Introduction
Le modèle du Big Bang est le cadre théorique fondamental de la cosmologie moderne. Il ne décrit pas une explosion dans l'espace, mais l'expansion rapide de l'espace lui-même à partir d'un état initial de très haute densité et température. Ce modèle intègre la relativité générale d'Einstein et la physique des particules pour retracer l'histoire cosmique, de la nucléosynthèse primordiale à la formation des grandes structures.
Description
Le modèle du Big Bang repose sur plusieurs piliers observationnels solides. Le premier est la loi de Hubble-Lemaître (1929) qui établit que les galaxies s'éloignent de nous à une vitesse proportionnelle à leur distance, indiquant une expansion isotrope de l'Univers. Le second est le fond diffus cosmologique (CMB), découvert fortuitement par Penzias et Wilson en 1965. Ce rayonnement fossile, à une température de 2,725 K, est le vestige refroidi et dilué de la phase dense et opaque de l'Univers, environ 380 000 ans après le Big Bang, moment où les photons ont pu se propager librement. Le troisième pilier est l'abondance des éléments légers (hydrogène, hélium, deutérium, lithium) prédite par la nucléosynthèse primordiale, qui s'est déroulée dans les premières minutes, et qui correspond remarquablement aux observations. Le modèle standard du Big Bang inclut également une phase d'inflation cosmique, une expansion exponentielle extrêmement rapide dans les premières fractions de seconde, qui explique l'homogénéité à grande échelle et la géométrie plate de l'Univers.
Histoire
L'idée d'un Univers en expansion a émergé des solutions aux équations de la relativité générale par Alexander Friedmann et Georges Lemaître dans les années 1920. Lemaître proposa en 1927 l'idée d'un 'atome primitif' comme origine. Le terme 'Big Bang' lui-même fut inventé de manière péjorative par l'astrophysicien Fred Hoyle, défenseur d'un modèle rival (l'état stationnaire), lors d'une émission de radio de la BBC en 1949. Le modèle a gagné en crédibilité avec la prédiction théorique du fond diffus cosmologique par George Gamow, Ralph Alpher et Robert Herman dans les années 1940, et sa découverte accidentelle en 1965, qui a valu le prix Nobel à Penzias et Wilson. Les observations des satellites COBE, WMAP et Planck au tournant du XXIe siècle ont mesuré avec une précision inégalée les infimes anisotropies du CMB, fournissant une 'photographie' de l'Univers jeune et validant le modèle avec une précision remarquable.
Caracteristiques
Le modèle standard du Big Bang, ou modèle ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), est caractérisé par plusieurs paramètres clés. L'âge de l'Univers est estimé à 13,8 milliards d'années. Sa composition est dominée par des composantes invisibles : l'énergie noire (Λ, ~68%), responsable de l'accélération actuelle de l'expansion, et la matière noire froide (CDM, ~27%), qui structure les galaxies. La matière ordinaire (baryonique) ne constitue qu'environ 5%. La géométrie de l'Univers est spatialement plate à grande échelle. La chronologie comprend des phases distinctes : l'ère de Planck (avant 10^-43 s), l'inflation, le réchauffement, la création de matière par annihilation matière-antimatière, la nucléosynthèse primordiale (3-20 min), l'ère du rayonnement, puis l'ère de la matière après le découplage du CMB, et enfin l'ère de l'énergie noire dominante depuis quelques milliards d'années.
Importance
Le modèle du Big Bang est l'une des plus grandes réussites de la science du XXe siècle. Il fournit un récit cohérent et testable de l'histoire cosmique, unifiant la physique des plus petites échelles (particules) et des plus grandes (cosmos). Il a profondément transformé notre vision de la place de l'humanité dans l'Univers, montrant que le cosmos a une histoire et une évolution. Il est le fondement de toute la cosmologie observationnelle moderne, guidant la recherche sur la nature de l'énergie noire et de la matière noire, les deux plus grands mystères de la physique contemporaine. Il influence également la philosophie et la culture, posant des questions fondamentales sur l'origine, le destin et l'unicité de l'Univers.
