L'idée de Big Bang

Dans l'hypothèse de l'expansion de l'Univers, il est logique d'essayer par la pensée de remonter la flèche du temps, ou en quelque sorte de "rembobiner le film". On arrive dans ce cas à une époque où toute la matière visible aujourd'hui devait être concentrée dans un très petit volume dont la densité et la courbure étaient pratiquement infinies (on parle de "singularité"). Attention toutefois : cela ne signifie pas que l'Univers dans son ensemble était un point comme on peut le lire parfois. En effet, comme on l'a indiqué dans l'introduction, lorsque la densité et la courbure deviennent trop grandes, les théories physiques actuelles ne sont plus valables et le mieux que l'on puisse dire est que les notions usuelles d'espace et de temps cessent d'avoir un sens. D'autre part, si le volume actuel de l'Univers est infini, une question qui reste ouverte, il est possible que son volume initial, c'est-à-dire son volume à l'instant le plus lointain où ces notions ont un sens, ait été lui aussi infini, et ce même si le volume de ce qui est aujourd'hui l'Univers visible était fini voire nul. On est donc loin de l'image d'un point d'où tout serait sorti. Quoiqu'il en soit, il n'y a désormais plus aucun doute à avoir sur le fait que l'Univers était autrefois bien plus chaud et dense, et c'est cette idée d'une expansion de l'Univers observé à partir d'un volume primordial que les cosmologistes nomment "modèle du Big Bang".

Grâce à sa théorie de la relativité générale, Albert Einstein avait construit dès 1917 un premier modèle cosmologique. Mais puisqu'il n'existait a cette époque aucune raison d'imaginer l'Univers en expansion, il ajouta dans ses équations une constante dite "constante cosmologique" qui avait pour effet d'empêcher que ses équations ne le conduisent à une inévitable expansion. Après la découverte observationnelle de l'expansion de l'Univers, Einstein parlera de la plus grande erreur de sa vie puisqu'il aurait pu prédire l'expansion de l'Univers dès cette époque. Cette idée apparut toutefois en 1925, dans les travaux du mathématicien russe Alexandre Friedmann qui démontra que les équations d'Einstein conduisaient nécessairement à un Univers en évolution (dilatation ou contraction). Cependant en raison de l'isolement de la Russie à cette époque et de la mort prématurée de Friedmann, ses travaux tombèrent quelque peu dans l'oubli.

Comme nous l'avons déjà décrit ci-dessus, Hubble montra en 1929 que le décalage vers le rouge des galaxies était proportionnel à leur distance (déterminée par une méthode de type "chandelle standard") : il s'agit de la loi de Hubble, la constante de proportionnalité étant maintenant appelée constante de Hubble.

Ces observations ont été interprétées par Georges Lemaître, qui ignorait tout des travaux de Friedmann, comme dues à une dilatation relativiste de l'Univers, hypothèse qui ne fit pas l'unanimité parmi les astronomes.

La théorie moderne du Big Bang a été pour la première fois introduite par Gamow, en collaboration avec Ralph Alpher et Hans Bethe en 1948 (voir remarque plus loin). Gamow avait compris que la dilatation de l'Univers entraînait son refroidissement, et que par conséquent autrefois l'Univers devait avoir été très chaud et dense. Il expliquait ainsi la formation des premiers noyaux d'atomes (hydrogène, hélium, lithium) par fusion thermonucléaire (c'est ce que l'on appelle la nucléosynthèse primordiale, voir plus loin). En revanche, pour expliquer l'existence de carbone ou de noyaux plus complexes, la théorie de Gamow ne convenait pas. L'énigme a été résolue par Fred Hoyle, qui montra que les noyaux simples pouvaient fusionner dans les étoiles pour former des noyaux plus lourds.