Fiche explicative de la leçon: Le Big Bang Sciences

Dans cette fiche explicative, nous allons voir comment l’univers s’est formé et comment il a évolué au cours de milliards d’années.

Avant de parler de ses origines, il faut d’abord bien comprendre ce qu’est « l’univers ».

Nous vivons sur la planète Terre, qui est en orbite autour du Soleil. En plus de la Terre, il existe sept autres planètes qui sont en orbite autour du Soleil, ainsi qu’une multitude d’autres objets, parmi lesquels des lunes, des comètes et des astéroïdes. Le Soleil et tous les corps célestes en orbite autour de lui sont appelés le système solaire.

Si l’on se place à l’extérieur du système solaire, il existe beaucoup d’autres étoiles comme le Soleil. Depuis la Terre, avec un ciel très sombre, il est possible d’observer environ 6‎ ‎000 autres étoiles et chacune de ces étoiles possède son propre système planétaire comprenant des planètes, des astéroïdes et des comètes. Ces étoiles font partie d’une structure plus grande appelée la Voie lactée, qui contient toutes les étoiles que nous pouvons observer, ainsi que de nombreuses autres qui sont trop loin ou trop faibles pour que nous puissions les voir. Il n’est pas possible de voyager assez loin dans l’espace pour prendre une photo de la Voie lactée, mais si nous pouvions le faire, elle pourrait ressembler à cette représentation artistique.

Chaque point sur cette image est une étoile, entourée de son propre système solaire, dont seulement une seule est le Soleil. Il y a au total au moins 100 milliards (soit 100 000 000 000) d’étoiles dans la Voie lactée. Il s’agit d’une galaxie, une structure contenant des étoiles et leurs systèmes solaires, ainsi que tout le gaz et la poussière situés entre eux. La Voie lactée n’est qu’une galaxie parmi plus de 100 milliards de galaxies qui composent l’univers. L’univers est le nom donné à tout ce qui existe dans l’espace : les galaxies, les étoiles, les planètes et la vie qui y existe, tout le gaz et la poussière entre elles, toute la lumière et même le temps.

La taille de l’univers dépasse les limites de l’imagination. Il n’est pas possible de déterminer exactement quelle est sa taille, car nous ne pouvons distinguer aucune extrémité. En fait, il est possible qu’il n’ait pas de limites.

Si nous regardons la manière dont les galaxies se déplacent à travers l’espace, nous pouvons voir quelque chose d’intéressant. On pourrait s’attendre à ce que les galaxies se déplacent de manière aléatoire, certaines se dirigeant vers nous et d’autres s’éloignant de nous. Ou peut-être que la force de gravitation aurait tendance à rapprocher le tout. Au lieu de cela, nous constatons que seuls nos très proches voisins semblent être influencés par la gravité : quelques petites galaxies sont en orbite autour de la Voie lactée, comme les planètes en orbite autour du Soleil, et Andromède, la galaxie la plus proche qui se dirige vers nous. Si nous regardons au-delà d’Andromède, toutes les galaxies s’éloignent de nous. Et plus elles sont éloignées, plus elles s’éloignent vite.

À première vue, il est facile de mal interpréter tout cela et de dire que nous occupons une place spéciale dans l’univers puisque tout le reste s’éloigne de la Voie lactée. En fait, le phénomène peut être assimilé aux déplacements de raisins secs dans une brioche qui cuit et gonfle.

Lorsque la brioche grossit, les raisins secs s’éloignent les uns des autres. Et plus ils étaient éloignés, plus ils se déplacent. Peu importe le raisin choisi comme point de repère, les autres vont toujours sembler s’éloigner. C’est parce que les raisins secs eux-mêmes ne bougent pas vraiment ; c’est la brioche dans laquelle ils se trouvent qui grossit.

De même, ce que nous observons dans l’espace, c’est que les galaxies elles-mêmes ne s’éloignent pas vraiment les unes des autres, mais plutôt que l’espace qui les contient devient de plus en plus grand. En fait, l’univers entier est en expansion constante. Cela ne veut pas dire que chaque élément de la galaxie est en expansion : les planètes, les étoiles et les galaxies gardent la même taille. Ce n’est que l’espace situé entre elles qui grandit au fur et à mesure de l’expansion de l’univers .

Exemple 2: Comprendre l’expansion de l’univers

La figure suivante représente trois galaxies, dont notre propre galaxie, la Voie lactée, à gauche.

Laquelle des images suivantes représente le mieux la distance entre ces galaxies après une expansion de l’univers ? 

1. 

2. 

Réponse

Dans cet exemple, nous avons trois galaxies espacées de manière égale sur une ligne et nous devons imaginer quelles seraient leurs positions après une certaine expansion de l’univers.

La réponse A suggère que les trois galaxies sont équidistantes les unes des autres mais que l’écart entre elles a augmenté. Dans la figure B, les deux autres galaxies sont plus proches l’une de l’autre et la distance est plus grande avec la Voie lactée.

Les deux réponses montrent que les deux autres galaxies s’éloignent de la Voie lactée, ce qui est normal. Cependant, avec l’expansion de l’univers, nous savons que toute galaxie semble s’éloigner de toutes les autres galaxies. Dans la figure B, les galaxies situées au milieu et à droite se retrouvent plus proches qu’au début, cela n’est pas possible. La meilleure réponse est donc la réponse A, où toutes les galaxies se sont éloignées les unes des autres.

L’univers peut être infiniment grand mais il n’a pas toujours existé. Pour comprendre d’où vient l’univers, examinons ce qui se passe si nous revenons en arrière en inversant le phénomène d’expansion dans le temps. Actuellement, toutes les galaxies s’éloignent les unes des autres à cause de l’expansion de l’univers donc si nous remontons dans le temps, elles vont se rapprocher et l’univers va rétrécir. Au fur et à mesure que nous revenons en arrière, tout va devenir plus dense, et l’univers va devenir plus petit. Si nous remontons assez loin dans le temps, d’environ 14 milliards d’années, nous pouvons voir que les galaxies sont si proches les unes des autres qu’elles forment un seul point. Ce point est appelé le Big Bang.

Le Big Bang correspond à l’expansion initiale à l’origine de l’univers. Toutes les particules qui existent ont été créées à partir d’un seul point. À partir de ce point minuscule, l’univers a grandi et s’est étendu pour atteindre la taille qu’il a maintenant. Cette expansion se poursuit toujours et c’est pourquoi nous pouvons encore voir les galaxies s’éloigner aujourd’hui.

Au tout début, lorsque tout était concentré, l’univers était dense et chaud. Il n’y avait pas d’étoile ni de galaxie ; il n’y avait même pas d’atomes. L’univers entier était une soupe dense et chaude de particules à haute pression. En grandissant, l’univers s’est refroidi et certaines des particules se sont regroupées pour former des atomes, les éléments de base qui composent toute la matière que nous connaissons aujourd’hui. Seuls les éléments les plus légers, l’hydrogène et l’hélium ont été créés peu de temps après le Big Bang ; les éléments plus lourds comme l’oxygène que nous respirons et le carbone présent dans notre corps, ne seront créés que beaucoup plus tard.

Au début, l’univers était assez lisse et homogène, comme une soupe, mais il existait de petits amas de matière légèrement plus denses à certains endroits. Comme la gravité attire la matière, ces zones légèrement plus denses que les autres ont attiré plus de matière et sont devenues plus denses, ce qui signifie qu’elles ont attiré encore davantage de matière vers elles. De cette façon, ces amas ont grossi jusqu’à ce que toute la matière contenue dans l’univers soit agglomérée en plusieurs groupes séparés par de vastes étendues de vide entre eux. Les premières étoiles se sont formées dans ces amas. Ces premières étoiles étaient beaucoup plus grandes que le Soleil et formaient des groupes. Peu à peu, ces groupes se sont rassemblés par gravité et ont fusionné pour former des structures comme les galaxies que nous observons aujourd’hui.

Cette première génération d’étoiles très massives n’a existé que pendant quelques millions d’années - une durée de vie très courte par rapport à l’âge de l’univers. Après leurs disparitions, les atomes qui les formaient sont restés à l’intérieur des galaxies et se sont à nouveau regroupés pour former d’autres générations d’étoiles. Ces générations suivantes comprennent des étoiles plus petites, comme le Soleil et notre système solaire, qui se sont formés il y a environ 4,5 milliards d’années.

Les étapes de la formation de l’univers sont résumées dans le schéma ci-dessous.

Ces derniers exemples vont vous aider à comprendre l’ordre dans lequel les structures se sont formées dans l’univers.