Le Big Bang est une théorie scientifique qui tente d'expliquer les premiers instants de l'Univers. Elle a été lancée par l’Abbé Georges Lemaître (wp). Il s'agit du commencement de l'expansion de l'Univers, il y a environ 13,8 milliards d’années, lorsque l'Univers était extrêmement dense et chaud.

Cette expression veut dire en français « Grand Boum », mais c'est l'expression anglaise qui est utilisée. Ce n'est pas le début de l'Univers comme on le dit souvent, car on ne sait pas ce qu'il y avait avant (ni même s'il y avait un avant). Le Big Bang est une théorie scientifique en partie confirmée par certaines observations astronomiques. Si on sait que l'univers était initialement chaud et très dense, la théorie ne dit pas ce qui est à l'origine du Big Bang.

Cet instant marque le début de la dilatation et de l'expansion de l'Univers. Le Big Bang n'est pas une explosion : c'est la totalité de l'espace qui se dilate, et il n'est pas contenu dans un autre espace plus grand. Le terme Big Bang a été utilisé pour la première fois en 1950. Au début, c'est un physicien, Fred Hoyle (wp), qui a créé ce terme pour se moquer de cette nouvelle théorie cosmologique. Ce physicien croyait, comme beaucoup d'autres scientifiques de cette époque, que l'Univers avait toujours été le même.

Aucune observation ne permet de savoir directement ce qui s'est passé il y a 13,8 milliards d'années mais on peut quand même observer certains phénomènes qui se sont produits 380 000 ans après le Big Bang.

La découverte de la relativité générale par Albert Einstein en 1915 marque le début de la cosmologie moderne, où il devient possible de décrire l'univers dans son ensemble.

Einstein est le premier à proposer une solution issue de la relativité générale décrivant l'espace dans son ensemble, appelée Univers d'Einstein. Ce modèle indique que l'homme n’occupe pas de position privilégiée dans l'univers. Il ajoute une autre idée : celle que l'univers est fixé (statique), c’est-à-dire n'évolue pas avec le temps. Plus tard, dans les années 20, Edwin Hubble découvre en observant certaines galaxies que l'Univers n'est pas statique. Il découvre que les galaxies se déplacent et s'éloignent toutes de la nôtre ! Une explication s'impose : l'univers est en expansion. Sa taille est de plus en plus grande au cours du temps. On a longtemps pensé que cette expansion se ralentirait mais on a découvert en 1998 qu'au contraire, l'univers se dilate de plus en plus rapidement.

Du fait de l’expansion, l'univers était par le passé plus dense et plus chaud. La chronologie du Big Bang revient à déterminer (en marche arrière) l'état de l'univers à mesure que sa densité et sa température augmentent dans le passé.

Le Big Bang s'est passé en plusieurs étapes :

Personne n'a encore trouvé comment ni pourquoi, mais les astronomes savent aujourd'hui que l'Univers est en expansion. Donc, il a bien fallu qu'à un moment donné, tout ce qui le compose soit rapproché dans un état infiniment dense et infiniment chaud. Cette période de l'Univers est nommée "ère de Planck", en hommage au physicien allemand Max Planck.

A ces niveaux d'énergie, les lois connues de la physique sont incapables de décrire l'Univers, si bien qu'on ne sait rien de ce qui précède ce "mur de Planck". Mais on pense qu'il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers émerge de cet état et commence à se dilater et se refroidir.

Pour certains scientifiques, il est absurde de parler d'une singularité initiale, d'une origine ou d'un instant "0". Il existe néanmoins différentes théories qui tentent de décrire l'Univers avant ce "mur de Planck", comme par exemple la théorie des cordes, la gravité quantique à boucles, la théorie du vide quantique, ou encore la cosmologie branaire.

Aujourd'hui, nous connaissons quatre forces fondamentales :

Néanmoins, au moment du Big Bang, les conditions étaient si extrêmes qu'on pense que ces quatre forces n'en faisaient en fait qu'une seule. Au fur et à mesure que l'univers s'est refroidi, les forces se sont séparées, l'une après l'autre.

Nous observons aujourd'hui qu'un côté de l'Univers visible ressemble beaucoup à l'autre. Il faut pour cela que les côtés opposés de cet Univers aient été en contact suffisamment étroit pour partager leurs caractéristiques. Aujourd'hui, ils sont si éloignés l'un de l'autre que la lumière n'a pas eu le temps de voyager de l'un à l'autre. En théorie, une période d'expansion incroyablement rapide, appelée inflation cosmique, aurait soufflé l'Univers plus vite que la vitesse de la lumière.

Trois minutes après le commencement de l'expansion de l'univers se trouvait déjà une mer chaotique de protons, électrons et neutrons. Puis, à mesure que l'Univers se refroidissait, les protons et les neutrons purent se combiner pour former des noyaux atomiques simples, principalement de l'hydrogène, un peu d'hélium et un brin de lithium. Un processus appelé "nucléosynthèse". Cependant, il faisait encore trop chaud pour que les électrons se joignent à la fête à ce stade.

Il a fallu encore 380 000 ans pour que les températures de l'Univers descendent en dessous de 3 000 degrés, ce qui permit aux électrons de s'assembler aux noyaux atomiques. Jusqu'à ce moment, les photons étaient continuellement absorbés et dispersés par le brouillard d'électrons libres, donc la lumière ne voyageait pas bien loin. Lorsque les noyaux absorbent les électrons, la lumière fut soudain libérée. C'est la même lumière que nous voyons aujourd'hui, étirée par l'expansion de l'Univers et appelé Rayonnement du fond diffus cosmologique.

Les premières étoiles étaient énormes, peut être 1 000 fois plus massives que notre Soleil. Elle furent vitales dans l'histoire de l'Univers car elle réchauffèrent et ionisèrent le gaz hydrogène autour d'elle. Au cœur de ces étoiles, de nouveaux éléments furent créés, avant d'être libérés dans l'Univers et recyclés en nouvelles étoiles et finalement en planètes. Les premières étoiles explosèrent en supernovæ.

Lorsque les premières étoiles explosent, elles laissent derrière elles des trous noirs qui grandissent en fusionnant. Autour de ces trous noirs se regroupe toujours plus de gaz, et un système d'étoiles se forme. Ce sont les premières galaxies, d'à peine quelques centaines d'années-lumières de diamètre, mais très denses. Ces proto-galaxies fusionnent les unes avec les autres pour devenir les galaxies plus grandes que nous connaissons aujourd'hui.

L'étoile HE 1523-0901 du halo de la Voie Lactée serait âgée de 13,2 milliards d'années, ce qui nous donne un âge minimum de notre galaxie. Le bulbe et le halo de la Voie Lactée se sont formés dans un premier temps, les bras spiraux apparurent plus tard.

Dans les trois quarts de l'Univers primordial (composé d'atomes d'hydrogène neutre), on ne trouvait aucune étoile ni galaxie pour apporter de la lumière. On se réfère à cette période comme l'« âge des ténèbres ». Les premières étoiles et galaxies se sont formées sur une période d'un milliard d'années, produisant un rayonnement ultraviolet qui ionisa l'hydrogène neutre.

Les galaxies aiment copiner avec d'autres galaxies, liées par un soupçon innocent d'attraction gravitationnelle. Nous les appelons amas de galaxies. Les premières se sont peut-être formées il y a 10 milliards d'années. Ce sont les plus grands objets de l'Univers.

Il y a 8 milliards d'années, quelque chose change dans l'Univers : l'expansion cosmique cesse de ralentir sous l'effet des forces de gravitation et commence à accélérer. Une force énigmatique est à l'œuvre, l'énergie noire, qui continue aujourd'hui d'accélérer l'expansion de notre Univers.

Notre système solaire ne fait que le tiers de l'âge de l'Univers. Il s'est formé lorsqu'un nuage de gaz s'est effondré en une étoile. Un disque de gaz et de poussière a alors entouré notre Soleil naissant et a fini par donner les planètes, dont notre Terre, la planète bleue.

L'étude des modèles de Big Bang révèle un certain nombre de problèmes. Par exemple, la quantité de matière au moment du Big Bang est extrêmement grande, ce qui complique les calculs. Les scientifiques essaient donc plusieurs scénarios pour s'approcher de la vérité. Ces scénarios font changer les masses, les vitesses, les mouvements, les formes, l'horizon, la chimie... Une toute petite différence dans des calculs peut changer beaucoup le scénario. Certains scénarios sont possibles, alors les scientifiques font des recherches plus poussées dessus, d'autres sont impossibles et alors abandonnés.