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Big Bang : une nouvelle preuve venue des quasars

En utilisant la lumière du plus ancien quasar connu, un groupe d’astrophysiciens a pu confirmer qu'environ 700 millions d’années après le Big Bang, la matière présente autour de lui n’était pas encore enrichie en éléments plus lourds que l’hélium. C’est une preuve de plus, s’il en fallait, en faveur du modèle cosmologique standard.

Maarten Schmidt (né le 28 décembre 1929) est un astronome néerlandais. Il fut le premier à identifier et à mesurer optiquement la distance d'un quasar. Sa découverte amorça le déclin de la théorie de la cosmologie stationnaire, remplacée par celle du Big Bang. © Kavli Foundation Maarten Schmidt (né le 28 décembre 1929) est un astronome néerlandais. Il fut le premier à identifier et à mesurer optiquement la distance d'un quasar. Sa découverte amorça le déclin de la théorie de la cosmologie stationnaire, remplacée par celle du Big Bang. © Kavli Foundation

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Il est difficile de comprendre pourquoi il existe encore des opposants à la théorie du Big Bang. Certes, le fait que l’on ignore toujours la nature exacte de la matière noire et de l’énergie noire peut laisser mal à l’aise et inciter à la prudence sur certaines conséquences que l’on peut tirer du modèle cosmologique standard. Mais dans les grandes lignes, il semble impossible de vraiment douter que l’univers observable (qui n’est pas la totalité de l’espace-temps et de la matière existante) était plus petit, plus chaud et bien moins organisé voilà environ 13,7 milliards d’années.

Les observations faites à l’aide de WMap sur le rayonnement fossile sont en elles-mêmes un très fort argument pour la théorie du Big Bang, comme le soutient David Spergel. Si l’on a bien découvert quelques galaxies devenues très massives plus tôt qu’on ne l’imaginait dans l’univers observable, la majorité de celles qui sont observées montrent des traces d’évolution indéniables. Même la mesure de la température du rayonnement fossile montre qu’il était plus chaud dans le passé, comme le prévoit la théorie du Big Bang.


Le site Du Big Bang au vivant est un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Hubert Reeves, Jean-Pierre Luminet et d'autres chercheurs y répondent à des questions à l'aide de vidéos. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com, Youtube

Bien sûr, rien n’interdit d’imaginer que notre univers observable ne soit qu’une infime portion d’un cosmos infini et éternel, qui s’est localement contracté avant de rebondir selon le scénario standard du Big Bang. En d’autres termes, il n’y a rien d’irrationnel ou de non-scientifique à envisager des théories sur une période avant le Big Bang, comme le font des théoriciens comme Martin Bojowald ou Roger Penrose.

De la cosmologie stationnaire à la théorie du Big Bang

On ne le répétera jamais assez, la théorie du Big Bang, pour tous les astrophysiciens et les cosmologistes, se limite à l’espace et au temps observables. Elle ne parle pas d’une véritable naissance absolue de tout ce qui peut exister, c'est-à-dire par définition, l’univers.

Jusqu’au début des années 1960, la majorité des cosmologistes et des astrophysiciens restaient sourds aux calculs de Lemaître, Gamow et Alpher, leur préférant la théorie de la cosmologie stationnaire défendue par Fred Hoyle, Hermann Bondi, Thomas Gold et Geoffrey Burbidge. Selon cette dernière théorie, l’univers, bien qu’en expansion, est éternel et infini. Il en découle qu’à l’échelle des galaxies et au-delà, l’univers doit apparaître identique pour tous les observateurs et quelle que soit leur date d’apparition dans le cosmos.

En 1963, la découverte du premier quasar, 3C 273, par Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, fut le premier clou dans le cercueil du modèle cosmologique stationnaire. Situés à des milliards d’années-lumière de la Voie lactée, et donc observés quand l’univers était plus jeune de quelques milliards d’années, ces astres ne ressemblaient à rien de connu dans l’univers extragalactique proche, preuve que l’univers n’était pas uniforme dans l’espace ni sans évolution dans le temps. La défaite vint quelques années plus tard avec la découverte du rayonnement fossile et de son spectre de corps noir.

La nucléosynthèse cosmologique, un des piliers du Big Bang

Aujourd’hui, comme le prouve un article récemment publié par Nature, et dont on peut consulter le contenu sur arxiv, les quasars nous apportent une nouvelle preuve en faveur de la théorie du Big Bang.

Une vue d'artiste du quasar Ulas J1120+0641 découvert par les astronomes, avec des jets de matière. C'est l'un des quasars les plus distants connus. © ESO, M. Kornmesser
Une vue d'artiste du quasar Ulas J1120+0641 découvert par les astronomes, avec des jets de matière. C'est l'un des quasars les plus distants connus. © ESO, M. Kornmesser

L’un des trois piliers principaux de la théorie du Big Bang, en plus du rayonnement fossile et du décalage spectral vers le rouge spécifique à la relativité générale, est la théorie de la nucléosynthèse. Elle prédit les abondances d’hydrogène et d’hélium observées dans le cosmos et implique que ce sont des successions d’étoiles massives qui ont continuellement enrichi la matière de l’univers observable en élément plus lourds. Si l’on remonte dans le temps en analysant la composition chimique moyenne des étoiles des galaxies, on doit voir un appauvrissement en éléments comme le fer, l’oxygène ou le magnésium.

La théorie du Big Bang prédit donc que si l’on mesure la composition chimique d’objets et de la matière les entourant lorsque le cosmos observable n’était âgé que de quelques centaines de millions d’années, on ne devrait déceler la présence que de l’hydrogène et de l’hélium.

Un quasar lointain pour conforter la thèse du Big Bang

La découverte récente du quasar ULAS J1120+0641, le plus lointain et le plus ancien connu, vient justement de permettre une sorte de carottage dans les couches temporelles de l’univers observable, alors qu’il n’avait guère plus de 700 millions d’années. La lumière émise par ce quasar a traversé à cette époque la matière l’environnant. La présence d’éléments chimiques en quantités données peut en être déduite en observant des raies d’absorption. Seules celles de l’hydrogène et de l’hélium ont été détectées, contrairement aux observations faites sur des quasars plus jeunes de quelques milliards d’années.

Bien que des observations similaires faites avec d’autres quasars aussi âgés soient nécessaires, ce résultat semble solide. Il implique fortement que, comme prédit par la théorie du Big Bang, l’univers a évolué à partir d’un gaz de matière normale composé d’hydrogène et d’hélium, dépourvu de noyaux plus lourds que celui du bore. Ceux-ci ne naîtront que dans les fourneaux des premières étoiles. C’est donc une preuve de plus en faveur de la théorie du Big Bang.


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