Ce que le Big Bang n'est pas

Contrairement à l'image populaire, le Big Bang n'est pas une explosion qui se serait produite dans l'espace, à un endroit précis que l'on pourrait en théorie localiser. C'est l'espace lui-même qui a commencé à s'étendre depuis un état extrêmement dense et chaud — il n'y a donc pas de « centre » de l'univers vers lequel on pourrait se diriger, ni de point d'origine à repérer dans le ciel : chaque point de l'espace s'éloigne de tous les autres, un peu comme des points dessinés sur un ballon qui gonfle s'éloignent tous les uns des autres sans qu'aucun ne soit le centre du ballon.

La théorie ne décrit pas non plus ce qui a « causé » le Big Bang, ni ce qui existait « avant » — des questions qui, en l'état actuel de la physique, n'ont peut-être même pas de sens, puisque le temps lui-même pourrait avoir commencé à cet instant.

Les preuves observationnelles

Trois grandes observations soutiennent solidement le modèle du Big Bang. D'abord, l'expansion de l'univers elle-même : dans les années 1920, l'astronome Edwin Hubble a montré que les galaxies lointaines s'éloignent de nous d'autant plus vite qu'elles sont lointaines — exactement ce que prédit un espace en expansion depuis un état initial compact.

Ensuite, le fond diffus cosmologique, découvert accidentellement en 1965 : un rayonnement micro-onde extrêmement uniforme qui baigne tout le ciel, la lumière la plus ancienne observable, émise environ 380 000 ans après le Big Bang, au moment où l'univers est devenu enfin transparent à la lumière. Enfin, l'abondance des éléments légers (hydrogène, hélium, un peu de lithium) mesurée dans l'univers correspond précisément à ce que prédisent les calculs de nucléosynthèse primordiale, les toutes premières réactions nucléaires survenues dans les minutes suivant le Big Bang.

L'inflation cosmique

Une fraction de seconde après l'instant zéro — entre 10⁻³⁶ et 10⁻³² seconde environ — la plupart des modèles cosmologiques postulent une phase d'inflation : une expansion vertigineusement rapide, durant laquelle l'univers aurait grossi d'un facteur d'au moins 10²⁶ en une fraction de seconde infinitésimale. Cette hypothèse, bien que non observée directement, permet d'expliquer plusieurs propriétés étranges de l'univers observable : sa remarquable uniformité à grande échelle, et sa géométrie globalement plate.

Après l'inflation, l'univers a continué à s'étendre bien plus lentement, se refroidissant progressivement pour permettre, dans l'ordre, la formation des premiers protons et neutrons, puis des premiers noyaux atomiques légers, puis — bien plus tard, 380 000 ans après le Big Bang — des premiers atomes neutres, l'événement qui a rendu l'univers transparent et produit le fond diffus cosmologique.

Les âges sombres et les premières lumières

Après la formation des premiers atomes, l'univers est entré dans une longue période appelée les âges sombres : aucune étoile ne brillait encore, et l'espace restait plongé dans une obscurité quasi totale, seulement traversé par le rayonnement du fond diffus cosmologique en train de refroidir. Il aura fallu plusieurs centaines de millions d'années supplémentaires pour que la gravité rassemble suffisamment de gaz primordial pour allumer les toutes premières étoiles et galaxies.

Observer cette période reste l'un des grands défis de l'astronomie moderne : le télescope spatial James Webb, grâce à sa sensibilité inédite dans l'infrarouge, a déjà repéré des galaxies dont la lumière a mis plus de 13 milliards d'années à nous parvenir, révélant des structures étonnamment déjà organisées à peine quelques centaines de millions d'années après le Big Bang.

Cette image, l'une des premières issues du programme JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), a permis d'identifier des centaines de galaxies existant déjà lorsque l'univers avait moins de 600 millions d'années — soit à peine 4 % de son âge actuel. Certaines de ces galaxies, encore plus lointaines et donc plus anciennes que celles révélées par le premier champ profond de Webb, ont même bousculé les modèles théoriques en se montrant plus grandes et plus riches en étoiles que prévu pour une époque aussi précoce de l'histoire cosmique, juste après la fin des âges sombres.

Repérer ces galaxies extrêmement lointaines repose sur une méthode indirecte : leur lumière, considérablement décalée vers le rouge par l'expansion de l'univers au cours de son trajet, ne devient détectable que dans l'infrarouge — le domaine de longueur d'onde où James Webb excelle précisément, là où Hubble, principalement optimisé pour la lumière visible, atteignait ses limites.

Une expansion qui s'accélère

À la fin des années 1990, deux équipes indépendantes d'astronomes, en mesurant la luminosité de supernovas lointaines, ont découvert avec surprise que l'expansion de l'univers ne ralentit pas sous l'effet de la gravité comme on s'y attendait, mais accélère — une découverte qui leur a valu le prix Nobel de physique 2011. Ce phénomène est attribué à l'énergie noire, une composante encore mal comprise qui semble représenter près de 70 % du contenu total de l'univers.