Mise à jour 19 Mars 2023.
CONFÉRENCE MENSUELLE
DE LA SAF
De Jean Marc
BONNET-BIDAUD, Astrophysicien CEA
HISTOIRE CRITIQUE DU BIG BANG.
Organisée par la
SAF
En présence du
public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF
Le Mercredi 8 Mars
2023 à 19H00
Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution
peuvent
m'être
demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir
les crédits des autres photos si nécessaire
La présentation est disponible sur
ma liaison ftp ,
Rentrer le mot de passe, puis aller à CONFÉRENCES SAF ensuite
SAISON 2022/2023 ; elle s’appelle :
BigBang_SAF230308_JMBB.pdf
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me
contacter avant..
La vidéo de la réunion est accessible :
Tous les autres enregistrements des conférences mensuelles sont
accessibles sur
la playlist
des conférences mensuelles d’Astronomie de notre
chaine
YouTube SAF.
En plus des
120 spectateurs
de l’amphi (malgré les grèves !!), nous étions
176 sur YouTube,
un record !
La présentation étant très claire et très détaillée, mon CR sera
succinct, pour le compléter, j’ai rajouté en références au bas du CR,
de nombreux articles liés au
sujet traité.
JM Bonnet-Bidaud est astrophysicien au service d’Astrophysique du
CEA.
C’est un grand vulgarisateur, il a écrit de nombreux ouvrages
dont celui sur lequel est basée notre présentation de ce soir :
l’histoire
critique du Big Bang co-écrit avec son collègue Thomas Lepeltier
éditions Folio.
C’est aussi un spécialiste de
l’astronomie
chinoise, et la SAF l’invitera à une prochaine commission de
cosmologie à ce sujet à la rentrée.
Voici comment il introduisait la conférence de ce soir :
La cosmologie est aujourd'hui à la croisée des chemins.
Le modèle du big bang, qui est censé décrire l'histoire de notre univers, s'est
imposé à la communauté scientifique au milieu des années 1960.
Depuis lors, il semble un horizon indépassable.
Pourtant, ces dernières années, il a été confronté à des difficultés
croissantes. Quelle est la source de l'expansion ? Comment expliquer la phase
d'inflation ? Où est passée l'antimatière ? Pourquoi doit-on supposer
l'existence de matière noire et d'énergie noire de nature inconnue ?
Sans réponse à ces questions, le modèle du big bang
reste fragile.
Sa présentation est composée de 5 parties.
Saison
0 : L’Univers en expansion, la théorie en avance sur les observations.
Au début du XXème siècle il est très difficile d’évaluer les
distances dans l’Univers.
Einstein : 1915 la RG : interaction contenant/contenu. Notion
d’espace-temps.
Einstein met l’Univers en équation, mais s’aperçoit qu’il est en
expansion, il « triche » alors en rajoutant une constante pour le stabiliser (on
croyait à un Univers stationnaire ou statique à l’époque).
Un Allemand, Alexandre Friedmann, résout en 1922 l’équation
d’Einstein, pour lui l’Univers est dynamique.
Il introduit même la notion d’âge de l’Univers, qu’il évalue aux
alentours de 10 Milliards d’années (Ga)
Long débat avec Einstein qui au début réfute ses arguments, puis
convient qu’il a raison.
Puis vient la révolution des grands télescopes : c’est un bons de
géant : Mt Wilson
le Hooker
de 2,5m ;
E. Hubble, nouvellement embauché, fait ses découvertes sur
l’éloignement des galaxies et de leur vitesse à la fin des années 1920. Il
« découvre » la loi de Hubble, mais mesures imprécises : cela va donner un âge
de l’Univers de 2Ga, bien trop faible par rapport aux âges connus.
Les distances ont été sous-estimées et donc l’âge aussi
sous-estimé.
De nouvelles mesures vont venir corriger tout cela.
Mais JMBB n’a pas eu le temps ne nous parler de G Lemaître qui
publia (malheureusement en français) un texte sur l’expansion de l’Univers.
Mais il n’y a pas que cette théorie, qui ne s’appelle pas encore
le Big Bang, Fred Hoyle, célèbre astrophysicien britannique est partisan d’un
Univers stationnaire (steady state en anglais), il n’en démordra jamais.
Saison 1 : La renaissance du Big bang.
Après l’attaque de Pearl Harbor, la côte Ouest des USA était
soumise à un black-out nocturne, ce qui permit aux grands observatoires
californiens, notamment le Mt Wilson de profiter du ciel parfaitement noir pour
améliorer leurs dernières observations de distances.
On a pu améliorer la méthode des Céphéides et ainsi augmenter
l’âge de l’Univers, on arrivait maintenant à des dates de l’ordre de 4 Ga ce qui
devenait presque acceptable et permettait une validation de la théorie du BB.
La mise au point du projet Manhattan apporta aussi des
améliorations sur la connaissance de la formation de la matière.
Georges Gamov, physicien d’origine Russe, s’intéresse à l’origine
des éléments chimiques et publie
un article
fondateur un 1er Avril 1948 qui apparait comme « farceur »
(il avait impliqué Hans Bethe mais sans son accord !). Il n’est pas pris au
sérieux par la communauté scientifique, dommage il explique la naissance d’un
Univers chaud.
C’est à ce moment-là, en 1949 que se produit un évènement, lors
d’une interview, Fred Hoyle, pour se moquer de l’autre théorie qu’il déteste, va
l’appeler Big Bang, mal lui en a pris, ça va plaire aux médias, et cette théorie
vient d’être baptisée !
Le Big Bang est né, au moins dans l’esprit des gens !
Saison
2 : L’âge d’or du Big Bang. Les trois piliers.
Mise en service en 1949 du nouveau télescope de 5 m au Mt
Palomar.
La qualité de ces observations va encore modifier la constante de
Hubble H (une autre façon de parler de l’âge de l’Univers.
On arrive maintenant à des valeurs entre 10 Ga (G. De
Vaucouleurs) et 20 Ga (A. Sandage) !
Ce qui amène un grand débat (qui existe toujours) de la valeur de
H soit 50 ou 100 km/s/Mpc
Hubble meurt en 1953.
Il ne va pas se passer grand-chose avant 1965 où deux ingénieurs
des Bell Labs (Penzias
et Wilson), découvrent par hasard en voulant utiliser une antenne
cornet pour tester des liaisons transatlantiques, un bruit parasite qu’ils
n’arrivent pas à éliminer.
Ils viennent de trouver les restes de la première lumière du BB,
qui avec l’expansion se situe maintenant dans le domaine radio, que l’on va
appeler le bruit de fond cosmologique ou CMB (Cosamic Microwave Backgraoud).
C’est une preuve de l’existence d’un BB chaud.
Saison
3 : La matière invisible.
On s’intéresse maintenant de plus en plus à la physique des
particules, c’est-à-dire à l’infiniment petit après l’infiniment grand.
Car, en effet c’est le domaine du début de la création de
l’Univers, cette soupe très chaude contient de nombreuses particules
élémentaires.
Peu à peu va apparaitre la première crise du BB.
On a vite remarqué que grace au CMB, l’Univers était homogène à
grande distance, mais comment est-ce possible alors que certaines régions sont
si éloignées les unes des autres qu’elles n’avaient pas pu avoir de contact
entre elles ?
C’est ce que l’on a appelé
le problème de l’Horizon.
Un autre problème se présente, l’Univers semble à priori plat ou
presque plat, alors qu’il ne l’était certainement pas lors de sa formation.
C’est le
problème de la Platitude.
C’est pour cette raison qu’on (Alan Guth et Andrei Linde) a
introduit le phénomène
d’inflation.
Une expansion ÉNORME de l’Univers se produit entre 10-35
et 10-32 s.
L’espace se dilate plus vite que la vitesse de la lumière, c’est
la période d’inflation
En quelques instants il grossit d’un facteur 1050 il
devient de la taille …d’une orange!
Les sphères de causalité des différents points dans l’Univers
naissant ont pu se recouvrir, et ainsi expliquer l'homogénéité de celui-ci.
Cette inflation a aussi rendu l’Univers….plat
Cette inflation requiert un Univers à
densité
critique, qui permet d’avoir un Univers plat, c’est-à-dire à quelques
atomes par m3 d’Univers.
Mais on remarque vite sur le
diagramme du
CMB, que les petites inhomogénéités sont trop faibles pour former nos
galaxies actuelles. Il
manque de la matière !
En fait
Fritz Zwicky,
un astronome américano-suisse, au caractère très spécial, l’avait envisagé
avant-guerre, il fallait beaucoup plus de matière invisible autour des galaxies
pour conserver leur forme. Mais,
son mauvais caractère a fait qu’on
ne l’a pas pris au sérieux.
C’est
Vera Rubin
qui 35 ans plus tar va redécouvrir le phénomène.
Cette matière invisible, que l’on va appeler noire (ou plutôt
sombre, dark en anglais) va devenir nécessaire à la théorie actuelle.
Cette matière noire est de nature
inconnue.
La quantité de matière comprise dans l’Univers joue sur son âge,
comme on le voit sur la slide ci-contre.
Avec H = 70
km/s/Mpc.
La matière visible donnerait un âge de 12,7 Ga.
L’introduction de la matière noire, (plus de matière,
diminue le volume de
l’Univers, à cause de la gravitation, donc le l’âge) donnerait un âge de
9,3 Ga.
Cette introduction de matière noire rend l’Univers plus jeune que
certaines étoiles.
D’où :
PROBLÈME.
Saison
4 : L’énergie fantôme.
C’est la deuxième crise du BB,
la matière noire rend
l’Univers trop jeune !
On repense alors au truc d’Einstein, rajouter la constante
cosmologique pour remettre tout cela en ordre.
C’est là que l’on introduit cette notion d’énergie noire (en fait
sombre, dark en anglais) qui joue comme une anti gravité, une énergie à pression
négative.
Et là, ça y est, on retombe sur nos pieds, on arrive à un âge
d’Univers de 13,7 Ga.
Là, aussi, l’énergie noire est de nature encore inconnue.
Mais une nouvelle découverte va encore venir perturber cet
arrangement.
Dans les années 1990, on s’aperçoit que l’expansion au lieu de
ralentir (à cause de l’influence de la gravité), accélère !!!!
Ces sont deux équipes différentes (S
Perlmutter et A Riess-B Schmidt) qui ont annoncé cette nouvelle. Le
prix Nobel était à la clé en 2011 !
Ce sont les observations des Super Novae Ia (SN Ia) lointaines
qui ont amenées à ce résultat surprenant.
Les SN lointaines ne sont pas à leur place, elles « paraissent »
plus éloignées, en fait c’est l’expansion de l’Univers qui s’accélère !! c’est
cette fameuse énergie noire qui s’oppose à la gravité.
On en arrive à une composition de l’Univers qui serait :
·
30% de matière
·
70% d’énergie
Suite à toutes ces découvertes, on peut établir l’histoire du Big
Bang qui est représentée sur la slide ci-contre.
On voit ici les différentes étapes qui ont mené à la théorie
actuelle.
On est passé de la phase BB dans les années 1940, à BB type CDM
(matière noire froide) dans les années 1980 à finalement un BB de type
LCDM avec introduction de l’énergie
noire.
Mais depuis 40 ans on cherche la matière noire, on ne trouve
aucun candidat à ce jour.
On en arrive donc à cette bizarrerie où 95% de l’Univers nous est
inconnu !!!
Ce qui n’est pas satisfaisant pour l’esprit.
Matière noire et énergie noire sont pour le moment inconnues !
Néanmoins les cosmologistes, à partir de toutes ces données ont
été capables de tracer une représentation graphique du Big Bang que vous voyez
sur la slide ci-dessous.
)
Les différentes étapes sont décrites :
1 -Du Vide nait l’Univers : un Univers né du vide quantique (?)
2 -Fin de l’inflation cosmique : coagulation de matière-
antimatière (quark-gluons)
3 -Disparition de l’antimatière (?)
4 -Synthèse des premiers noyaux d’atomes (protons-neutrons)
5 -Apparition de la première lumière
6 -Apparition des premières étoiles/ Apparition des premières
galaxies
LES
DIFFICULTÉS DU BIG BANG.
1-
L’INFLATION :
source de son énergie initiale inconnue
pourquoi s’arrête-telle ?
débat Guth / Steinhardt
2-
L’ANTIMATIÈRE :
au début il y avait autant de matière que d’antimatière.
où est-elle passée ????
le LHC n’a pas indiqué de dissymétrie matière/antimatière
3-
LA
NUCLÉOSYNTHÈSE :
quelques résultats discordants avec la nucléosynthèse primordiale
4-
LA MATIÈRE NOIRE :
depuis 40 ans on n’a rien trouvé !
5-
L’EXPANSION ET H :
désaccord
sur la valeur de la constante de Hubble.
6-
LES
GALAXIES PRIMORDIALES :
le JWST trouve trop de galaxies massives présentes « trop tôt » dans l’Univers.
trop de galaxies spirales aussi.
Ça fait beaucoup !!
Il semble que l’argument le plus fondamental, soit le problème de
l’antimatière d’après notre orateur.
Intéressant
aussi le problème (« tension » comme disent les scientifiques !) de la valeur de
H0
On a représenté ici les deux voies qui mènent à deux valeurs
proches mais distinctes de la constante de Hubble.
D’après Freedman 2017
Elles sont distinctes car chacune en dehors des marges d’erreur.
(3 sigmas pour les plus récentes)
Les symboles bleus correspondent aux valeurs mesurées dans le
proche Univers basées sur les Céphéides.
Les symboles rouges correspondent aux valeurs du modèle
cosmologique et du CMB.
POURQUOI ?
L’APRÈS BIG
BANG.
Le Big Bang est un modèle qui pour le moment pose plus de
questions qu’il n’apporte de réponses.
Comment sortir de cette impasse ?
Notre conférencier entrevoit quelques possibilités comme :
·
Univers inhomogène
·
Théorie MOND de la gravitation
·
Gravitation quantique.
POUR ALLER PLUS LOIN :
La Théorie
de l’Inflation : CR de la conférence SAF (Cosmologie) de Jérôme
Martin du 27 Mars 2015
Constante de
Hubble : Mystère autour de sa vraie valeur !
JWST :.JADES
et l’HUDF font des merveilles
L’asymétrie
matière-antimatière : CR de la conférence de G Chardin à la SAF le 20
nov 2010
Synthèse des
éléments légers : CR conf IAP de C Pitrou du 1er Oct 2019
Pleins feux
sur la matière noire : CR de la conf IAP de N. Pal. Delabrouille
du 4 sept 2018
L’homogénéité et la platitude de l’Univers
Ouvrages de JMBB ;
«Le big bang n’est pas une théorie comme les autres »
J.M. Bonnet-Bidaud, F.-X. Désert, D. Leglu, G. Reinisch
Edition "La Ville brûle », 2009
« Un autre cosmos ? »
Thomas Lepeltier et
Jean-Marc Bonnet-Bidaud, Contributions : Bonnet-Bidaud, T. Buchert, R.
Brandenberger, L. Celnikier, T. Lepeltier, S. Fay, J. Narlikar.
Edition Vuibert, 2012
«Big Bang: Histoire critique d'une idée »
Jean-Marc Bonnet-Bidaud et Thomas Lepeltier
Edition Gallimard – Folio 2021
Bon ciel à tous
Prochaine conférence
SAF. : le mercredi 12 Avril (CNAM amphi Grégoire) 19 H
Thierry Legault astrophotographe, sur « L’astrophotographie pour les nuls ! ».
Réservation comme d’habitude ou
à la SAF directement.
La suivante : le 10 Mai : Brigitte Alix
sur « Astrolabe et Astronomie »
Transmission en direct
sur le canal YouTube de la SAF :
https://www.youtube.com/channel/UCD6H5ugytjb0FM9CGLUn0Xw/feautured
Jean Pierre
Martin
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