Deuxième partie

La nucléosynthèse primordiale

Dès la découverte de la force nucléaire forte et du fait que c’était elle qui était la source d’énergie des étoiles, s’est posée la question d’expliquer l’abondance des différents éléments chimiques dans l’univers. Au tournant des années 1950 deux processus expliquant cette abondance étaient en compétition : la nucléosynthèse stellaire et la nucléosynthèse primordiale.

Les tenants de la théorie de l’état stationnaire supposaient que de l’hydrogène était produit constamment au cours du temps, et que celui-ci était peu à peu transformé en hélium puis en éléments plus lourds au cœur des étoiles. La fraction d’hélium ou des autres éléments lourds restait constante au cours du temps car la proportion d’hélium augmentait du fait de la nucléosynthèse, mais diminuait en proportion semblable du fait de la création d’hydrogène. À l’inverse, les tenants du Big Bang supposaient que tous les éléments, de l’hélium à l’uranium avaient été produits lors de la phase dense et chaude de l’univers primordial.

La thèse actuelle emprunte à chaque hypothèse :

D'après celle-ci, l’hélium et le lithium ont effectivement été produits pendant la nucléosynthèse primordiale, mais les éléments plus lourds au cœur des étoiles. La principale preuve de ceci vient de l’étude de l’abondance des éléments dits « légers » (hydrogène, hélium, lithium) dans les quasars lointains. D’après le modèle du Big Bang, leurs abondances relatives dépendent exclusivement d’un seul paramètre, à savoir le rapport de la densité de photons à la densité de baryons, qui est quasi constant depuis la nucléosynthèse primordiale. À partir de ce seul paramètre, que l’on peut d’ailleurs mesurer par d’autres méthodes, on peut expliquer l’abondance des deux isotopes de l’hélium (3He et 4He) et de celle du lithium (7Li). On observe également une augmentation de la fraction d’hélium au sein des galaxies proches, signe de l’enrichissement progressif du milieu interstellaire par les éléments synthétisés par les étoiles.

L’évolution des galaxies

Le modèle du Big Bang présuppose que l’univers ait été par le passé dans un état bien plus homogène qu’aujourd’hui. La preuve en est apportée par l’observation du fond diffus cosmologique dont le rayonnement est extraordinairement isotrope : les écarts de température ne varient guère plus d’un cent-millième selon la direction d’observation.

Il est donc supposé que les structures astrophysiques (galaxies, amas de galaxies) n’existaient pas à l’époque du Big Bang mais se sont peu à peu formées. Le processus à l’origine de leur formation est d’ailleurs connu depuis les travaux de James Jeans en 1902 : c’est l’instabilité gravitationnelle.

Le Big Bang prédit donc que les galaxies que nous observons se sont formées quelque temps après le Big Bang, et d’une manière générale que les galaxies du passé ne ressemblaient pas exactement à celles que l’on observe dans notre voisinage. Comme la lumière voyage à une vitesse finie, il suffit de regarder des objets lointains pour voir à quoi ressemblait l’univers par le passé.

L’observation des galaxies lointaines, qui d’après la loi de Hubble ont un grand décalage vers le rouge montre effectivement que les galaxies primordiales étaient assez différentes de celles d’aujourd’hui : les interactions entre galaxies étaient plus nombreuses, les galaxies massives moins nombreuses, ces dernières étant apparues plus tard des suites des phénomènes de fusion entre galaxies. De même la proportion de galaxies spirale, elliptique et irrégulière varie au cours du temps.

Toutes ces observations sont relativement délicates à effectuer, en grande partie car les galaxies lointaines sont peu lumineuses et nécessitent des moyens d’observations très performants pour être bien observées. Depuis la mise en service du télescope spatial Hubble en 1990 puis des grands observatoires au sol VLT, Keck, Subaru, l’observation des galaxies à grand redshift a permis de vérifier les phénomènes d’évolution des populations galactiques prédit par les modèles de formation et d’évolution des galaxies dans le cadre des modèles du Big Bang.

L’étude des toutes premières générations d’étoiles et de galaxies demeure un des enjeux majeurs de la recherche astronomique du début du XXIe siècle.

La mesure de la température du fond diffus cosmologique à grand redshift

En décembre 2000, Raghunathan Srianand, Patrick Petitjean et Cédric Ledoux ont mesuré la température du fond diffus cosmologique baignant un nuage interstellaire dont ils ont observé l’absorption du rayonnement émis par le quasar d’arrière plan PKS 1232+0815, situé à un décalage vers le rouge de 2,57.

L’étude du spectre d’absorption permet de déduire la composition chimique du nuage, mais aussi sa température si l’on peut détecter les raies correspondant à des transitions entre différents niveaux excités de divers atomes ou ions présents dans le nuage (dans le cas présent, du carbone neutre). La principale difficulté dans une telle analyse est d’arriver à séparer les différents processus physiques pouvant peupler les niveaux excités des atomes.

Les propriétés chimiques de ce nuage, ajoutées à la très haute résolution spectrale de l’instrument utilisé (le spectrographe UVES du Very Large Telescope) ont pour la première fois permis d’isoler la température du rayonnement de fond. Srianand, Petitjean et Ledoux ont trouvé une température du fond diffus cosmologique comprise entre 6 et 14 kelvins, en accord avec la prédiction du Big Bang, de 9,1 K, étant donné que le nuage est situé à un décalage vers le rouge de 2,33 771.

Leur découverte a été publiée dans la revue scientifique britannique Nature.

Chronologie à rebours du Big Bang

Le scénario de l’expansion de l’univers depuis le Big Bang jusqu’à nos jours

Le scénario de l’expansion de l’univers depuis le Big Bang jusqu’à nos jours

Du fait de l’expansion, l’univers était par le passé plus dense et plus chaud. La chronologie du Big Bang revient essentiellement à déterminer à rebours l’état de l’univers à mesure que sa densité et sa température augmentent dans le passé.

L’univers aujourd’hui (+ 13,7 milliards d’années)

L’univers est à l’heure actuelle extrêmement peu dense[9](quelques atomes par mètre cube, voir l’article densité critique) et froid. En effet, s’il existe des objets astrophysiques très chauds (les étoiles), le rayonnement ambiant dans lequel baigne l’univers est très faible. Ceci provient du fait que la densité d’étoiles est extrêmement faible dans l’univers. La distance moyenne d’un point de l’univers à l’étoile la plus proche est immense. L’observation astronomique nous apprend de plus que les étoiles ont existé très tôt dans l’histoire de l’univers : moins d’un milliard d’années après le Big Bang, étoiles et galaxies existaient déjà en nombre. Cependant, à des époques encore plus reculées elles n’existaient pas encore. Si tel avait été le cas, le fond diffus cosmologique porterait les traces de leur présence.

La recombinaison (+ 380 000 ans)

380 000 ans après le Big Bang, alors que l’univers est mille fois plus chaud et un milliard de fois plus dense, les étoiles et les galaxies n’existaient pas encore. Ce moment marque l’époque où l’univers est devenu suffisamment peu dense pour que la lumière puisse s’y propager, essentiellement grâce au fait que le principal obstacle à sa propagation était la présence d’électrons libres. Lors de son refroidissement, l’univers voit les électrons libres se combiner aux noyaux atomiques pour former les atomes. Cette époque porte pour cette raison le nom de recombinaison. Comme elle correspond aussi au moment où l’univers a permis la propagation de la lumière, on parle aussi de découplage entre matière et rayonnement. La lueur du fond diffus cosmologique a donc pu se propager jusqu’à nous depuis cette époque[10].

La nucléosynthèse primordiale (+ 3 minutes)

Moins de 380 000 ans après le Big Bang, l’univers est composé d’un plasma d’électrons et de noyaux atomiques. Quand la température est suffisamment élevée, les noyaux atomiques eux-mêmes ne peuvent exister. On est alors en présence d’un mélange de protons, de neutrons et d’électrons. Dans les conditions qui règnent dans l’univers primordial, ce n’est que quand sa température descend en dessous de 0,1 MeV (soit environ un milliard de degrés) que les nucléons peuvent se combiner pour former des noyaux atomiques. Il n’est cependant pas possible de fabriquer ainsi des noyaux atomiques lourds plus gros que le lithium. Ainsi, seuls les noyaux d’hydrogène, d’hélium et de lithium sont produits lors de cette phase qui commence environ une seconde après le Big Bang et qui dure environ trois minutes[11]. C’est ce que l’on appelle la nucléosynthèse primordiale, dont la prédiction, la compréhension et l’observation des conséquences représentent un des premiers achèvements majeurs de la cosmologie moderne.

L’annihilation électrons-positrons

Peu avant la nucléosynthèse primordiale (qui débute à 0,1 MeV), la température de l’univers dépasse 0,5 MeV (cinq milliards de degrés), correspondant à l’énergie de masse des électrons. Au delà de cette température, interactions entre électrons et photons peuvent spontanément créer des paires d’électron-positrons. Ces paires s’annihilent spontanément mais sont sans cesse recréées tant que la température dépasse le seuil de 0,5 MeV. Dès qu’elle descend en dessous de celui-ci, la quasi-totalité des paires s’annihilent en photons, laissant place au très léger excès d’électrons issus de la baryogenèse (voir ci-dessous).

Le découplage des neutrinos

Peu avant cette époque, la température est supérieure à 1 MeV (dix milliards de degrés), ce qui est suffisant pour qu’électrons, photons et neutrinos aient de nombreuses interactions. En deçà de cette température, ces trois espèces sont à l’équilibre thermique. Quand l’univers refroidit, électrons et photons continuent à interagir, mais plus les neutrinos, qui cessent également d’interagir entre eux. À l’instar du découplage mentionné plus haut qui concernait les photons, cette époque correspond à celle du découplage des neutrinos. Il existe donc un fond cosmologique de neutrinos présentant des caractéristiques semblables à celles du fond diffus cosmologique. L’existence de ce fond cosmologique de neutrinos est attestée indirectement par les résultats de la nucléosynthèse primordiale, puisque ceux-ci y jouent un rôle indirect[12]. La détection directe de ce fond cosmologique de neutrinos représente un défi technologique extraordinairement difficile[13], mais son existence n’en est aucunement remise en cause.

La baryogénèse

La physique des particules repose sur l’idée générale, étayée par l’expérience, que les diverses particules élémentaires et interactions fondamentales ne sont que des aspects différents d’entités plus élémentaires (par exemple, l’électromagnétisme et la force nucléaire faible peuvent être décrits comme deux aspects d’une seule interaction, l’interaction électrofaible). Plus généralement, il est présumé que les lois de la physique et par suite l’univers dans son ensemble sont dans un état plus « symétrique » à plus haute température. L’on considère ainsi que par le passé, matière et antimatière existaient en quantités strictement identiques dans l’univers. Les observations actuelles indiquent que l’antimatière est quasiment absente dans l’univers observable[14]. La présence de matière est donc le signe qu’à un moment donné s’est formé un léger excès de matière par rapport à l’antimatière. Lors de l’évolution ultérieure de l’univers, matière et antimatière se sont annihilées en quantités strictement égales, laissant derrière elles le très léger surplus de matière qui s’était formé. Comme la matière ordinaire est formée de particules appelées baryons, la phase où cet excès de matière s’est formé est appelée baryogenèse. Très peu de choses sont connues sur cette phase ou sur le processus qui s’est produit alors. Par exemple l’échelle de température où elle s’est produite varie, selon les modèles, de 103 à 1016 GeV (soit entre 1016 et 1029 kelvins…) Les conditions nécessaires pour que la baryogénèse se produise sont appelées conditions de Sakharov, suite aux travaux du physicien russe Andréi Sakharov en 1967.

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Source : Big Bang sur Wikipedia
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Le Big-Bang