Le Big Bang et l’expansion de l’Univers : une histoire de 13,8 milliards d’années

L'idée

Quand on observe des galaxies lointaines, on constate qu'elles s'éloignent toutes de nous, et d'autant plus vite qu'elles sont loin. Ce n'est pas parce que nous serions au centre : depuis n'importe quelle galaxie, on verrait la même chose. C'est l'espace lui-même qui s'étire, emportant les galaxies.

Si l'Univers grandit, c'est qu'il était plus petit avant. En remontant le temps, il devient de plus en plus dense et de plus en plus chaud. La théorie du Big Bang décrit cette histoire : il y a environ 13,8 milliards d'années, tout l'Univers observable était concentré dans un état extrêmement chaud et dense, puis il s'est dilaté et refroidi. Les premiers noyaux d'atomes légers, l'hydrogène et l'hélium, se sont formés dans les premières minutes ; les étoiles et les galaxies, beaucoup plus tard.

Deux contresens fréquents :

• Le Big Bang n'est pas une explosion dans un espace vide, avec un centre. C'est l'espace tout entier qui se dilate, partout à la fois.
• La théorie décrit ce qui s'est passé depuis cet état très chaud. Ce qu'il y avait « avant », si cette question a un sens, la science ne le sait pas encore.

Une image pour comprendre

Imagine une pâte à pain aux raisins qui lève dans le four. Chaque raisin s'éloigne de tous les autres, sans bouger lui-même dans la pâte : c'est la pâte qui gonfle. Et si tu étais un raisin, tu verrais les raisins proches s'éloigner lentement et les raisins lointains s'éloigner vite, parce qu'il y a plus de pâte entre vous qui gonfle.

Les raisins sont les galaxies, la pâte est l'espace. Seule limite de l'image : un pain a un bord et un centre, l'Univers, lui, n'a pas de centre.

L'histoire de la découverte

Des équations qui bougent. En 1915, la relativité générale d'Einstein décrit l'espace comme quelque chose qui peut se courber. En 1922, le Russe Alexandre Friedmann montre que ses équations permettent un Univers qui grandit ou rétrécit. Einstein, lui, croit à un Univers immobile.

Le prêtre physicien. En 1927, le Belge Georges Lemaître, prêtre catholique et physicien à l'université de Louvain, publie que l'Univers est en expansion, et que la vitesse d'éloignement des galaxies doit augmenter avec leur distance. Quelques années plus tard, il imagine un « atome primitif » d'où tout serait sorti : la première version du Big Bang.

L'astronome et ses étoiles-repères. Aux États-Unis, Edwin Hubble utilise le grand télescope du mont Wilson. Grâce à des étoiles qui clignotent à un rythme régulier, les céphéides, dont l'Américaine Henrietta Leavitt avait découvert comment s'en servir pour mesurer les distances, il prouve d'abord que la « nébuleuse » d'Andromède est une autre galaxie, très loin de la nôtre. Puis, en 1929, il montre que les galaxies s'éloignent d'autant plus vite qu'elles sont loin. En 2018, l'Union astronomique internationale a recommandé d'appeler cette relation la loi de Hubble-Lemaître, pour rendre justice au travail du savant belge.

Un nom donné par un adversaire. Pendant des années, beaucoup d'astronomes préfèrent un Univers sans début. L'un d'eux, le Britannique Fred Hoyle, invente à la radio en 1949 l'expression « Big Bang », « grand boum », pour décrire la théorie qu'il combat. Le nom est resté.

Le bruit de fond de l'Univers. Si l'Univers a été très chaud, il doit rester une faible lueur de cette époque, refroidie par l'expansion. En 1965, aux États-Unis, Arno Penzias et Robert Wilson testent une antenne et captent un bruit qu'ils n'arrivent pas à supprimer, venant de toutes les directions du ciel. Ils vérifient tout, ils nettoient même l'antenne. C'était cette lueur : le rayonnement fossile, à environ 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu, soit environ -270 °C. Prix Nobel de physique 1978. Les satellites COBE, WMAP et Planck en ont ensuite dressé des cartes très précises, qui ont permis de calculer l'âge de l'Univers.

Une surprise en 1998. Deux équipes mesurent l'expansion grâce à des étoiles qui explosent, et découvrent qu'elle accélère. Prix Nobel 2011. Ce qui la pousse est appelé énergie noire, faute de mieux.

Ce que cela change pour nous

Le Big Bang nous dit d'où viennent les atomes dont nous sommes faits. L'hydrogène de l'eau que tu bois s'est formé dans les premières minutes de l'Univers. Le carbone, l'oxygène et le fer de ton corps ont été fabriqués plus tard au cœur des étoiles. Nous sommes, au sens propre, faits de poussière d'étoiles.

Il nous apprend aussi à rester modestes : selon les mesures de la sonde WMAP, la matière ordinaire, celle des étoiles, des planètes et des êtres vivants, ne représente qu'environ 5 % du contenu de l'Univers. Le reste est fait de matière noire et d'énergie noire, encore mystérieuses. Une grande partie du travail des cosmologistes, à Genève, au Chili ou en Afrique du Sud, consiste à les comprendre.

Pour aller plus loin

• Voir le passé en regardant le ciel : les étoiles et les galaxies.
• La théorie qui a tout rendu possible : la relativité, et son auteur, Albert Einstein.
• Les instruments qui regardent le plus loin : les télescopes, de Galilée à James Webb.