations, ainsi, deux modes polarisés, les modes E et B. Le mode B est né de deux façons, soit via la déflection causée, au long de sa route, par des masses importantes soit du fait de la période de l'inflation, lorsque des collisions violentes entre différenes masses de matière et de radiations ont probablement créé un océan d'ondes gravitationnelles. La théorie de l'inflation a été modifiée ou améliorée par d'autres cosmologues, Andrei Linde, Paul Steinhardt and Andreas Albrecht et elle s'est également intéressée à la question de l'énergie noire que certains analysent comme un épisode d'inflation renouvelée, un champ ou une force du vide de nouveau à l'oeuvre. L'étude des ondes gravitationnelles, ondes créées aux débuts de l'Univers par des collisions gigantesques entre objets célestes massifs devrait constituer le meilleur test de la théorie de l'inflation, ce qui permettrait de plonger dans la physique étrange qui prévalait alors que l'Univers n'avait que 1 mille milliardième de mille milliardième de mille milliardième de seconde. La radiation CMB contient un élément spécifique dans sa polarisation, qu'on appelle les "modes B", qui pourraient révéler l'existence d'ondes gravitationnelles primordiales

La vue de l'Univers qui inclut ces avancées et questions s'exprime en ces termes que l'Univers, de nos jours, est composé de 73% d'énergie noire, 23% de matière noire, 4,6% de matière "normale" et de moins d'1% de neutrinos. Lorque l'Univers n'avait que 380 000 ans, ces proportions étaient 10% de neutrinos, les atomes 12%, la matière noire 63%, les photons 15% et l'énergie noire était négligeable. Les mesures de l'Univers récent sont aussi en accord avec ce modèle. Les théoriciens des cordes ("string theories") sont également à l'origine des "modèles cosmologiques branes" dans lesquels l'inflation est due au mouvement de "branes". Notre univers à trois dimensions serait un de ces branes, soit une entité flottant dans un espace à dimensions plus nombreuses où flottent aussi d'autres branes; toute collision entre deux branes déclencherait un Big Bang, vue depuis chaque brane. Dans de tels modèles, le Big Bang aurait été précédé par un "Big Crunch" et l'Universe parcourerait un cycle éternel d'un état à l'autre. L'idée d'inflation a également mené au concept néo-darwiniste des "multivers", l'énergie du champ du vide et l'inflation soit produisant des univers cascadant l'un de l'autre ou notre Univers n'étant qu'une partie d'un Univers plus grand et plus ancien. Le fait qu'on ne dispose pas d'une théorie quantique de la gravité permet également d'autres hypothèses encore sur la naissance et le fonctionnement de l'Univers: Certains, par exemple, remettent en question la singularité originelle en ce sens qu'elle ne répond pas à certaines questions (qu'est-ce qui a déclenché le Big Bang, qu'est-ce qui a arrêté l'inflation, qu'est-ce que l'énergie noire); ils proposent le concept de "torsion de l'espace-temps" par le spin (rotation sur elles-même) des particules. Aux débuts de l'Univers, la torsion générée par le spin se manifesterait comme une force répulsive s'opposant à la gravité (laquelle résulte de la courbure de l'espace-temps). Dans le vide de l'espace, le spin de quelques particules mènerait à l'accumulation d'un grand nombre d'autres, laquelle masse finirait par se transformer en expansion. Cela n'est possible que si l'on admet que le Big Bang trouve son origine, dans un autre univers que le nôtre, dans un trou noir. Cette théorie expliquerait ainsi mieux que la matière s'est transformée en les particules ordinaires, l'anti-matière en la matière noire, et expliquerait aussi l'énergie noire. Les trous noirs, dans cette vision, pourraient, plus généralement, dans les différents univers existant, donner naissance à de nombreux univers. La théorie du "Big Bounce" ("grand rebond") est basées sur le fait qu'une densité infinie au temps T0 de l'Univers est incompatible avec le principe quantique d'incertitude et l'Univers serait ainsi dans un éternel rebond (après la déroulement de toutes les conséquences du Big Bang, il s'effondrerait et connaîtrait une nouvelle explosion). La "condition sans frontière Hartle-Hawking" (en anglais "Hartle–Hawking no-boundary condition") par laquelle tout l'espace-temps est fini et le Big Bang, bien que représentant aussi la limite du temps, ne nécessite pas le concept de singularité quantique. Le physicien britannique Hawking, lui, y ajoute en disant que quelles que puissent être les observations scientifiques, on ne peut en inférer qu'il soit possible de débattre des origines de l'Univers. L'Univers, selon lui, pourrait bien de ne pas avoir d'origine du tout car, en physique -qu'elle soit classique ou quantique, il n'y a pas de références absolues et supposer que quelque chose ait pré-existé avant que le temps n'ait commencé d'exister par le Big Bang est contradictoire car cette existence serait alors d'une forme séparée des causes et des lois de la nature qui ont amené le point de départ de l'Univers et des multivers. Ce faisant, Hawking rejoint un débat théologique célèbre, le "paradoxe de Dieu" dans lequel on montre soit que Dieu a pu se créer lui-même soit qu'il ne l'a pas pu. Stephen Hawking considère, de plus, que la philosophie est morte. Si ses théories étaient justes, il aurait ainsi démontré que Dieu n'existe pas. Lorsque l'idée d'un Big Bang commença d'être exprimée dans les années 1920 et 1930, les cosmologues ont tendu à la refuser et à lui préférer la théorie de l'état stable, éternel car toute notion d'un début au temps ramenait, finalement, des concepts religieux en physique. La théorie du Big Bang a officiellement été reconnue en accord avec les enseignements de la Bible et le concept de Création par le pape Pie XII en 1951, qui fut également la période où le Vatican autorisa les scientifiques catholiques à utiliser le darwinisme en paléo-anthropologie et, en janvier 2011, le pape Benoît XVI a invité les Chrétiens à considérer que l'Univers n'est pas dû au hasard comme voudraient le faire croire certains mais que la volonté divine se trouve derrière des théories telles celle du Big Bang. Le pape François a renouvelé ce point de vue, en 2014, affirmant qu'il peut y avoir accord entre le concept de Big Bang et celui d'un Dieu créateur. Les Eglises protestantes conservatrices ont également bien accueilli le Big Bang car la théorie permet une approche historique de la Création. Pour ce qui est des autres religions, les réactions ont été variées pour ce qui est des implications du Big Bang sur leurs propres cosmologies: soit elles ont essayé de l'intégrer, soit ne l'ont accepté qu'en tant que théorie scientifique, soit elles ont simplement refusé cette théorie du monde

Conclusion

De façon habituelle, le futur de l'Univers est envisagé soit en tant qu'il atteindra une taille maximale puis s'effondrera, revenant à un état dense et chaud dès lors que la densité serait plus grande que la densité critique, soit -ce qui semble le plus probable si la densite est égale ou inférieure à la densité critique- en tant que l'expansion durera éternellement. Elle ralentira cependant et toute la matière sera finalement consommée par les étoiles, ne laissant que des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs, lesquels finiront alors par fusionner entre eux, la température avoisinant quasi le zéro absolu. Ces grands trous noirs finiront par s'évaporer à leur tour et l'entropie de l'Univers ne laissera plus aucune forme organisée d'énergie. Les réflexions sur l'énergie noire ont amené d'autres modèles de la fin de l'Univers: il devrait d'abord continuer à s'accélérer en terme d'expansion. Notre Galaxie, non plus que celle d'Andromède, ne devraient jamais s'intégrer à l'amas de la Vierge et, d'ici cent milliards d'années, toutes les autres galaxies finiraient par disparaître de notre horizon cosmologique. Les super-amas locaux de galaxies finiraient à leur tour par se désintégrer. D'autres pensent que, sous l'influence de l'énergie noire, seuls les systèmes liés gravitationnellement, tels les galaxies, survivraient dans un premier temps mais finiraient aussi par un Univers vide ou d'autres que l'accélération par l'énergie noire finirait par s'arrêter et que l'Univers s'effrondrerait en un "Big Crunch" ("grand effondrement") d'ici 10 à 20 milliards d'années. La théorie extrême du "Big Rip" ("grande décomposition") affirme que l'énergie noire va continuer d'accélérer et qu'elle finira, ainsi, dans un futur lointain, par décomposer les galaxies, les étoiles, les planètes et ainsi jusqu'aux noyaux des atomes et des particules. Certains, finalement, pensent que "la modélisation mathématique, en particulier lorsqu'il s'agit des premières et toutes premières époques de l'[U]nivers, ne peut que produire les mythes cosmologiques adaptés à notre temps"