Le Big Bang, explication simple : ce que dit vraiment la théorie

« Big Bang » est un mauvais nom, et c’est un adversaire de la théorie qui l’a trouvé : l’astrophysicien Fred Hoyle, en 1949, moquait d’un « gros boum » l’idée d’un Univers ayant eu un commencement. Le nom est resté, et avec lui l’image trompeuse d’une explosion au milieu du vide. Le modèle dit tout autre chose. Vous saurez en quelques minutes ce qu’il décrit exactement, sur quelles observations il repose, et à quel endroit précis la science cesse d’affirmer.

Une expansion, pas une explosion

Le point de départ est une mesure, pas une intuition : les galaxies lointaines s’éloignent de nous, et d’autant plus vite qu’elles sont loin. Edwin Hubble l’établit par l’observation à la fin des années 1920, après qu’Alexander Friedmann, en 1922, puis le Belge Georges Lemaître, en 1927, l’eurent déduit des équations de la relativité générale. Le CNES rappelle cette filiation : la théorie est née d’un calcul, et les télescopes sont venus confirmer.

L’interprétation tient en une phrase, et c’est elle qu’il faut retenir : ce ne sont pas les galaxies qui filent à travers l’espace, c’est l’espace entre elles qui s’étire. Aucun centre, donc, et aucun bord — chaque observateur, où qu’il soit, voit ses voisines s’éloigner de lui. Rembobinez le film : tout se rapproche, se comprime, s’échauffe. Le Big Bang est le nom de cet état initial extrêmement dense et chaud, et de l’expansion qui en est issue. L’Univers aurait aujourd’hui 13,8 milliards d’années.

Comme la vitesse de la lumière est finie, regarder loin revient à regarder tôt : un télescope pointé sur une galaxie lointaine est une machine à remonter le temps, et c’est ainsi que l’on contrôle le scénario à plusieurs époques.

Trois minutes, puis 380 000 ans

Deux étapes suffisent à comprendre la suite. Pendant les trois premières minutes, la matière est assez chaude pour que les noyaux se forment : c’est la nucléosynthèse primordiale. Les ressources pédagogiques de l’Observatoire de Paris en donnent le bilan, resté le nôtre : environ 75 % d’hydrogène et 25 % d’hélium en masse. Les deux premières cases du tableau périodique des éléments sortent de là ; tout le reste a été cuit bien plus tard, dans les étoiles.

Il faut ensuite attendre 380 000 ans. La température tombe alors sous 3 000 °C, et les noyaux capturent enfin leurs électrons pour former les premiers atomes. Jusque-là, la matière était un plasma, une purée de noyaux et d’électrons libres — autrement dit d’ions — opaque à la lumière. Ce jour-là, le brouillard se lève et la lumière part en ligne droite. Elle nous arrive encore : c’est le rayonnement fossile, ou fond diffus cosmologique, étiré par l’expansion jusqu’aux micro-ondes et refroidi à 2,73 kelvin, soit environ −271 °C.

Trois observations qui concordent

Un modèle ne vaut que par ses prédictions vérifiées. Ici, trois familles de mesures indépendantes tombent d’accord.

L’expansion, d’abord. Le rayonnement fossile, ensuite : détecté en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson, il a été cartographié par le satellite Planck, qui en a mesuré les variations minimes de température. Le CNRS annonçait le 17 juillet 2018 que les données définitives de la mission corroborent le modèle cosmologique standard « avec une précision inégalée ». Les proportions d’hydrogène et d’hélium, enfin, calculées à partir des trois premières minutes, sont bien celles que l’on retrouve dans le ciel.

Le refroidissement lui-même se mesure. En 2013, l’Observatoire de Paris rapportait une température du fond diffus de 5,08 kelvin à l’époque où l’Univers avait 7,2 milliards d’années, contre 2,73 aujourd’hui : l’Univers était plus chaud dans son passé, exactement comme prévu.

Ce que la théorie ne dit pas

Le même communiqué du CNRS pose que 95 % de l’Univers est constitué de matière et d’énergie noires « dont la nature n’est pas connue ». Et le taux d’expansion lui-même résiste : le journal du CNRS détaillait en mars 2023 l’écart persistant entre les 67,4 kilomètres par seconde et par mégaparsec déduits de Planck et les 73 obtenus par l’échelle des distances, avec « moins d’une chance sur un million pour que ce désaccord soit dû au hasard ». Erreur de mesure ou physique inconnue : la question est ouverte.

Quant aux premiers instants, ils n’ont jamais été observés ni reproduits en laboratoire. Les équations y donnent un infini, et un infini qui surgit dans un calcul signale la limite de la théorie, comme pour l’intérieur d’un trou noir. Alors évitez l’erreur la plus répandue : ne demandez pas ce qu’il y avait avant, puisque le temps fait partie de ce que le modèle décrit, et ne cherchez pas où le Big Bang a eu lieu. La réponse est : ici aussi. Cette lumière de 380 000 ans traverse votre pièce en ce moment même, et il a suffi d’une antenne pour l’entendre.