CONSTITUTION DE L’UNIVERS

I – Du Big Bang à la première molécule

Le Big-Bang est encore appelé « modèle standard » car il est généralement adopté comme point de départ. Steven WEINBERG le décrit ainsi :

« Au commencement il y eut une explosion remplissant tout l’espace. Après un centième de seconde, moment le plus ancien dont on puisse parler avec une certaine assurance, la température était d’environ 100 milliards de degrés, et la densité de l’Univers d’environ 4 milliards de fois celle de l’eau (soit 4 millions de tonnes par litre). Cet univers était composé de particules élémentaires :
* des électrons (particules d’énergie pure) chargées négativement
* des positrons («  ») chargées positivement
* des neutrinos («  ») sans charge électrique
* des photons (particules d’énergie de rayonnement)

Ces particules se heurtaient sans cesse, et se reconstituaient aussitôt à partir l’équilibre entre elles dépendant de la diminuait en raison de l’expansion. »

se détruisaient d’énergie pure, température qui

Il y avait également,dans cette soupe, des particules ayant une masse, donc des particules de matières. Ce sont les nucléons :
* les protons chargés positivement
* les neutrons sans charge électrique

Il y avait un nucléon pour un milliard de particules d’énergie pure.
Le proton est le noyau de l’hydrogène. Il est très stable.
Le neutron est instable: sa durée de vie est de 15 minutes et il se transforme en proton si la température baisse. Il devient stable en s’associant.

Un dixième de seconde après 1’explosion, la température était tombée à 10 milliards de degrés et la densité de l’Univers à 380 000 fois celle de l’eau. Les neutrinos commencent à se comporter en particules libres et n’auront aucune action sur les autres particules. Elles n’interviendront que beaucoup plus tard.

Quatorze secondes après l’explosion, la température n’est plus que 3 milliards de degrés, les électrons et les positrons chargés d’électricité de signe contraire s’annihilent réciproquement mais il reste des électrons libres car ils étaient plus nombreux que les positrons.

Trois minutes après l’explosion, la température n’est plus que 1 milliard de degrés et la densité de l’Univers est devenue inférieure à celle de l’eau. Les conditions sont alors rassemblées pour que, sous l’action de la force nucléaire, les protons et les neutrons constituent ensemble des noyaux atomiques :
le premier, constitué d’un proton et d’un neutron, est le noyau de deutérium ou hydrogène lourd. Il est instable :
* ou bien il s’associe avec un proton et forme un isotope
léger de l’hélium
* ou bien il s’associe avec un neutron et forme un isotope
lourd de l’hélium
* ou bien il se dissocie entre un proton et un neutron

Les deux isotopes de l’hélium sont eux-mêmes instables, mais ils peuvent s’associer :
a) l’isotope léger avec un neutron et former un noyau d’hélium
b) l’isotope lourd avec un proton et former un noyau d’hélium

Le noyau d’hélium ( 2 protons et 2 neutrons) est très stable et ne s’associe avec rien. Tout semble s’arrêter. C’est la fin de la période de nucléosynthèse, elle a duré à peine 3 minutes et a produit uniquement des noyaux d’hélium à partir des noyaux d’hydrogène. La proportion relative de ces noyaux est de 73% d’hydrogène et 27% d’hélium.

D’après les observations des astronomes relatives aux déplacements des astres et la découverte d’un bruit de fond radio omnidirectionnel par des astronomes américains en 1960, l’explosion initiale se serait produite il y a environ 15 milliards d’années. Après cette très courte période de nucléosynthèse il ne se passera plus rien pendant au moins 700.000 ans. A la suite de l’explosion, les noyaux produits et les particules qui ne sont pas intervenues vont, en raison de l’expansion dans le vide, se refroidir.

Quand la température approche de 3.000 degrés, un noyau d’hydrogène attire un électron et forme avec lui un atome d’hydrogène. Cet atome est globalement neutre mais les liens entre le proton et 1’électron ne sont pas solides : si un autre atome d’hydrogène passe à côté du premier, l’électron du premier peut être attiré par le second. Alors les deux atomes s’associent et forment une molécule. De même un noyau d’hélium attire deux électrons et forme avec eux un atome d’hélium.

Les liens qui unissent les nucléons (protons et neutrons) en atomes et molécules sont les manifestations d’une nouvelle force, la force électromagnétique qui a remplacé la force nucléaire, laquelle a été dominante pendant la période de nucléa-synthèse à une température beaucoup plus élevée.

Sous le règne de la force électromagnétique, il se produit un événement très important : l’Univers qui jusqu’alors était opaque devient transparent, car les électrons libres qui s’opposaient au départ des photons, c’est-à-dire de la lumière, sont pour la plupart absorbés par les noyaux d’hydrogène et d’hélium. C’est de ce moment que date le rayonnement fossile le plus ancien qui a été observé par les astrophysiciens américains en 1960. Ce rayonnement correspondait à une température de 3 ° K ( le •degré K ou degré Kelvin correspond à une échelle de température analogue à l’échelle centigrade diminuée de 273 ° C (0 ° K=-273 ° C). Le 0 ° K est une température qui n’a jamais été atteinte. Ce rayonnement a apporté une preuve en faveur de l’explosion initiale.

Enfin, la modification de la « soupe » entraînée par la disparition des électrons libres, le départ des photons et l’apparition des molécules d’hydrogène et des atomes d’hélium, ont pour conséquence le remplacement de la domination de 1’énergie (force électromagnétique) par la domination de la matière (force de gravité). Cette dernière va maintenant dominer le rythme de l’expansion. On ne sait pas exactement quand et comment ce changement s’est produit. Pourtant les conséquences de ce changement ont été considérables. L’ensemble de l’univers qui s’est refroidi pendant environ un million d’années, passant de milliers de milliards de degrés à -270 ° centigrades, s’est fragmenté en nappes ou sortes d’agglomérats auxquels on a donné le nom de galaxies. Sous l’action de la force de gravité, ces galaxies se sont contractées et la température, au lieu de continuer à baisser, s’est mise à monter. Une deuxième période s’ouvre au cours de laquelle va se constituer 1’Univers tel que nous le connaissons sauf la vie animale et végétale qui apparaîtra sur un endroit très limité, la Terre.