Origine de la matière dans l'Univers

 L'expansion de l'Univers

Dès 1929, il y a près de 100 ans, l'astronome Edwin Hubble découvre que la distance des galaxies lointaines est proportionnelle au décalage de leur lumière vers le rouge. C'est ce qu'on appelle l'effet Doppler. Or, un tel décalage ne se produit que lorsque l'objet observé est en mouvement et, plus précisément, lorsqu'il s'éloigne : c'est l'étirement de la longueur d'onde vers le rouge dans le spectre de la lumière visible.

En réalité, deux effets se conjuguent lorsque l'on regarde les galaxies :

1. L'effet Doppler de la relativité restreinte, donc fonctionnant dans le cas particulier d'un observateur placé en un endroit (Bedran, 2002) :

La figure ci-dessus propose une visualisation de l'effet Doppler en relativité restreinte (en opposition avec la relativité générale : l'effet Doppler dépend de l'observateur). On voit que si un astre se rapproche de la Terre, alors la lumière que l'on reçoit tend vers le bleu ; à l'inverse, si un astre s'en éloigne, sa lumière tend vers le rouge.

2. Et l'effet cosmologique du décalage vers le rouge dû à l'expansion de l'Univers (Bedran, 2002) :

La figure ci-dessus propose une représentation de l'effet cosmologique du décalage vers le rouge : quelle que soit la direction dans laquelle nous regardons dans l'espace, toutes les galaxies lointaines s'éloignent de nous en raison de l'expansion de l'Univers.

C'est l'observation de ce décalage vers le rouge de la lumière des galaxies lointaines par Hubble qui lui a permis de se rendre compte que les galaxies s'éloignent de nous. C'est ce qui a amené les physiciens à émettre l'hypothèse d'un Univers en expansion.

Le Big Bang

Georges Lemaître, contemporain de Hubble, s'est appuyé sur cette découverte afin de proposer pour la première fois la théorie du Big Bang en 1927 (Alexandre Friedmann aurait proposé cette théorie dès 1922 dans une revue allemande, Hubble l'a re-proposée avec des calculs plus précis en 1929 (G. Lemaître, Expansion de l'Univers, Wikipedia)) : il propose que l'Univers s'est étendu de façon explosive à partir d'un état extrêmement chaud et dense, et continue de s'étendre encore aujourd'hui. Les calculs réalisés ont donné un âge d'environ 13,7 Ga (milliards d'années) au Big Bang .

Sur la figure ci-dessus, vous trouvez représenté l'histoire de l'Univers telle que nous la connaissons, partant du Big Bang, le moment où l'Univers s'est étendu de façon explosive à partir d'un état extrêmement dense et chaud.

En 1998, deux équipes d'astrophysiciens de Berkeley (Californie) travaillant indépendamment ont observé que des supernovae s'éloignaient de la Terre avec une certaine accélération. Cette découverte a valu le prix Nobel de physique 2011 pour trois chercheurs : Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt et Adam G. Reiss :

Le prix Nobel de Physique en 2011 a été divisé, une moitié est revenue à Saul Perlmutter, la seconde moitié à messieurs Brian P. Schmidt et Adam G. Riess « for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae ».

Donc pour la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers par l'observation de supernovae lointaines.

Avant que ne soit découverte l'accélération de l'expansion de l'Univers, certains physiciens avaient émis l'hypothèse du Big Crunch : si l'expansion de l'Univers venait à ralentir, voire à s'arrêter, la gravité deviendrait la force dominante et l'Univers s'effondrerait sur lui-même pour revenir à son état initial. Mais l'accélération de l'expansion a fait tomber cette théorie en désuétude. 

Les origines de la matière

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était extrêmement chaud et dense.

En même temps que l'Univers a commencé à se refroidir, les conditions sont devenues suffisantes pour que se construisent des blocs de matière : les quarks et les électrons (dont nous sommes tous faits).

Quelques millionièmes de secondes plus tard, les quarks se sont agrégés pour donner les protons et les neutrons.

Après quelques minutes, les protons et les neutrons se sont associés pour former des nucleus.

Alors que l'Univers continuait de se refroidir et de grandir, de s'étendre, les choses ont commencé à ralentir.
380 000 ans ont été nécessaires pour les électrons soient captés par les nucleus et se mettent à tourner autour, formant ainsi les premiers atomes. Les plus simples se sont formés les premiers :

• l'hydrogène, H, un proton et un électron,
• et l'hélium, He, deux protons, deux neutrons, deux électrons.

Ces deux éléments sont encore aujourd'hui largement les plus abondants dans l'Univers.

Les observations récentes suggèrent que les premières étoiles se sont formées à partir de nuages de gaz entre 150 et 200 Ma (millions d'années) après le Big Bang.

C'est au coeur de ces étoiles que les atomes plus lourds, tels que le carbone, l'oxygène et le fer se sont formés puis ont été expulsés et répartis dans l'Univers par les explosions de ces étoiles en supernovae.

Mais tout cela, l'ensemble des gaz, des étoiles, des galaxies qui composent l'Univers visible ne représenteraient que 4% de sa composition...

Les calculs astonomiques et physiques suggèrent que 26% de l'Univers serait fait d'une matière inconnue appelée la matière noire.

Enfin, 70% de la masse de l'Univers serait contenu dans l'énergie noire : l'énergie insivible et inconnue responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers.