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"Pour comprendre l’histoire géologique de la Terre,
il faut commencer par comprendre l’Univers dont elle est une infime et éphémère petite planète au sein d'un système d'étoile, le soleil, dans une galaxie, la voie lactée."
Qu’est-ce que l’Univers ?
Définition, Découverte et Développement des Connaissances Cosmologiques
par Jean-Jacques Chevallier
Mon article explore la nature de l’Univers, son origine, et l’évolution des connaissances cosmologiques. À travers une analyse historique et scientifique, j’y présente les principales découvertes qui ont façonné la compréhension actuelle du cosmos, ainsi que les questions ouvertes qui orientent la recherche contemporaine.
Depuis des temps immémoriaux, l’Univers a été entouré de mystères et de questions sans réponse.
Quand est-il né ? Quelle est sa taille ? Bouge-t-il ? Va-t-il disparaître ? Si oui, quand ? Que contient-il ?
Autant de questions qui ont longtemps laissé l’humanité dans l’ignorance. Heureusement, depuis la fin du XIXe siècle, les avancées scientifiques ont progressivement levé le voile sur ces énigmes séculaires. Chaque jour, elles apportent de nouvelles réponses aux questions que l’homme se pose depuis la nuit des temps.
La route s’étend à l’infini. Arriverons-nous un jour à son terme ?
Introduction
L’Univers constitue l’ensemble de tout ce qui existe : matière, énergie, espace et temps. Sa compréhension est au cœur des sciences physiques et astronomiques. Pendant des millénaires, les civilisations ont élaboré des modèles cosmologiques fondés sur des observations limitées et des interprétations philosophiques. Ce n’est qu’au XXe siècle que la cosmologie est devenue une discipline scientifique rigoureuse, grâce à l’essor de la relativité générale et des observations astronomiques. Cet article vise à retracer les étapes majeures de cette évolution, en mettant en lumière les concepts fondamentaux et les défis actuels.
1. Définition et Structure de l’Univers
L’Univers est défini comme l’ensemble des entités physiques et des lois qui les régissent. Selon le modèle cosmologique standard, il est homogène et isotrope à grande échelle, conformément au principe cosmologique.
Sa composition se répartit en trois composantes principales :
-
Matière baryonique (≈ 5 %) : constituée des atomes formant les étoiles, planètes et êtres vivants. C’est elle que nous étudions en sciences de la Terre
-
Matière noire (≈ 27 %) : invisible, détectée par ses effets gravitationnels. Ne nous concerne pas vraiment dans notre domaine de prédilection.
-
Énergie sombre (≈ 68 %) : responsable de l’accélération de l’expansion cosmique. C’est purement de la cosmologie donc hors sujet sur le site.
2. Origines de la Cosmologie Moderne
Avant le XXe siècle, la vision dominante était celle d’un Univers statique. Cette conception fut remise en cause par la théorie de la relativité générale (Einstein, 1915) et les observations d’Edwin Hubble (1929), qui démontrèrent l’expansion des galaxies. Georges Lemaître proposa le modèle du Big Bang, selon lequel l’Univers est né il y a environ 13,8 milliards d’années d’un état extrêmement dense et chaud. Cette hypothèse fut confirmée par la découverte du rayonnement fossile (Penzias et Wilson, 1965), vestige thermique du Big Bang.
Le Big Bang a ainsi été nommé par son principal détracteur Fred Hoyle*. Voici l’histoire :
*Fred Hoyle, né le 24 juin 1915 à Bingley, Yorkshire et mort le 20 août 2001 à Bournemouth, est un cosmologiste et astronome britannique. Il est le principal détracteur de la théorie du Big Bang à laquelle il oppose sa théorie de l'état stationnaire. Pour la dénigrer dans une série d'émissions radiophoniques des années 1950, il invente le terme « Big Bang » (également rapporté par Hubert Reeves qui en a été témoin). Cela plaît au grand public et devient le terme désignant cette théorie. (source wikipédia)
2.1 Einstein, la relativité générale et la connaissance de l’Univers
En 1915, Albert Einstein publie la théorie de la relativité générale, une révolution conceptuelle qui transforme notre vision de l’Univers. Cette théorie établit que la gravité n’est pas une force mystérieuse agissant à distance, mais la manifestation de la courbure de l’espace-temps induite par la matière et l’énergie. L’espace et le temps cessent d’être des entités fixes : ils deviennent dynamiques, malléables, et intimement liés.
Au cœur de cette théorie se trouvent les équations de champ d’Einstein.
Ces équations ont des implications majeures :
-
L’Univers est dynamique : Les solutions trouvées par Friedmann et Lemaître montrent que l’espace peut se dilater ou se contracter. Cette idée a conduit au modèle du Big Bang.
-
Les équations de Friedmann, dérivées de la relativité générale, décrivent l’évolution du facteur d’échelle.
Ces équations relient la géométrie de l’Univers à son contenu en matière, énergie et pression, permettant de prédire son expansion et son destin.
Impact philosophique
La relativité générale ne se limite pas à une avancée technique : elle bouleverse notre conception du réel. L’espace et le temps, jadis considérés comme des cadres immuables, deviennent des acteurs de la dynamique cosmique. L’Univers n’est plus un décor figé, mais une entité vivante, en perpétuelle évolution. Cette vision soulève des questions vertigineuses : si l’espace et le temps sont relatifs, qu’en est-il de notre perception de la réalité ?
Einstein lui-même soulignait cette dimension : « Le plus incompréhensible dans l’Univers, c’est qu’il soit compréhensible. (source wikipédia)
2.2 Les observations d’Edwin Hubble : la preuve de l’expansion de l’Univers
En 1929, Edwin Hubble publie des résultats qui bouleversent la cosmologie : en étudiant la lumière des galaxies lointaines, il constate que leur spectre est décalé vers le rouge (effet Doppler). Ce décalage indique que ces galaxies s’éloignent de nous, et plus elles sont éloignées, plus leur vitesse de fuite est grande.
Cette relation, est connue sous le nom de loi ou constante de Hubble.
-
Définition :
La constante de Hubble exprime le taux d’expansion de l’Univers aujourd’hui. Elle relie la vitesse de récession des galaxies à leur distance par la relation :
où
v est la vitesse de récession, en km/s ,
Ho la distance à la galaxie, en MPC, (1 mégaparsec (environ 3,26 millions d'années-lumière)
d la constante de Hubble.
Ces observations apportent la première preuve directe que l’Univers est en expansion, confirmant les prédictions des équations de Friedmann dérivées de la relativité générale. Elles marquent la fin du modèle d’Univers statique et ouvrent la voie au concept du Big Bang, fondement de la cosmologie moderne.
2.3 Georges Lemaître la théorie du Big Bang
En 1931, Georhes Lemaître, un prêtre belge, mathématicien, physicien et philosophe, publie l’idée du Big Bang.
Le big bang est le cadre théorique qui explique la naissance et l’évolution de l’univers. Il postule que l’univers a émergé il y a environ 13,8 milliards d’années à partir d’un état extrêmement compact et chaud, communément désigné sous le terme de « singularité ». Toute la matière et l’énergie étaient alors concentrées dans un espace infime. Une expansion rapide s’est produite, entraînant le refroidissement progressif et la formation des particules, des atomes, puis des galaxies et des étoiles. Cette expansion se poursuit encore aujourd’hui, ce qui explique pourquoi les galaxies s’éloignent les unes des autres. Le rayonnement fossile, également connu sous le nom de fond diffus cosmologique, ainsi que la distribution des éléments légers, tels que l’hydrogène et l’hélium, sont considérés comme des preuves clés du Big Bang.
Les phases principales du Big Bang :
1. Singularité initiale et début du temps
L’Univers émerge d’un état initial extrêmement dense et chaud — la singularité — où la gravité quantique prime sur la physique conventionnelle, rendant celle-ci inapplicable.
2. Inflation cosmique (∼10⁻³⁶ à 10⁻³² s)
Une expansion exponentielle ultrarapide de l’espace se produit, résolvant les problèmes d’horizon et de platitude. Durant cette phase, des fluctuations quantiques sont amplifiées, formant les graines de la structure cosmique.
3. Réchauffement et formation des particules (∼10⁻⁶ s)
Après inflation, l’Univers est réchauffé — les quarks, gluons, électrons et neutrinos apparaissent. Les quarks se combinent en baryons (protons, neutrons).
4. Nucléosynthèse primordiale (∼3 minutes)
Alors que la température chute à l’échelle de milliards de Kelvin, les nucléons fusionnent pour créer les premiers noyaux : hydrogène, hélium, et traces de lithium. Ces abondances concordent avec les prédictions théoriques.
5. Recombinaison et découplage des photons (∼380 000 ans)
L’Univers se refroidit à environ 3000 K : les électrons s’assemblent avec les noyaux pour former des atomes neutres. Les photons cessent d’interagir fortement et forment le fond diffus cosmologique (CMB).
6. Formation des premières étoiles et galaxies (∼100 millions d’années)
Les fluctuations de densité engendrées pendant l’inflation se renforcent sous l’influence de la gravitation. La matière s’agrège, donnant naissance aux étoiles massives puis aux galaxies.
7. Expansion progressive et influence de l’énergie noire (jusqu’à aujourd’hui)
L’expansion, initialement décéléré, se réaccélère environ 5 milliards d’années avant aujourd’hui, sous l’effet de l’énergie noire. Ce comportement est confirmé par la constante de Hubble et la mesure du CMB.
Bibliographie
-
What Is the Big Bang Theory?, Space.com – Andrew May & Daisy Dobrijevic, mise à jour du 29 janvier 2025. [space.com]
-
Big Bang, Wikipédia – Chronologie, principes, preuves, âge de l’Univers. [en.wikipedia.org]
-
Big-bang model, Encyclopædia Britannica – Structure du modèle, assumptions, histoire. [britannica.com]
-
Cosmic inflation, Wikipédia – Origines, inflation, impact sur la structure. [en.wikipedia.org]
-
History of cosmic structure formation, ESA – Développement des fluctuations après inflation. [esa.int]
-
Understanding Cosmic Inflation and Its Impact, Simple Science – Inflaton et perturbations initiales. [scisimple.com]
En chiffres : Le Big-bang a été un bref déclic, que l'on nome "temps de Planck", tout l’univers commence à se mettre en place, le temps, la matière et l’énergie se sont séparés et les lois de la physique se sont mises en place.
Durée du déclic : 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 seconde (Un dix millionième de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde = 1.10-43)
Tout l’univers était concentré dans des points très petits et très chauds. T° : 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 degrés (Cent mille milliards de milliards de milliards de degrés.)
Durant la première seconde suivant la Big bang, l'interaction électromagnétique étant encore faible, l'Univers est une soupe de quark et d'électrons après cette première seconde, sous la force électromagnétique forte, les quarks s'assemblent pour former des protons et des neutrons, c'est une soupe de noyaux d'hydrogène (H), de neutrons et d'électrons libres, il y a une très forte radioactivité, la température est extrêmement élevée.
Après environ 300 000 ans, la température ayant diminué, les noyaux d'hydrogène capturent chacun un électron pour former un atome. Les réactions en chaîne de la fusion de l'hydrogène, dans les premières étoiles, vont former de nouveaux atomes de deutérium, de tritium, d'hélium 3 et 4 etc.
C'est à cette époque, 380 000 années après le Big bang, que la fusion des atomes d'hydrogène commence à générer des photons, l'Univers s'éclaire.
L’hydrogène représente encore de nos jours 90% de l’Univers.
2.4 La découverte du "Fond diffus de l'Univers",
la preuve du Big Bang , le rayonnement fossile.
En 1965, les physiciens Arno Penzias et Robert Wilson, travaillant sur une antenne radio pour les télécommunications, détectent un signal micro-onde uniforme provenant de toutes les directions du ciel. Après avoir éliminé toutes les causes possibles (interférences, défauts techniques), ils comprennent qu’il s’agit d’un rayonnement fossile : le fond diffus cosmologique (CMB, Cosmic Microwave Background).
Ce rayonnement est la lumière résiduelle émise environ 380 000 ans après le Big Bang, lorsque l’Univers s’est suffisamment refroidi pour permettre la formation des premiers atomes et le découplage des photons. Sa température actuelle est d’environ 2,725 K, et il présente de légères anisotropies qui révèlent les germes des structures cosmiques (galaxies, amas).
La découverte du CMB a confirmé de manière spectaculaire le modèle du Big Bang, car elle correspond exactement aux prédictions théoriques faites par George Gamow et ses collaborateurs dans les années 1940.
Aujourd’hui, des satellites comme COBE (COsmic Background Explorer), WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) et Planck (du nom de Max Planck*, physicien) ont cartographié ce rayonnement avec une précision extrême, fournissant des informations sur la composition, l’âge et la géométrie de l’Univers.
Les anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB) sont des variations infimes de température (de l’ordre de 10⁻⁵ K) observées dans le rayonnement fossile émis environ 380 000 ans après le Big Bang. Bien que le CMB soit globalement homogène et isotrope, ces petites fluctuations sont essentielles pour comprendre la formation des structures de l’Univers.
Origine des anisotropies
Elles proviennent des fluctuations de densité dans le plasma primordial : certaines régions étaient légèrement plus denses que d’autres.
Ces différences ont créé des variations de gravité, influençant la distribution de matière et la propagation des photons.
Les anisotropies sont amplifiées par des phénomènes comme les oscillations acoustiques baryoniques et l’effet Doppler.
Rôle cosmologique
Elles sont les empreintes des conditions initiales de l’Univers.
Leur analyse permet de déterminer :
-
La géométrie de l’Univers (plat, courbé, ouvert).
-
La composition cosmique (matière noire, énergie noire, baryons).
-
L’âge de l’Univers et les paramètres cosmologiques (constante de Hubble, densité critique).
-
Observations modernes
Satellites comme COBE, WMAP et Planck ont cartographié ces anisotropies avec une précision extrême.
Les cartes montrent des zones légèrement plus chaudes et plus froides, qui correspondent aux germes des galaxies et amas actuels.
Les oscillations acoustiques baryoniques (BAO)
Ce sont des ondes sonores qui se sont propagées dans le plasma primordial avant la recombinaison, c’est-à-dire avant que l’Univers ne devienne transparent (environ 380 000 ans après le Big Bang).
Origine des oscillations acoustiques
Dans l’Univers primitif, la matière ordinaire (baryons) et les photons formaient un fluide chaud et dense.
Les fluctuations de densité créaient des zones de surpression où la gravité attirait la matière, mais la pression des photons repoussait cette matière.
Ce jeu entre gravité et pression engendrait des ondes sonores qui se propageaient dans ce plasma, à une vitesse proche de celle du son dans ce milieu.
Gel des oscillations
Lorsque l’Univers s’est refroidi et que les photons se sont découplés (recombinaison), ces oscillations se sont figées.
Elles ont laissé une empreinte dans le fond diffus cosmologique (CMB) sous forme de motifs caractéristiques dans les anisotropies.
Elles ont aussi influencé la distribution des galaxies, créant une signature mesurable dans la structure à grande échelle.
Importance cosmologique
Les BAO sont des règles étalons : leur taille caractéristique (environ 150 Mpc) sert à mesurer les distances cosmologiques.
Elles permettent de contraindre les paramètres fondamentaux : constante de Hubble, densité de matière, et nature de l’énergie noire.
En 2005 le satellite d’observation WMAP a permis d’observer le fond diffus cosmologique.
*Max Planck
Né en 1858 en Allemagne, Planck était physicien théoricien.
Il est célèbre pour avoir introduit en 1900 l’idée révolutionnaire que l’énergie n’est pas émise de manière continue, mais par quanta (petits paquets d’énergie).
Sa contribution majeure : la quantification de l’énergie
Planck cherchait à expliquer le rayonnement du corps noir, un problème insoluble avec la physique classique. Il propose que l’énergie des oscillateurs atomiques est proportionnelle à leur fréquence.
Constante de Planck (h = 6,626 070 15 × 10−34 J s).
Cette hypothèse marque la naissance de la mécanique quantique, qui transformera la physique au XXᵉ siècle.
Lien avec la cosmologie
Bien que Planck n’ait pas travaillé directement sur l’Univers, sa constante et ses idées sont fondamentales pour :
-
La physique des particules et la structure de la matière.
-
La compréhension des processus énergétiques dans l’Univers primordial.
-
Les unités naturelles (unités de Planck) utilisées en cosmologie pour décrire les conditions extrêmes du Big Bang.
Un outil formidable pour les physiciens
Les clefs de l’infiniment grand se trouvent dans l’infiniment petit. C’est l’étude des plus petits grains de matière qui nous permet de comprendre comment est né notre univers et son comportement.
La physique quantique, la chimie et les mathématiques, sont les sciences qui expliquent tout notre Univers.
Large Hadron Collider (LHC, ou grand collisionneur de hadrons en français) est un accélérateur de particules mis en fonctionnement le 10 septembre 2008 au CERN à la frontière franco-suisse. C'est le plus puissant accélérateur de particules au monde construit à ce jour, il permet d'étudier les plus petites particules afin d'expliquer l'Univers. Il est même présenté comme le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques.
Taille de l'Univers
Ce schéma montre la vraie distance actuelle des régions ayant émis les photons du rayonnement fossile que nous observons aujourd'hui. L'univers observable avec le rayonnement fossile est donc une sphère d'un rayon de 45,6 milliards d'années-lumière. Le rayon de la sphère bleu ciel, correspondant aux plus lointaines galaxies observées par Hubble, est plus petit. En bleu foncé, c'est la sphère dont le rayon indique la formation des premières étoiles, peu de temps après le début des âges sombres. © Nasa
DES VIDEOS A VOIR
(à la suite de ces vidéos, vous aurez souvent l'opportunité d'en visionner d'autres sur le même thème)
Une histoire de 13,8 milliards d'années par
Eric Lagadec.
SATELLITE PLANK : MISSION PHOTOGRAPHIE DE L'UNIVERS AU T=0 ... .
Photographier pour l'analyser le fond diffus de l'Univers, c'est la mission du satellite PLANK, un grand pas pour comprendre...!
AU COEUR DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE . . .
" Plus on en apprend, plus on sait que l'on ne sait pas et que donc, on a encore plus à découvrir sur l'Univers qui nous entoure. "
Dans ce monde, il n’y a pas de politique, pas de religion, seulement une philosophie : LA RECHERCHE.
Comme je le dis au début de mes conférences, " l'étude de l'infiniment petit est la clé qui expliquera l'infiniment grand ! "
Pour avoir les sous-titres en français :
1- cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite
2- cliquez sur la roue dentée à droite du rectangle blanc pour choisir la langue
Pour passer en plein écran, il faut cliquer sur "Regarder sur YouTube" en bas à droite.
UNE INCROYABLE IMAGE DE LA GALAXIE D'ANDROMEDE . . .
La NASA vient de publier la plus grande image jamais prise de la galaxie Andromède. Cette photo de 1,5 milliard de pixels prise par le télescope Hubble donne un aperçu stupéfiant de la galaxie spirale.
La NASA et l'Agence spatiale européenne (ESA) viennent de dévoiler une nouvelle image prise par le télescope spatial et celle-ci est à couper le souffle. Mesurant 69 536 x 22 230 pixels, soit un impressionnant total de 1,5 milliard de pixels, cette image est actuellement la plus vaste représentation visuelle de la galaxie d’Andromède. Il a fallu quelque 390 heures de travail et plus de 7.300 captures prises entre juillet 2010 et octobre 2013 pour réaliser cette mosaïque hyper détaillée. Pour profiter davantage de l'image, la NASA et l'ESA ont publié, sur le site d'Hubble, une version sur laquelle on peut zoomer pour voir encore mieux les détails. Si la vue donne un aperçu impressionnant de la galaxie d'Andromède située à 2,55 millions d'années-lumière du Soleil, dans la constellation d'Andromède, il ne s'agit en réalité que d'une partie. En effet, l'image capturée représente quelque 40.000 années-lumière, alors que le diamètre de cette grande galaxie spirale est estimé à plus de 140.000 années-lumière. Également connue sous le nom de Messier 31 ou M31, la galaxie d'Andromède est l'une des rares galaxies visibles à l’œil nu depuis la Terre. Elle occupe une surface équivalente à six fois celle de la pleine Lune, néanmoins, la plupart des millions d'étoiles qu'elle contient ne sont pas assez lumineuses pour permettre d'observer la galaxie dans toute son étendue.
En savoir plus: http://www.maxisciences.com/androm%E8de/une-incroyable-image-devoile-la-galaxie-d-039-andromede-comme-jamais_art34100.html Copyright © Gentside Découverte
UN OUTIL FORMIDABLE POUR LES ASTRONOMES ET LES ASTROPHYSICIENS
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