Univers primordialce qui s'est passé juste après le Big Bang

Dans son tout premier instant, l'univers a traversé la séparation de la gravité, l'époque de grande unification, l'inflation, le réchauffement et la brisure de symétrie électrofaible. L'étape décisive fut l'inflation : l'espace s'est dilaté d'un facteur 10²⁶, puis le champ inflaton s'est désintégré et son énergie du vide s'est transformée en particules et en rayonnement. C'est seulement alors qu'un univers chaud a vraiment commencé.

Plus on se rapproche du début, plus on dépend de la théorie plutôt que de l'observation directe. Une partie de ce qui suit a été confirmée par l'observation et une autre n'est encore qu'un cadre théorique, gardez donc cette différence en tête en lisant.

Les sept premières étapes

• 10⁻⁴³ s · Époque de Planck : le temps et l'espace commencent à avoir un sens. Avant, des mots comme « avant et après » ou « près et loin » ne s'appliquent pas encore.
• 10⁻⁴³ s · La gravité se sépare : la gravité se détache de la force unifiée et devient une interaction à part entière.
• 10⁻³⁶ s · Époque de grande unification : les forces forte, faible et électromagnétique ne font encore qu'une, comme une seule peinture pas encore versée dans trois bouteilles.
• 10⁻³⁶ s · Inflation cosmique : l'espace se dilate d'un facteur 10²⁶. Ce qui s'étire, c'est l'espace lui-même, pas les choses qu'il contient qui fuiraient dans toutes les directions.
• 10⁻³² s · Fin de l'inflation : le champ inflaton se désintègre.
• 10⁻³² s · Réchauffement : l'énergie du vide se transforme en particules et en rayonnement. L'inflation a rendu l'univers immense et froid ; le réchauffement a libéré l'énergie stockée, qui est devenue la source de toute la matière et de toute la lumière ultérieures.
• 10⁻¹² s · Brisure de symétrie électrofaible : le champ de Higgs donne leur masse aux particules, et différentes particules commencent à avoir leur propre « poids ».

L'univers en expansion : de la théorie à l'observation

Que l'univers soit en expansion a d'abord été déduit en théorie, et trois articles se sont passé le relais. Alexander Friedmann a montré à partir de la relativité générale que l'univers pouvait s'étendre ou se contracter, sept ans avant les preuves d'observation (Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922). Georges Lemaître a proposé indépendamment que l'univers est en expansion, puis imaginé qu'il part d'un « atome primitif », une forme précoce de la théorie du Big Bang (Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927). L'observation a suivi : plus une galaxie est loin de nous, plus elle s'éloigne vite, donc l'univers n'est pas statique (Hubble, PNAS, 1929). L'article de Hubble s'intitule « A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae ». L'article de Friedmann traitait de la courbure de l'espace, et celui de Lemaître d'un univers homogène de masse constante et de rayon croissant. Mis côte à côte, les trois articles suivent l'ordre « la théorie d'abord, l'observation ensuite ».

L'inflation : pourquoi l'univers est si plat et si uniforme

Alan Guth a proposé que l'univers primitif s'est dilaté de façon exponentielle, ce qui expliquait d'un coup pourquoi l'univers est si plat et pourquoi sa température est presque la même partout (Guth, Physical Review D, 1981). Le titre de son article, « Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems », nomme les deux énigmes. La première demande pourquoi des régions lointaines ont presque la même température ; la seconde pourquoi l'univers paraît si plat. Le modèle d'origine avait pourtant un défaut. Andreï Linde a résolu le problème de la façon dont l'inflation pouvait se terminer en douceur, ce qui a rendu la théorie de l'inflation praticable (Linde, Physics Letters B, 1982).

L'univers accélère encore aujourd'hui

Une « chandelle standard » est une source de lumière de luminosité connue, comme une rangée d'ampoules de même puissance : plus elle paraît faible, plus elle est loin. Des chercheurs ont utilisé des supernovæ lointaines comme ces ampoules et ont constaté que l'expansion s'accélère. L'énergie noire est entrée en scène, et ce travail a reçu le prix Nobel 2011 (Riess et al., The Astronomical Journal, 1998). Une autre équipe est parvenue indépendamment à la même conclusion : une certaine énergie de l'univers entraîne l'accélération (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999). Le satellite Planck a fourni les paramètres cosmologiques les plus précis à ce jour : un âge d'environ 13,8 milliards d'années, la matière ordinaire ne représentant qu'environ 5 % (collaboration Planck, Astronomy & Astrophysics, 2020).

D'où vient la masse

Peter Higgs a proposé un champ remplissant tout l'espace qui donne leur masse aux particules, et prédit une nouvelle particule (Higgs, Physical Review Letters, 1964). Le Grand collisionneur de hadrons a trouvé une nouvelle particule vers 125 GeV, confirmant une prédiction qui attendait depuis 48 ans (collaboration ATLAS, Physics Letters B, 2012). Cela correspond à l'étape de brisure de symétrie électrofaible ci-dessus : le champ de Higgs donne leur masse aux particules.

Comment le jeu le montre

Dans le jeu, l'ère Univers primordial commence à « 0 s après le Big Bang » et sa ressource est l'énergie. Les générateurs s'appellent Fluctuation quantique, Champ inflaton, Désintégration du vide et Réchauffement, d'après les idées clés ci-dessus.