Preuve des preuves et de l’expansion de la théorie du Big Bang

Publié le 18 janvier, 2024

Preuve de la théorie du Big Bang

Le Big Bang est aujourd’hui la théorie la plus largement soutenue concernant l’origine de l’univers. Il indique qu’il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers s’est développé à partir d’un point extrêmement petit, chaud et dense appelé singularité. Le terme « big bang » a été inventé par un astronome anglais nommé Fred Hoyle en 1949, qui s’opposait ironiquement à cette théorie. Le terme est plutôt inapproprié car la théorie ne décrit pas l’origine de l’univers comme une grande explosion, mais plutôt comme une expansion de l’espace.

Une chronologie de l’expansion de l’espace.

Schéma de la chronologie de l'expansion du Big Bang

Même si c’est aujourd’hui la théorie la plus largement acceptée, il est essentiel de noter qu’elle n’est pas la seule théorie proposée par les scientifiques pour expliquer l’origine de l’univers. Certaines de ces théories incluent la théorie de l’état stable, qui affirme que l’univers est immuable et reste dans son état d’origine. Il a proposé qu’à mesure que l’espace s’étend, de nouvelles galaxies se forment. Une autre théorie est la théorie de l’univers oscillant, qui est une modification de la théorie du Big Bang. Cela suggère l’inversion de l’expansion de l’univers, entraînant un Big Crunch, qui conduira au début d’une autre naissance de l’univers par l’expansion. Cette théorie décrit que la vie d’un univers peut être limitée, mais que la série d’expansion et de contraction à travers le Big Bang et le Big Crunch peut être infinie. Parmi ces théories, la théorie du Big Bang est celle qui explique l’origine de la matière connue, appuyée par les lois de la physique et renforcée par plusieurs éléments de preuve observés jusqu’à aujourd’hui.

Les éléments de preuve de la théorie du Big Bang sont les suivants :

  • galaxies décalées vers le rouge et expansion de l’univers
  • présence du rayonnement de fond cosmique
  • pourcentage d’éléments légers et lourds présents dans l’univers

Comment chaque élément de preuve du Big Bang soutient-il l’origine de l’univers? Apprenez-en davantage sur tout cela dans les sections suivantes.

Expansion de l’univers et décalage vers le rouge

Comment les scientifiques et les astronomes prouvent-ils l’expansion du Big Bang?

En 1912, l’astronome américain Vesto Slipher a commencé à mesurer les vitesses radiales des nébuleuses spirales et a découvert que ces nébuleuses s’éloignaient de nous à de grandes vitesses. Il a observé que ces nébuleuses présentaient un redshift, ce qui signifie que leurs longueurs d’onde se sont déplacées vers des longueurs d’onde plus longues ou plus rouges, indiquant qu’elles s’éloignent par rapport à nous. Ses observations sont devenues l’une des bases de l’idée selon laquelle l’univers est en expansion.

En 1922, un cosmologiste russe nommé Alexander Friedmann a dérivé des équations nommées équations de Friedmann qui montraient que l’univers est dans un état d’expansion. Il l’a dérivé des équations d’Einstein pour la relativité générale. À cette époque, Einstein soutenait l’idée selon laquelle l’univers est statique et il utilisait la constante cosmologique pour la soutenir. Il l’a ensuite retiré après que l’étude de Hubble ait montré la preuve du retrait des galaxies.

En 1929, Edwin Hubble, un astronome américain, étendit les travaux de Slipher en utilisant un télescope Hooker de 100 pouces situé sur le mont Wilson. Il a essayé de calculer les vitesses des galaxies en mesurant le déplacement de leurs raies spectrales spécifiques. Il a découvert que la plupart des galaxies présentaient un redshift, ce qui indique que les galaxies s’éloignent de nous. Il a également remarqué que ceux qui semblent plus petits dans ses observations ont des redshifts plus importants. Il a ensuite représenté la vitesse de ces galaxies avec leurs distances, ce qui signifie que celles qui semblent plus petites sont situées plus loin de nous. Malgré une grande dispersion de ses données, son graphique montrait une relation intéressante: une relation linéaire entre la distance des galaxies et leurs vitesses. Cela signifie que plus les galaxies s’éloignent de nous rapidement, une relation désormais connue sous le nom de loi de Hubble.

En 1927, le physicien belge et prêtre catholique Georges Lemaitre a dérivé les mêmes équations que Friedmann. Il a ensuite proposé que le retrait des galaxies suggère que l’univers est en expansion. De plus, il a déduit que si l’univers était réellement en expansion, alors il aurait dû être plus petit dans le passé et pourrait même être concentré en un seul point petit et dense qu’il a appelé « l’atome primitif ». Il a proposé que cet « atome primitif » soit l’origine de la structure de l’espace et du temps. Sa proposition a donné lieu à une série de débats sur l’origine de l’univers. Comme mentionné précédemment, d’autres théories ont été présentées à cette époque, mais les observations de Hubble soutenaient fortement l’idée d’un univers en expansion. La découverte du rayonnement de fond cosmique, dont il sera question dans la section suivante, a encore renforcé la théorie du Big Bang.

Rayonnement de fond cosmique

La théorie du Big Bang décrit que l’univers est initialement très chaud et dense, et qu’il se refroidit à mesure qu’il s’étend. Le rayonnement résiduel du Big Bang est appelé rayonnement cosmique micro-ondes (CMB). Aujourd’hui, ce rayonnement n’est que de 2,725 Kelvin ou -270,4{eq}^{\circ} {/eq} Celsius, ce qui est nettement inférieur à la température initiale de l’univers, qui est d’environ 10{eq}^{32} {/eq}. K. Le CMB est invisible à l’œil nu et se trouve dans le spectre des rayonnements micro-ondes. Malgré sa température relativement basse, il est présent dans toutes les directions et le ciel tout entier brillerait uniformément s’il était visible à l’œil humain. C’est une autre preuve de la théorie du Big Bang car il n’existe aucune autre source alternative de ce rayonnement uniforme qui remplit l’univers entier.

Le rayonnement CMB a été découvert accidentellement par Arno Penzias et Robert Wilson au milieu des années 1960. Ils ont utilisé l’antenne cornet micro-ondes des Bell Telephone Laboratories situés dans le New Jersey. Dans un premier temps, ils tentent d’amplifier et de cartographier les signaux radio entre les espaces des galaxies. Ce faisant, ils ont entendu un bruit de fond statique qui semblait venir dans toutes les directions, mais ils n’ont pas pu en trouver la source. Ils pensaient même que cela provenait des crottes de pigeon présentes dans l’antenne, mais même après avoir retiré les crottes de l’engin de pigeon qu’ils avaient créé, ils étaient toujours capables d’entendre le bruit de fond. Ils se sont alors mis à chercher des explications théoriques sur son origine. Au même moment, un physicien de Princeton nommé Robert Dicke a émis l’hypothèse que si la théorie du Big Bang est vraie en tant qu’origine de l’univers, alors il devrait y avoir un faible niveau de rayonnement de fond aujourd’hui. La preuve qui soutenait son idée était celle découverte par Penzias et Wilson.

En 1989, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) a lancé le Cosmic Background Explorer (COBE) pour mesurer avec précision ce rayonnement résiduel. La mission a confirmé la présence du rayonnement de fond, ce qui a renforcé la théorie du Big Bang. Il a cartographié et mesuré le CMB avec une précision de 0,005 %. De plus, bien que le CMB soit relativement uniforme, la mission COBE a découvert son anisotropie ou la présence de minuscules fluctuations de température lorsqu’elle est mesurée dans différentes directions. Ces fluctuations de température donnent un aperçu de l’univers primitif et de l’origine des galaxies.

La comparaison de la résolution du rayonnement cosmique micro-ondes de Penzias et Wilson (en haut), puis à la mission COBE (au milieu), et à la sonde d’anisotropie micro-ondes Wilkinson lancée en 2001 (en bas).

rayonnement de fond cosmique micro-onde comme preuve du Big Bang observé par Penzias et Wilson, COBE et WMAP

Éléments présents dans l’Univers

Au début de l’univers, la température était si élevée que toute la matière était entièrement ionisée et dissociée. Au bout de trois minutes environ, la température a considérablement baissé et a ouvert la voie à la formation d’éléments légers. Les protons et les neutrons produisent du deutérium (un isotope de l’hydrogène). Ces atomes de deutérium, à leur tour, entrent en collision avec d’autres protons et neutrons pour produire de l’hélium et des traces de lithium. Depuis que l’univers s’est déjà étendu et refroidi, la création d’éléments plus lourds a cessé car sa formation nécessite des températures plus élevées. Ainsi, après lesdites réactions nucléaires, la masse totale de l’univers au départ est composée d’environ 25 % d’hélium et 75 % d’hydrogène. Le rapport hydrogène/hélium est de 12 : 1 en nombre d’atomes. Aujourd’hui, le même ratio est observé dans l’univers.

Les éléments plus lourds tels que le carbone, l’oxygène, le silicium, le soufre et le fer ne représentent qu’environ 1 % de toute la matière de l’univers et se forment plus tard dans l’histoire de l’univers, en particulier lors de la formation des étoiles. Des éléments plus lourds que le fer comme l’or et l’uranium se forment lors des explosions de supernovae. La présence de ces pourcentages soutient la théorie du Big Bang qui a commencé à une phase très chaude et dense, et s’est dilatée et refroidie au fil du temps.

Les explosions de supernovae, comme la nébuleuse du Crabe, un vestige de la supernova de 1054, ont ouvert la voie à la formation d’éléments plus lourds que le fer (par exemple l’or et l’uranium).

Image colorée des restes de l'explosion de la supernova qui a créé la nébuleuse du Crabe

Pour débloquer cette leçon, vous devez être membre d’


La théorie du Big Bang affirme qu’il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers s’est étendu à partir d’un point infiniment petit, chaud et dense appelé singularité. Georges Lemaitre, physicien belge et prêtre catholique, a été le premier à proposer l’idée que si l’univers est actuellement en expansion, alors il aurait dû être plus petit dans le passé et pourrait même être concentré en un seul point petit et dense qu’il a appelé « l’atome primitif ». « . Son idée était étayée par les observations d’ Edwin Hubble selon lesquelles plus les galaxies sont éloignées, plus elles s’éloignent rapidement de nous, preuve que l’univers est en expansion.

Le Big Bang est la théorie la plus largement soutenue en raison de preuves à l’appui qui sont encore vraies aujourd’hui. Voici les preuves de la théorie du Big Bang: (1) La plupart des galaxies apparaissent décalées vers le rouge (longueurs d’onde décalées vers des longueurs d’onde plus longues ou plus rouges), une indication que ces galaxies s’éloignent de nous et que l’univers est en expansion ; (2) Le rayonnement résiduel du Big Bang est observé aujourd’hui sous le nom de rayonnement de fond cosmique micro-onde (CMB ), un rayonnement de faible niveau relativement uniforme avec une température de seulement 2,725 K ; et (3) Le pourcentage d’éléments plus légers observés aujourd’hui, tels que l’hydrogène et l’hélium, est en accord avec l’idée selon laquelle l’univers a commencé dans une phase très chaude et dense, avant de se dilater et de se refroidir.



Transcription vidéo

La théorie du Big Bang

Il y a des milliards d’années – plus de 14 milliards d’années – il n’y avait rien: pas de matière, pas d’énergie, pas d’espace. Les scientifiques avaient besoin d’un moyen d’expliquer comment tout a commencé, d’où cela vient, ce qui s’est passé. Bien qu’il existe plusieurs théories différentes sur les origines de l’univers, la théorie du Big Bang est la plus répandue car aucun autre modèle n’est aussi efficace pour tout expliquer dans l’univers. La théorie du Big Bang n’est pas parfaite, mais c’est la meilleure que nous ayons.


Contrairement à la croyance populaire, le Big Bang n’était pas une explosion
Le Big Bang n’était pas une explosion

Les scientifiques pensent que notre univers est issu d’une singularité. Les scientifiques ne savent pas réellement d’où vient cette singularité ni ce qu’elle est exactement, mais ils savent qu’une singularité est une zone infiniment petite et chaude, dotée d’une pression et d’une densité infinies. Ces singularités défient nos lois connues de la physique car elles ne sont pas apparues dans l’espace. Au contraire, l’espace a commencé à l’intérieur d’eux. Avant la singularité, rien n’existait. Il n’y avait ni espace, ni temps, ni matière, ni énergie.

L’une des idées fausses à propos du Big Bang est qu’il s’agissait d’une explosion, accompagnée de feu et de son, et, enfin, d’une sorte de bombe. Ce n’était pas le cas. Au lieu de cela, cela ressemblait probablement plus à un ballon gonflé – un très petit ballon. Un ballon commence petit et se dilate vers l’extérieur à peu près à la même vitesse tout autour. Notre univers est ce ballon.

Lorsque les scientifiques proposent pour la première fois une hypothèse pour expliquer un phénomène, ils s’attendent à trouver certaines preuves pour la soutenir et à transformer leur hypothèse en théorie. Il existe plusieurs éléments de preuve principaux qui soutiennent la théorie du Big Bang. L’un d’entre eux est le fait que l’univers est en expansion, comme le prouve ce qu’on appelle le red-shift. Le second est ce qu’on appelle le rayonnement de fond cosmique micro-ondes. Le troisième est l’abondance des différents éléments dans l’univers.

Expansion de l’univers et décalage vers le rouge


Le décalage vers le rouge de la lumière prouve que l’univers est en expansion
Changement rouge

La preuve que l’univers est en expansion s’accompagne de ce qu’on appelle le décalage vers le rouge de la lumière. La lumière se rend sur Terre depuis d’autres galaxies. À mesure que la lumière de cette galaxie se rapproche de la Terre, la distance entre la Terre et la galaxie augmente, ce qui allonge la longueur d’onde de cette lumière.

Ceci est similaire à l’effet Doppler des ondes sonores, qui se produit également avec les ondes lumineuses. Je suis sûr que vous l’avez entendu par vous-même dans la vraie vie : à mesure qu’une ambulance s’approche de vous, le ton de la sirène semble augmenter, et à mesure qu’elle s’éloigne de vous, le ton de la sirène diminue. Cela est dû à la façon dont les ondes sonores augmentent ou diminuent en fonction du mouvement de l’objet émettant les ondes par rapport à la personne qui les entend. À mesure que l’ambulance s’approche de vous, les ondes sonores se rapprochent et se raccourcissent, ce qui se traduit par une tonalité plus aiguë. À mesure que l’ambulance s’éloigne de vous, les ondes sonores s’étirent et s’allongent, ce qui entraîne une tonalité plus grave. Si tout dans l’univers s’éloigne de tout le reste, alors ces ondes lumineuses devraient s’éloigner et s’allonger. Les longueurs d’onde plus longues de la lumière visible sont rouges, c’est pourquoi on l’appelle le décalage vers le rouge.

Ce décalage vers le rouge de la lumière donne aux scientifiques des informations sur la vitesse et la direction dans laquelle une étoile se déplace. Cela indique aux scientifiques que non seulement les étoiles s’éloignent de nous, mais qu’elles s’éloignent également les unes des autres.


Edwin Hubble a étudié les galaxies dans les années 1920 et a prouvé que tout dans l’univers est en expansion
Edwin Hubble

Dans les années 1920, Edwin Hubble a utilisé le télescope Hooker de 100 pouces en Californie du Sud pour étudier la galaxie d’Andromède. Il a pris des photos de galaxies faibles et les a étudiées. Finalement, il a pu calculer la vitesse de la galaxie et montrer que tout s’éloigne de tout le reste et s’étend ainsi. Si cela est vrai, alors les scientifiques pensaient que l’univers était auparavant beaucoup plus petit qu’il ne l’est aujourd’hui. Toutes ces preuves constituent le premier support observationnel de la théorie du Big Bang proposée pour la première fois par Georges Lemaître en 1927.

Si l’univers est actuellement en croissance, alors il était plus petit dans le passé. Il a dû y avoir un moment où l’univers était la moitié de sa taille actuelle. Et puis, il a dû y avoir une époque où elle faisait la moitié de cette taille. Pensez-y : si l’univers a grandi jusqu’à atteindre actuellement une taille 1, il était autrefois une taille 1/2, et avant cela 1/4, et avant cela 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, etc. Si vous continuez à faire les fractions, vous arriverez à une taille infinitésimale et, finalement, à rien. (Oui, je sais qu’on ne peut pas vraiment arriver à rien, mais comme je l’ai mentionné, la singularité dont est issu l’univers défie les lois de la physique.)

Rayonnement de fond cosmique

Le prochain élément de preuve qui soutient la théorie du Big Bang est la découverte du rayonnement de fond cosmique micro-ondes (CMB). Avec un télescope normal, tout ce que vous pouvez voir entre les étoiles, c’est l’obscurité, mais si vous possédez un radiotélescope très sensible, vous pouvez voir davantage. Le rayonnement de fond cosmique micro-ondes (CMB) est le faible rayonnement de fond que les astronomes captent avec des radiotélescopes sensibles.

Lorsque l’univers est né, il était brumeux, pas aussi clair qu’aujourd’hui. Le brouillard provenait du plasma d’hydrogène chaud qui s’est formé après le Big Bang. À mesure que l’univers s’étendait, il se refroidissait, des atomes stables se formaient et le brouillard se dissipait. Le CMB est le vestige de ce brouillard initial. C’est la rémanence que les scientifiques s’attendaient à trouver si le Big Bang avait déclenché l’univers, et ils ont trouvé cette preuve pour étayer leur théorie.

Ce rayonnement de fond a été découvert par hasard. En 1965, deux astronomes, Arno Penzias et Robert Wilson, tentaient de détecter des micro-ondes provenant de l’espace pour un projet différent. Ce qu’ils ont détecté à la place était un rayonnement de fond qui, selon les scientifiques, est un héritage du début de l’univers.

Éléments dans l’Univers


L’abondance des éléments dans l’univers soutient la théorie du Big Bang
Éléments dans l'univers

La dernière découverte majeure qui soutient la théorie du Big Bang est l’abondance des éléments dans l’univers. Les éléments de l’univers ont été créés de deux manières. Les éléments plus légers, comme l’hélium et l’hydrogène, ont été produits dès les premiers instants du Big Bang. Les éléments les plus lourds, tels que le fer, le silicium et le magnésium, se sont formés à l’intérieur des étoiles bien plus tard dans la chronologie de l’univers. Si la théorie du Big Bang est vraie, alors les scientifiques s’attendaient à ce que leurs calculs révèlent certaines quantités de chaque élément lourd de l’univers. Les observations ont montré presque exactement les montants prévus, ce qui conforte la théorie.

Résumé de la leçon

La théorie du Big Bang s’appuie sur de nombreuses preuves, mais il y en a trois principales. La preuve que l’univers est en expansion est démontrée par le décalage vers le rouge de la lumière, la découverte du rayonnement de fond cosmique qui reste de la chaleur initiale du Big Bang et la quantité et les types d’éléments dans l’univers qui sont presque exactement les mêmes. montants prédits par la théorie. Les trois principaux éléments de preuve de la théorie du Big Bang sont le décalage vers le rouge de la lumière, le rayonnement de fond cosmique et les types d’éléments.

Résultats d’apprentissage

Après avoir regardé cette leçon, vous devriez être prêt à :

  • Définir la singularité et décrire la théorie du Big Bang
  • Résumer comment le décalage vers le rouge, le rayonnement de fond cosmique et l’abondance d’éléments dans l’univers fournissent tous des preuves de la théorie du Big Bang


Articles Similaires