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Les fondements théoriques du Big Bang

Dossier - Au-delà du Big Bang : balade en cosmologie
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La théorie du Big Bang en cosmologie est satisfaisante à bien des égards, mais ne répond pas à des anomalies observées, comme l’énergie et la matière noires. L’état actuel des connaissances sur l’origine de l’univers et les nouvelles pistes des théoriciens sont présentés dans ce dossier.

  
DossiersAu-delà du Big Bang : balade en cosmologie
 

Un ensemble d'observations ne suffit pas à faire un modèle. D'abord parce que l'idée même d'une observation « pure » est caricaturale, et même impossible. Toute observation est menée et interprétée dans un paradigme, un cadre de pensée. Mais, surtout, parce qu'élaborer une représentation du monde, c'est inventer un discours dans lequel ces observations intriquées et imbriquées vont prendre sens.

Deux étoiles à neutrons. © ESA, Wikimedia commons, CC by-sa 3.0 IGO

Le succès de la cosmologie contemporaine vient de ce qu'en parallèle des mesures laissant entrevoir l'expansion du cosmos, une nouvelle théorie, dans laquelle ce phénomène allait devenir réellement compréhensible -- et même inévitable --, voyait le jour : la relativité.

Les transformations de Lorentz qui régissent l'évolution des coordonnées en relativité restreinte changent radicalement notre image usuelle de l'espace et du temps. Elles montrent, par exemple, que la durée n'est pas une grandeur absolue. Le temps se dilate. Si l'on disposait d'une technologie capable d'accélérer un homme à 1 g (c'est-à-dire une très agréable gravitation artificielle lui permettant de vivre sans difficulté dans un vaisseau) pendant les 80 ans de sa vie, il se passerait, lors de ce voyage, environ 1036 années sur Terre ! Autrement dit, cent millions de milliards de milliards de fois l'âge de l'univers. Ce que nous montre véritablement la relativité restreinte, c'est que l'espace et le temps ne peuvent pas être considérés indépendamment l'un de l'autre. Seul l'espace-temps fait sens. En fait, ce qu'un observateur identifiera comme de l'espace, un autre observateur, en mouvement, le verra comme du temps. L'espace et le temps peuvent se changer l'un en l'autre. Il n'y a pas de différence essentielle les séparant. C'est une immense révolution !

Aussi étonnante soit-elle quand on la découvre, la relativité restreinte n'est pas, loin de là, le point culminant de la révolution einsteinienne.

Une représentation d'artiste des ondes gravitationnelles se propageant dans le tissu de l'espace-temps et rayonnées par un couple de trous noirs spiralant l'un vers l'autre en perdant de l'énergie à la suite de l’émission de ces ondes. © K. Thorne (Caltech), T. Carnahan (Nasa’s Goddard Space Flight Center)

La relativité générale montre en effet que la trame de l'espace réel est non seulement plus complexe que la géométrie euclidienne apprise au collège et au lycée, mais de plus, elle évolue d'un endroit à un autre et d'un instant à un autre. Voilà la grande découverte d'Einstein : l'espace-temps est devenu dynamique. Il n'est plus ce dans quoi se déploient les phénomènes, il est lui-même un phénomène. Un phénomène en interaction avec d'autres. Le cadre, la géométrie du monde, devient un objet complexe et variable, soumis à des lois d'évolution comme tous les autres processus physiques. Cette immense révolution et aussi une simplification : la physique ne repose plus, comme on le pensait, sur des champs et des particules se mouvant dans un espace-temps donné, mais uniquement sur des champs !

L'application des lois de la relativité générale à l'univers conduit à un résultat remarquable : il ne peut pas être statique ! Il doit être en expansion (ou en contraction). L'observation si surprenante de ces galaxies qui s'éloignent les unes des autres trouve donc maintenant une explication simple et claire grâce aux équations d’Einstein : il ne s'agit pas d'un déplacement des corps célestes dans l'espace, mais d'une dilatation de l'espace lui-même.