Big Bang

Dans une casserole sur la cuisinière, l'eau commence à bouillonner par le bas, bien avant que toute la masse ne soit en ébullition. Les bulles de vapeur montent du fond, alors que la plaque n'est pas encore rouge.

Imaginez que vous regardez une chaîne de montagnes lointaine à travers le brouillard matinal. Les contours des sommets sont flous, et si le brouillard est hétérogène, certains versants se perdent plus que d'autres. C'est à peu près ainsi que les astronomes perçoivent la lumière ancienne de l'Univers, qui met 13,8 milliards d'années à nous parvenir.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière ordinaire, et l'antimatière est quasi introuvable. Où est-elle passée ?

Au cours des premiers demi-milliards d'années après le Big Bang, les galaxies poussaient comme du chiendent. Le gaz s'y engouffrait à toute vitesse et s'effondrait en étoiles sans rencontrer de résistance. Cette période est appelée « formation d'étoiles sans entrave ».

Au cœur d'une vieille ville se dresse une tour avec une horloge que l'on n'a jamais remise à l'heure depuis sa construction. En mesurant son retard, on peut calculer à quel point le temps s'est étiré depuis.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière ordinaire, et l'antimatière est quasi introuvable. Où est-elle passée ?

Le faisceau d'un projecteur s'enfonce dans l'obscurité, mais si on le suit en arrière, on bute sur la lampe. L'histoire de l'Univers est peut-être la même : en remontant son expansion, on finit par atteindre un commencement. Les physiciens ont pris le modèle le plus simple : un Univers qui s'étire uniformément dans toutes les directions, comme un cube dont toutes les faces grandissent.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est expansé plus vite que la lumière ne pouvait le traverser. Comme un ballon que l'on gonfle, sauf qu'au lieu du caoutchouc, c'est l'espace lui-même.

Le cosmos est en expansion, et cette expansion s'accélère. Mais que se passerait-il si, dans les premiers instants après le Big Bang, la gravité agissait différemment ? Les auteurs de cette nouvelle étude ont ajouté aux équations d'Einstein un champ invisible qui capte l'énergie de la matière et du rayonnement ordinaires.

Le bouillon brûlant de l'Univers primordial bouillonnait de particules et d'antiparticules. Elles naissaient et mouraient par paires, et, selon toutes les lois de la symétrie, elles auraient dû s'annihiler complètement. Mais quelque chose a mal tourné – et un infime excédent de matière a survécu. C'est de lui que se sont ensuite formées les étoiles, les planètes, et nous-mêmes.

Lorsque deux noyaux atomiques se percutent, une minuscule boule de feu naît. Elle ne vit qu'un instant, mais en son sein se succèdent des époques entières : compression, échauffement, expansion. Les physiciens ont appris à écouter ce processus, et leur « micro » est constitué des paires d'électrons et de positons qui s'échappent de la boule à différents stades.

Tout a commencé par une étirement. Dans les premières fractions de seconde, l'Univers s'est gonflé — les physiciens appellent cela l'inflation. Puis l'expansion rapide a cédé la place à une phase où l'énergie du champ s'est transformée en particules ordinaires.

La lumière issue de l'époque la plus chaude de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. C'est le fond diffus cosmologique — une faible lueur qui remplit tout le ciel.

Dans les collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons, il arrive que naissent non pas un Higgs, mais deux à la fois. La fréquence de ces événements est l'empreinte directe de la façon dont le champ de Higgs interagit avec lui-même.

L'Univers primordial ressemblait à une marmite surchauffée où bouillonnaient des fluctuations quantiques (des sursauts d'énergie aléatoires). Dans ce chaos, telle la vapeur au-dessus d'une eau bouillante, un champ particulier s'est condensé : le champ scalaire.

Le tout premier instant de l'existence de l'Univers ressemble à une corde tendue que l'on aurait soudainement frappée. Elle a vibré, et ces oscillations se sont figées sous forme de galaxies et de vides. Mais les physiciens soupçonnent qu'il y a eu d'autres vibrations, rapides et locales, presque comme un roulement de tambour sur fond de mélodie lente.

L'Univers primordial ressemble à un ressort comprimé à l'extrême. Dans les premiers instants, il s'est expansé à une vitesse inimaginable — cette phase est appelée inflation.

Dans les premiers instants, l'Univers s'est étendu à une vitesse prodigieuse. Ce processus est appelé inflation, et la force motrice est le champ de l'inflaton. Son énergie a poussé l'espace à s'étendre, comme la levure fait lever la pâte. Mais les physiciens soupçonnent que des « bulles » ont pu rester dans la pâte — des particules superlourdes nées de l'expansion elle-même.

Une usine capable de produire un million de pièces par heure n'en fabrique pourtant qu'une centaine. C'est à peu près ce que fait notre Univers, si on le regarde à travers le prisme de l'entropie — cette mesure du désordre qui, selon les lois de la physique, ne peut qu'augmenter. Les principales « machines » de cette usine sont les trous noirs supermassifs.

Une fraction de seconde après le Big Bang, l'Univers était une soupe brûlante de particules et d'antiparticules. Selon toutes les lois, elles auraient dû s'annihiler complètement, ne laissant que le vide. Mais pour une raison inconnue, pour chaque milliard de paires, une particule de matière « supplémentaire » a survécu.

Les tout premiers instants après le Big Bang : l'espace se dilate à toute allure — les physiciens appellent cette période l'inflation. À l'intérieur de ce tissu en expansion, telles des bulles de savon dans un jet d'air, des régions de nouveau vide commencent à germer — c'est une transition de phase de première espèce.

Les tout premiers instants après le Big Bang : l'espace se dilate à toute allure — les physiciens appellent cette période l'inflation. À l'intérieur de ce tissu en expansion, telles des bulles de savon dans un jet d'air, des régions de nouveau vide commencent à germer — c'est une transition de phase de première espèce.

L'Univers a résonné intensément dans ses premiers instants. À l'époque de l'inflation, lorsque l'expansion de l'espace dépassait la vitesse de la lumière, les énergies en jeu étaient colossales — des milliers de milliards de fois supérieures à celles du Grand collisionneur de hadrons.

37 paires de galaxies d'âges différents ont servi d'horloges. Leurs aiguilles — la différence d'âge des étoiles — ont révélé la vitesse d'expansion de l'Univers à différentes époques. Sur la base de ces indications, les cosmologistes ont construit un détecteur de mensonges pour l'énergie noire.

17 supernovas de l'échantillon ZTF DR2 se sont allumées en avance sur le calendrier. Dans les premières heures et les premiers jours suivant l'explosion, elles ont émis plus de lumière que ne le prédisent les modèles standard.

Le spectrographe de JWST a capté une infime chute dans le spectre d'une galaxie lointaine — deux raies, telles des ombres laissées par du gaz froid. Ce sont les raies du sodium, cette même lumière jaune des lampadaires. Ici, aux confins de l'Univers visible, elles trahissent un souffle paresseux de la galaxie qui restitue sa matière dans l'espace.

Les rides cosmiques commencent par de minuscules grumeaux. 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers était presque homogène – les écarts de densité n'étaient que de 1/100 000. Mais la gravité a transformé ces faibles fluctuations en galaxies, amas et vides géants.

Une casserole de colle très épaisse et brûlante — voilà à quoi ressemblait l'Univers primordial. Ce n'était pas de la colle ordinaire, mais une « soupe de gluons » : les particules qui transmettent l'interaction forte (les gluons) se déplaçaient librement dans l'espace.

Le chasseur de lumière ancienne — le télescope James Webb — a pointé ses miroirs vers une parcelle minuscule du ciel et a capté un étrange signal. L'objet, nommé de travail beacon_1420-$$5253_{4770}$$, a brillé puis s'est éteint.

Dans un même système stellaire, deux équipes de planètes gravitent. Les unes suivent des orbites régulières, comme des patineurs sur une patinoire, évitant les collisions. Les autres se regroupent, leurs trajectoires se croisent, et tôt ou tard, un accident cosmique se produit — un impact géant.

2.1 × 10⁻⁹ — c'est à peu près l'écart de température observé sur le ciel, comme si l'on mesurait, à la surface de l'océan, des ondulations hautes d'une fraction de millimètre. Cette infime inhomogénéité est gravée dans le fond diffus cosmologique et raconte les tout premiers instants.

Une surface noire et froide – voilà à quoi ressemblait depuis des milliards d'années l'océan d'énergie noire, cette substance invisible qui accélère l'expansion de l'univers. Mais le spectrographe DESI a capté une ride à peine perceptible.

Il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers valsait. Le virage à droite était interdit. Aujourd'hui, les échos de ce bal cosmique nous parviennent sous la forme d'une ondulation à peine perceptible de l'espace-temps — ondes gravitationnelles. Leur existence a été prédite par Albert Einstein.

L'énigme de la vallée du rayon — cette chute brutale du nombre d'exoplanètes d'environ 1,8 rayon terrestre — hante les astronomes.

Au plus profond de l'Univers, lorsqu'une étoile massive s'effondre en trou noir ou qu'un magnétar naît, un sursaut gamma s'embrase — l'espace d'un instant, il éclipse toutes les étoiles de l'Univers observable.

En février 2023, le télescope sous-marin KM3NeT, ancré par trois kilomètres de fond au large de la Sicile, a enregistré une lueur. Un unique muon a traversé le détecteur, laissant une traînée d'énergie de 220 pétaélectronvolts. C'est comme si un moustique en plein vol avait percé un mur de béton.

Dans le silence des nuages moléculaires froids, où le milieu interstellaire se condense sous l'effet de la gravité en amas denses, la naissance des étoiles massives reste l'une des grandes énigmes de l'astrophysique.

Le télescope « James Webb » a plongé son regard dans une époque où l'Univers avait moins d'un milliard d'années et y a aperçu d'étranges objets — des « petits points rouges ». Ce sont des trous noirs de la masse de millions de soleils, mais nichés dans des galaxies très compactes et chimiquement presque intactes.

Tout commence par une minuscule cicatrice : un mince tunnel qui relie deux univers. En cosmologie quantique, on discute depuis longtemps de la possibilité que notre univers fermé soit né de « rien » par effet tunnel (c'est-à-dire qu'un système franchit une barrière infranchissable selon les lois classiques).

L'Univers primordial s'est dilaté à une vitesse fulgurante — on appelle cette phase l'inflation. Mais comment exactement ? Certains modèles décrivent l'expansion comme une montée exponentielle abrupte, d'autres comme un mouvement plus calme en loi de puissance.