big bang, théorie du

3.2

Théorie inflationnaire

Selon le modèle du big bang, la phase d’expansion de l’Univers est extrêmement rapide dans les premières microsecondes. L’une des versions du big bang inclut même une phase d’inflation, dans laquelle la taille de l’Univers augmente d’un facteur de 10⁴⁰ en 10^-20 s après l’explosion primordiale, pour continuer d’augmenter par la suite à un taux beaucoup plus faible. La théorie de l’inflation a été proposée par l’astrophysicien Alan Guth dans les années 1980, et développée peu après par Paul Steinhardt, Andrei Linde et Andres Albrecht. La théorie inflationnaire de l’Univers résout divers problèmes cosmologiques. Les modèles cosmologiques standard (modèles de Friedmann-Lemaître) sont caractérisés par un espace non euclidien, c’est-à-dire courbe. Or la mesure de la courbure de l’Univers est très proche de zéro. Ainsi, notre Univers est très proche de l’Univers plat décrit par les lois de la géométrie euclidienne. L’inflation offre une explication à cette propriété puisque l’Univers observable serait limité à une infime fraction de l’Univers ; de même, nous ne nous apercevons pas de la courbure de la Terre, car notre perspective est limitée par l’horizon qui nous dissimule la rotondité de la Terre. De plus, l’inflation fournit un cadre pour rendre compte de l’apparente homogénéité de l’Univers à grande échelle : puisque l’Univers observable correspond à une infime fraction de l’Univers primordial, il n’est pas étonnant qu’il apparaisse uniforme.

Le modèle inflationnaire prédit un Univers dont l’état est juste à la limite entre un état ouvert (courbure négative) et un état fermé (courbure positive). Si l’Univers est ouvert, l’expansion de l’Univers se poursuivra indéfiniment de plus en plus lentement ; si l’Univers est fermé, la contraction de l’Univers succédera à la phase d’expansion pour s’achever par une phase d’effondrement, surnommée le big crunch, par analogie au big bang. En fait, pour prédire l’avenir de l’Univers, il convient de déterminer sa densité de matière et d’énergie. Cependant, la détermination de celle-ci reste un défi pour les astrophysiciens, l’Univers étant principalement constitué de matière et d’énergie noires.

4

Scénario du big bang

4.1

Avant 10-43 seconde : superforce ou gravité quantique

La phase primordiale de l'Univers est le domaine de la superforce (appelée aussi gravité quantique), qui unifie alors les quatre connues (voir théorie des champs unifiée). À ce stade d'évolution, la matière n’est pas encore née, seul règne le vide au sens quantique du terme (apparition et disparition de particules virtuelles).

4.2

De 10-43 à 10-35 seconde : grande unification des forces

Au temps de Planck, l’Univers a un diamètre d’environ 10^-33 cm et sa température est de l’ordre de 10³² K. Dans cet Univers, l’énergie se matérialise sporadiquement en d'éphémères paires particules-antiparticules. La superforce se scinde en deux forces : la gravitation et la force électronucléaire. La gravitation quitte ainsi le monde quantique ; désormais, son action à l'échelle des particules est négligeable. La force électronucléaire, quant à elle, regroupe les interactions fortes et électrofaibles ; elle est décrite par la théorie actuelle de grande unification (TGU, ou GUT en anglais), c’est pourquoi cette période est dite de grande unification.

4.3

De 10-35 à 10-32 seconde : inflation de l'Univers

À ce moment de l'évolution universelle, la température chute à environ 10²⁸ K, ce qui permet la sécession de la force électronucléaire en interaction forte et en interaction électrofaible. Avec la gravitation, l’Univers compte désormais trois forces distinctes. L’énorme énergie du vide est alors brutalement libérée et imprime à l'Univers une expansion fulgurante que le physicien Alan Guth a appelé inflation. Dans ce laps de temps ultra court (de 10^-35 à 10^-32 seconde), son volume augmente de manière inimaginable (d'un facteur 10²⁷ ou 10⁵⁰, selon les théories) alors que dans les 15 milliards d'années suivantes, son volume n'augmentera que d'un facteur 10⁹.

4.4

De 10-32 à 10-12 seconde : naissance des quarks

La période d’inflation s’achève vers 10^-32 seconde après le big bang. Suite à cette formidable expansion, l'Univers a désormais la taille d'une orange et sa température est de l’ordre de 10²⁵ K.

C'est à ce moment que les premières particules de quarks et d'antiquarks surgissent du vide quantique dans une « mare » de photons. Cette création de matière et d’antimatière entraîne aussitôt un équilibre entre ces deux composantes antagonistes : les paires de particule-antiparticule s’annihilent en formant des photons (première matérialisation de lumière) ; puis ces mêmes photons, par une réaction symétrique, se matérialisent en paires de particule-antiparticule. L'Univers est alors une « soupe » de quarks et d'antiquarks en perpétuelle matérialisation-annihilation.

Si ce processus de matérialisation-annihilation était parfaitement symétrique, la matière (dont nous sommes constitués) n’aurait jamais vu le jour. Heureusement, la nature a un léger penchant pour la matière : pour chaque création d’un milliard d'antiquarks, un milliard et un quarks sont créés.