Au début, l'Univers s'est développé très, très rapidement.
(Image: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter est astrophysicien à l'Ohio State University et scientifique en chef au COSI science center. Sutter est également l'hôte de Ask a Spaceman et Space Radio, et dirige AstroTours à travers le monde. Sutter a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
Il y a 13,8 milliards d'années, tout notre univers observable avait la taille d'une pêche et avait une température de plus d'un billion de degrés.
C'est une déclaration assez simple, mais très audacieuse à faire, et ce n'est pas une déclaration qui est faite à la légère ou facilement. En effet, même il y a cent ans, cela aurait semblé carrément absurde, mais nous y voilà, disant que ce n'est pas grave. Mais comme pour tout ce qui concerne la science, de simples déclarations comme celle-ci sont construites à partir de montagnes de multiples sources de données indépendantes qui pointent toutes vers la même conclusion - dans ce cas, le Big Bang, notre modèle de l'histoire de notre univers. [L'univers: du Big Bang à maintenant en 10 étapes faciles]
Mais, comme on dit, ne me croyez pas sur parole. Voici cinq éléments de preuve pour le Big Bang:
# 1: Le ciel nocturne est sombre
Imaginez un instant que nous vivions dans un univers parfaitement infini, à la fois dans le temps et dans l'espace. Les collections scintillantes d'étoiles continuent indéfiniment dans toutes les directions, et l'univers a toujours été et sera toujours. Cela signifierait où que vous regardiez dans le ciel - choisissez simplement une direction aléatoire et regardez - vous seriez obligé de trouver une étoile là-bas, quelque part, à une certaine distance. C'est le résultat inévitable d'un univers infini.
Et si ce même univers existe depuis toujours, alors il y a eu beaucoup de temps pour la lumière de cette étoile, rampant à travers le cosmos à une vitesse relativement lente de c, pour atteindre vos globes oculaires. Même la présence de toute poussière intermédiaire ne diminuerait pas la lumière accumulée d'une infinité d'étoiles réparties sur un cosmos infiniment grand.
Ergo, le ciel devrait être embrasé par la lumière combinée d'une multitude d'étoiles. Au lieu de cela, c'est surtout l'obscurité. Vide. Néant. Noirceur. Vous savez, l'espace.
Le physicien allemand Heinrich Olbers n'a peut-être pas été la première personne à noter ce paradoxe apparent, mais son nom est resté fidèle à l'idée: il est connu comme le paradoxe d'Olbers. La résolution simple? Soit l'univers n'est pas de taille infinie, soit il n'est pas infini dans le temps. Ou peut-être que ce n'est ni l'un ni l'autre.
# 2: Les quasars existent
Dès que les chercheurs ont développé des radiotélescopes sensibles, dans les années 1950 et 1960, ils ont remarqué des sources radio étrangement bruyantes dans le ciel. Grâce à d'importantes recherches astronomiques, les scientifiques ont déterminé que ces sources radio quasi-stellaires, ou «quasars», étaient des galaxies actives très éloignées mais inhabituellement lumineuses.
Ce qui est le plus important pour cette discussion, c'est la partie "très éloignée" de cette conclusion.
Parce que la lumière prend du temps pour voyager d'un endroit à un autre, nous ne voyons pas les étoiles et les galaxies telles qu'elles sont maintenant, mais telles qu'elles étaient il y a des milliers, des millions ou des milliards d'années. Cela signifie que regarder plus profondément dans l'univers, c'est aussi regarder plus profondément dans le passé. Nous voyons beaucoup de quasars dans le cosmos lointain, ce qui signifie que ces objets étaient très courants il y a des milliards d'années. Mais il n'y a pratiquement pas de quasars dans notre quartier local actuel. Et ils sont assez communs dans l'univers lointain (c'est-à-dire jeune) que nous devrions voir beaucoup plus dans notre voisinage.
La conclusion simple: l'univers était différent dans son passé qu'aujourd'hui.
# 3: Il s'agrandit
Nous vivons dans un univers en expansion. En moyenne, les galaxies s'éloignent de toutes les autres galaxies. Bien sûr, certaines petites collisions locales se produisent à partir d'interactions gravitationnelles restantes, comme la façon dont la Voie lactée va entrer en collision avec Andromède dans quelques milliards d'années. Mais à grande échelle, cette relation simple et expansionniste est vraie. C'est ce que l'astronome Edwin Hubble a découvert au début du 20e siècle, peu de temps après avoir découvert que les «galaxies» étaient réellement une chose. [Le crash frontal de la Voie lactée avec Andromède: Images d'artiste]
Dans un univers en expansion, les règles sont simples. Chaque galaxie s'éloigne de (presque) toutes les autres galaxies. La lumière des galaxies éloignées sera décalée vers le rouge - les longueurs d'onde de la lumière qu'elles libèrent deviendront plus longues, et donc plus rouges, du point de vue des autres galaxies. Vous pourriez être tenté de penser que cela est dû au mouvement des galaxies individuelles qui accélèrent autour de l'univers, mais les calculs ne s'additionnent pas.
La quantité de décalage vers le rouge pour une galaxie spécifique est liée à sa distance. Les galaxies plus proches obtiendront une certaine quantité de décalage vers le rouge. Une galaxie deux fois plus éloignée obtiendra deux fois ce décalage vers le rouge. Quatre fois la distance? C'est vrai, quatre fois le décalage vers le rouge. Pour expliquer cela avec de simples galaxies, il doit y avoir une conspiration vraiment étrange où tous les citoyens galactiques de l'univers acceptent de se déplacer dans ce modèle très spécifique.
Au lieu de cela, il y a une explication beaucoup plus simple: le mouvement des galaxies est dû à l'étirement de l'espace entre ces galaxies.
Nous vivons dans un univers dynamique et évolutif. Il était plus petit dans le passé et sera plus grand à l'avenir.
# 4: Le rayonnement relique
Jouons à un jeu. Supposons que l'univers était plus petit dans le passé. Cela signifie qu'il aurait été à la fois plus dense et plus chaud, non? À droite - tout le contenu du cosmos aurait été regroupé dans un espace plus petit, et des densités plus élevées signifient des températures plus élevées.
À un moment donné, lorsque l'univers était, disons, un million de fois plus petit qu'il ne l'est maintenant, tout aurait été tellement brisé ensemble que ce serait un plasma. Dans cet état, les électrons seraient libres de leurs hôtes nucléaires et libres de nager, toute cette matière baignant dans un rayonnement intense de haute énergie.
Mais à mesure que cet univers infantile se développait, il se serait refroidi à un point où, soudainement, les électrons pourraient s'installer confortablement autour des noyaux, créant les premiers atomes complets d'hydrogène et d'hélium. À ce moment-là, le rayonnement intense et fou irait sans entrave à travers l'univers nouvellement mince et transparent. Et à mesure que cet univers se développait, la lumière qui commençait littéralement à chauffer à blanc se serait refroidie, refroidie, refroidie à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, plaçant fermement les longueurs d'onde dans la gamme des micro-ondes.
Et quand nous pointons nos télescopes hyperfréquences vers le ciel, que voyons-nous? Un bain de rayonnement de fond, qui nous entoure de tous côtés et presque parfaitement uniforme (à une partie sur 100 000!) Dans toutes les directions. Une photo de bébé de l'univers. Une carte postale d'une époque morte depuis longtemps. La lumière d'une époque presque aussi vieille que l'univers lui-même.
# 5: C'est élémentaire
Repousser l'horloge encore plus loin que la formation du fond micro-ondes cosmique, et à un moment donné, les choses sont si intenses, si folles que même les protons et les neutrons n'existent pas. C'est juste une soupe de leurs parties fondamentales, les quarks et les gluons. Mais encore une fois, alors que l'univers se dilatait et se refroidissait depuis les premières minutes frénétiques de son existence, les noyaux les plus légers, comme l'hydrogène et l'hélium, se figeaient et se formaient.
Nous avons une maîtrise assez décente de la physique nucléaire de nos jours, et nous pouvons utiliser cette connaissance pour prédire la quantité relative des éléments les plus légers de notre univers. La prédiction: cette soupe congelée aurait dû engendrer environ les trois quarts de l'hydrogène, un quart de l'hélium et quelques "autres".
Le défi revient alors aux astronomes, et que trouvent-ils? Un univers composé à peu près des trois quarts d'hydrogène, d'un quart d'hélium et d'un pourcentage plus faible d '«autres». Bingo.
Il y a aussi plus de preuves, bien sûr. Mais ce n'est que le point de départ de notre image moderne du Big Bang du cosmos. Plusieurs éléments de preuve indépendants pointent tous vers la même conclusion: notre univers a environ 13,8 milliards d'années et, à une époque, il avait la taille d'une pêche et avait une température de plus d'un billion de degrés.
Pour en savoir plus, écoutez l'épisode "Que se passe-t-il lorsque les galaxies entrent en collision?" sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla et Patrick D. pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter. Suivez-nous @Spacedotcom, Facebook et Google+. Article original sur Space.com.
