Il était une fois, il y a près de 14 milliards d'années, un événement spectaculaire a eu lieu.

L'univers et tout ce qu'il contient, y compris la matière, radiation, particules exotiques, et peut-être même des concepts plus abstraits tels que le temps et les lois physiques, est venu au monde.

En étudiant comment l'univers a évolué à travers le temps, il est possible de "calculer à rebours" et de former une image des conditions physiques d'un milliard d'années, mille ans, un jour, une seconde, ou une nanoseconde après le Big Bang. Le plus loin dans le temps, plus les conditions étaient extrêmes, et plus vite l'univers évoluait.

Mais c'est une chose de comprendre les équations qui décrivent la température, ou la création de nouvelles particules, ou autre chose. Qu'est-ce que ça ferait d'en être témoin ? A quoi cela ressemblerait-il ? Que ressentiriez-vous ?

Découvrons-le. Nous devons d'abord équiper notre observateur - appelons-la Alice, comme j'écoute actuellement la chanson "Alice" de Tom Waits, et comme c'est un nom populaire pour les victimes d'expériences de pensée - avec une combinaison spatiale magique ^MT , capable de résister à une chaleur extrême, pression, densité, radiation, et étirer. Elle aura également besoin d'une paire de lunettes de soleil, parce que jusqu'à ce que l'univers ait un million d'années, il était d'une luminosité éblouissante.

Vous pouvez suivre le parcours d'Alice dans le graphique interactif ci-dessous. Mais avant de partir, nous devons établir certaines choses.

Comment sait-on ce qui s'est passé ?

Parce que la lumière ne voyage pas infiniment vite, nous voyons tout comme c'était dans le passé. Lorsque vous vérifiez votre téléphone, vous regardez une nanoseconde dans le temps, puisque c'est le temps qu'il a fallu aux particules légères pour parcourir 30 centimètres. Quand tu regardes la Lune, vous regardez une bonne seconde dans le temps, parce que la Lune est à 400, 000 kilomètres de distance. Et quand vous observez une galaxie à un milliard d'années-lumière, vous regardez en fait un milliard d'années en arrière.

On peut mesurer la densité, Température, et d'autres quantités physiques de l'univers. L'observation de la vitesse des galaxies nous dit que l'univers est en expansion. Si on calcule à rebours, nous pouvons déterminer les conditions physiques des époques antérieures.

De cette façon, nous sommes en fait assez certains de ce qui s'est passé moins d'une seconde après le Big Bang. C'est parce que nous pouvons non seulement calculer, mais aussi réaliser des expériences dans d'énormes accélérateurs de particules comme le CERN, de recréer les conditions qui prévalaient à l'époque, et confirmez que nous n'avons pas tout à fait tort.

Mais nous ne savons rien de la toute première fraction de fraction de seconde – la soi-disant « Epoque de Planck ». En ce moment, les conditions étaient si extrêmes que les lois physiques s'effondrent. Peut-être n'a-t-il même pas de sens de parler d'espace et de temps à ce stade de l'histoire de l'univers. Quelle est la taille de l'univers ?

Infini… Peut-être…

Nous ne savons pas quelle est la taille de l'univers. Nous ne pouvons en voir que la partie d'où la lumière a eu le temps de nous atteindre. Cette partie est appelée "l'univers observable, " et parce que l'univers a 13,8 milliards d'années, vous pourriez penser que nous pouvons regarder 13,8 années-lumière dans toutes les directions. Mais parce qu'il s'étend, c'est un peu plus gros, en fait un bon 46 milliards d'années-lumière.

Nous supposons, bien que nous ne soyons pas certains, que l'univers en dehors de notre petite bulle continue pour toujours. Si c'est vrai, puis il est "né" infiniment grand. Bien qu'il soit réellement logique de parler d'un univers infiniment grand qui grandit ou se rétrécit, il est sans doute difficile à visualiser. Nous considérons donc normalement la taille de l'univers observable à la place.

Il est important de savoir que, peu importe la taille de l'univers, le Big Bang n'était pas une "explosion" dans le sens où un amas dense de matière a commencé à se répandre dans l'espace. Plutôt, c'était la création de l'espace, et peut-être le temps lui-même, et l'expansion subséquente de cet espace.

Cela pose la question, "dans quoi se développe-t-il ?" et "qu'est-ce qu'il y a dehors ?" Il est difficile d'imaginer un univers infini en expansion, encore moins un univers fini qui n'est pas intégré dans un espace dimensionnel plus grand. Mais néanmoins, c'est ce que nous pensons qui se passe. En d'autres termes, il s'étend simplement « en soi ».

Maintenant, avec "Cosmology 101" à l'écart, rejoignons Alice alors qu'elle commence son voyage.

L'inflation dans le noir

Comme mentionné ci-dessus, nous ne savons rien de la toute première fraction de seconde. Nous savons, cependant, que tout était extrêmement dense, car ce qui deviendra plus tard notre univers observable est actuellement plus petit qu'un noyau atomique.

D'abord, la gravité est créée, puis la force nucléaire "forte". Certaines particules exotiques précipitent de cette densité d'énergie extrême, dont le boson de Higgs, qui est responsable du concept même de masse.

Mais au début, Alice n'apprécie rien de cet enfer. La lumière n'a pas encore été créée, alors à elle, tout est sombre.

Soudainement, l'espace lui-même commence à s'étendre à une vitesse exponentielle.

Cette époque s'appelle "l'inflation, " et quand il s'arrête, ce qui deviendra plus tard l'univers observable a, en une fraction de seconde, passé d'être plus petit qu'un noyau atomique à 20 mètres de diamètre. Elle n'a encore que la taille d'une maison, mais relativement parlant, l'univers s'est développé autant pendant cette fraction de seconde qu'il l'a fait depuis lors.

Tout ce qui est dans l'espace doit suivre l'expansion. Sauf la combinaison spatiale magique d'Alice bien sûr, et quelle chance, car sans elle sa tête et ses pieds, qui à cette époque sont beaucoup plus grands que l'univers observable, serait déchiré à 20 milliards d'années-lumière.

Après gonflage, tout continue de s'étendre. À la fois, la température baisse. C'est comme lorsque le gaz d'un briquet éteint est froid :le gaz est comprimé à l'intérieur du briquet mais lorsqu'il s'échappe, il se dilate et se refroidit.

…et il y avait de la lumière

Pendant le gonflage, l'univers se refroidit brièvement à partir d'un milliard de milliards de milliards de degrés, à presque zéro absolu. Mais quand l'inflation est terminée, tout comme Alice pense "Brrr… peut-être qu'il fait un peu trop froid, " le processus dit de réchauffage augmente à nouveau la température à 10 milliards de milliards de degrés. À ce moment-là, de nouvelles espèces de particules sont créées, y compris la lumière sous forme de photons.

Parce que la température est si incroyablement élevée, toutes les particules sont très riches en énergie, et la grande majorité des photons sont donc des rayons gamma. Mais une petite partie du spectre lumineux s'étend sur les rayons X, lumière ultraviolette, et la lumière visible, ce qui intéresse le plus Alice.

Donc, quelle est la première couleur qu'Alice observe ? Quelle était la couleur du Big Bang ?

Le terme "couleur" est en fait un concept psychologique. La couleur que le cerveau perçoit dépend de la répartition de la lumière dans les trois gammes de longueurs d'onde captées par les cônes des yeux, à savoir rouge, vert, et bleu.

Si quelque chose émet de la lumière parce qu'il est chaud, vous pouvez calculer son spectre et ensuite déterminer sa couleur en rouge, vert, et bleu. Alice elle-même n'est pas si chaude, elle émet donc principalement dans la lumière infrarouge à faible énergie, et un œil humain n'est pas assez sensible pour en percevoir la petite partie qui se trouve dans le spectre visible.

Un morceau de chaud, le fer à incandescence émet principalement dans le rouge. S'il fait vraiment chaud, il émet à peu près également dans les deux rouges, vert, et bleu, et cela est interprété par le cerveau comme "lumière blanche".

Si la température est suffisamment élevée, le spectre culmine dans le bleu, et dans la limite d'une température infinie, la couleur se rapproche d'une teinte bleu saphir.

Ainsi, ce qu'Alice voit autour d'elle, c'est le bleu saphir de cette soupe chaude plasma quark-gluon, comme le montre l'image ci-dessous.

La combinaison spatiale d'Alice est bien sûr équipée d'un colorimètre électronique, et elle mesure la saturation des couleurs de l'univers à 63 %, 71 pour cent, et 100 % en rouge, vert, et bleu, respectivement.

C'est-à-dire, elle l'aurait fait si ça avait marché, mais l'univers n'a encore qu'un centième de millionième de billionième de billionième de seconde, et l'électricité n'existe pas encore.

Alice doit attendre une picoseconde complète (0,00000000001 seconde) avant que la force électromagnétique ne soit créée. Cela peut ne pas sembler une longue attente, mais comme pour tout dans l'espace et le temps, tout est relatif. Pour Alice, ce temps d'attente supplémentaire est égal à cent quintillions de fois plus long que son temps de trajet total jusqu'à présent.

Alice prend du poids

En ce moment, la force "faible" est également créée. Cela signifie que les quatre forces de l'univers sont maintenant établies, les trois autres étant la force électromagnétique, la gravité, et la force "forte".

À proprement parler, toutes ces forces existaient déjà, mais ils ont fusionné en une seule force unifiée jusqu'à ce qu'ils commencent à se séparer en leurs forces "individuelles".

Avec ces quatre forces en place, les particules peuvent maintenant interagir avec le boson de Higgs et donc gagner de la masse. Pour Alice, cela signifie qu'elle pèse maintenant quelque chose. Mais comme les normes de la mode perverties n'existeront pas avant 13,8 milliards d'années, elle n'est pas si gênée par cette prise de poids soudaine.

Des morceaux dans la soupe

L'environnement d'Alice est assez ennuyeux; tout est parfaitement réparti uniformément, Alors peu importe où elle regarde, elle voit la même chose.

Mais attendez… de minuscules irrégularités sont formées par le principe d'incertitude de la mécanique quantique, qui dit qu'il y a une limite inférieure fondamentale, en termes d'exactitude, il est logique d'être en parlant de la position d'un objet.

La mécanique quantique décrit des processus à très petites échelles, de la taille des atomes et en dessous. Mais en raison de l'expansion extrême, les petites inhomogénéités sont gonflées dans des proportions importantes.

Et quelle chance. Si tout avait été complètement lisse, il le resterait à jamais. Mais plutôt, il existe des grumeaux très petits qui pèsent un tout petit peu plus que leur environnement et peuvent donc tirer un peu plus de matière. Cela leur permet de grandir et finalement de former la structure de l'univers qui se transforme en galaxies, étoiles, planètes, et ultimement, nous.

La matière noire à la rescousse

Mais la matière est-elle capable de s'agglomérer suffisamment, avant que l'expansion ne l'écarte trop ? (Alerte spoiler : Oui, sinon vous ne liriez pas ceci.)

Réellement, si la seule chose qui existait était ce qu'Alice peut voir, alors cela ne pouvait pas arriver. Mais heureusement, pour chaque gramme de matière, il y a environ cinq grammes d'un autre, matière invisible qui fournit la gravité supplémentaire nécessaire pour laisser la matière s'agglomérer. Nous appelons cela, matière noire.

L'univers s'est maintenant refroidi à 10 millions de milliards de degrés et est à peu près aussi grand que la distance de la Terre au Soleil aujourd'hui. La touffe qui deviendra un jour la Voie lactée a un rayon de 100 kilomètres, à peu près la taille de la Sierra Leone.

L'univers ralentit

L'univers continue de s'étendre à cause de la vitesse qu'il a acquise par l'inflation, mais le taux d'expansion décélère lentement en raison de l'attraction mutuelle de toutes les particules.

Cependant, même une nanoseconde complète après le Big Bang, l'expansion est si rapide que les objets à plus d'un mètre d'Alice, s'éloignent d'elle plus vite que la vitesse de la lumière. Juste une microseconde plus tard, il fait suffisamment froid pour que les quarks se soient fusionnés pour former des neutrons et des protons.

L'univers a maintenant la taille du système solaire, mais la densité de matière et de rayonnement est toujours de 1, 000 fois plus élevé qu'une étoile à neutrons, la chose la plus compacte qui existe aujourd'hui.

Jumeaux maléfiques

Alice voit maintenant non seulement les particules, mais aussi des antiparticules naissantes.

Une antiparticule est comme la jumelle maléfique de la particule, et si une particule rencontre son antiparticule, elles cessent toutes deux d'exister et de nouvelles particules sont créées. Certaines de ces nouvelles particules sont des photons, la lumière.

Pour des raisons que nous ne comprenons pas encore, pour 10 milliards d'antiparticules qui existaient, il y avait 10 milliards et une particule, donner ou prendre.

A une grande vieillesse d'une seconde, l'univers a maintenant gonflé à 10 années-lumière de rayon, et tous les antiprotons se sont annihilés avec des protons, antineutrons avec neutrons, etc. L'infime surplus de particules "normales" est ce qui constitue aujourd'hui le cosmos visible.

Chaleureux et lumineux, avec un risque de brouillard

Encore dix secondes s'écoulent et les électrons et les antiélectrons sont levés. L'univers s'est maintenant refroidi à quelques milliards de degrés, mais puisque 99,99999999 % de toutes les particules sont converties en lumière pure, l'univers s'embrase soudain d'une lumière éblouissante.

Au début de cet enfer particule-mange-particule, la densité est si élevée qu'Alice ne peut littéralement pas voir une main devant son visage car la lumière est constamment diffusée par les électrons.

Mais quand tout d'un coup la majorité des électrons disparaissent dans le bleu (saphir), la visibilité augmente jusqu'à… roulement de tambour s'il vous plaît… quelle peut être sa taille ? Un milliard d'années-lumière ?. Ah, non, 20 mètres. Pas très impressionnant. Mais peu importe puisqu'il n'y a pas encore grand chose à voir de toute façon :Derrière le voile brumeux c'est, bien, juste plus de la même chose.

Après quelques minutes, la température est tombée en dessous d'un milliard de degrés, et une époque importante dans l'histoire de l'univers entre en jeu :la nucléosynthèse. Il fait maintenant assez froid pour que les protons, qui sont en fait les mêmes que l'hydrogène, fusionner pour former des éléments plus lourds.

Hélas, le bonheur est de courte durée :la densité de l'univers diminue en raison de l'expansion, et à 15 minutes, elle a à peu près la même densité que l'eau sur Terre. La nucléosynthèse touche à sa fin.

Jusque là, seuls l'hélium et un peu de lithium ont eu le temps de se former. Tous les atomes les plus lourds ne se formeront pas avant des centaines de millions d'années, dans les étoiles et leurs explosions mortelles.

C'est ça, gens. Au bout d'un quart d'heure à peine, le Big Bang est fini, et maintenant il ne se passe pas grand-chose pendant des milliers d'années.

Chaque fois qu'un atome neutre essaie de se former, l'électron est immédiatement arraché par un photon très énergétique. Mais à 380, 000 ans, la température de l'univers est tombée à 3, 000 degrés, a acquis une belle teinte rouge orangé, et est suffisamment froid pour que les atomes d'hydrogène puissent rester neutres.

Par conséquent, le voile électronique brumeux est levé et la lumière s'échappe – se découple – de la matière.

La rémanence du Big Bang

L'univers a maintenant près d'un million d'années-lumière de diamètre, et la lumière coule librement à travers l'univers entier, comme il le fait depuis.

Les morceaux de matière qu'Alice a vu se former ont grossi, mais sont au moment du découplage encore très faibles; les régions les plus denses sont au 1/100, 000 fois plus dense que les régions les plus diluées. Néanmoins, cela suffit pour que le rayonnement émis ne présente pas partout la même longueur d'onde.

Et cette lumière, la rémanence légèrement irrégulière du Big Bang, connu sous le nom de "fond cosmique micro-ondes" - est maintenant la chose la plus éloignée que nous puissions voir. Une grande partie de ce que nous savons sur Big Bang, et de l'univers en général, nous avons glané en étudiant cette lumière.

Chronologie du Big Bang (et l'histoire de l'univers)

Alice a eu le temps de sa vie et peut maintenant remettre sa combinaison spatiale et ses lunettes de soleil sur l'étagère.

Si entre-temps vous avez perdu la notion de l'espace et du temps, vous trouverez ici une chronologie graphique étendue du Big Bang (et du reste de l'histoire de l'univers).

En écrivant cet article, j'ai écrit un code appelé timeline qui calcule les propriétés (taille, Température, Couleur, taux d'expansion, et plus) de l'univers à divers moments de son histoire. Le code est écrit dans le langage Python, et peut être récupéré ici.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de ScienceNordic, la source de confiance pour les nouvelles scientifiques en anglais des pays nordiques. Lisez l'histoire originale ici.