Les premiers instants de l'Univers ? Un jeu d'enfant !

Publié par Ghislaine La Compagnie des Sciences et des Arts, le 25 novembre 2023   120

Nous allons essayer de comprendre ce qui s'est passé dans les premiers instants de l'Univers, tout en sachant que la naissance, elle-même, de l’Univers reste un mystère !

Dans un passé lointain, il y a à peu près 14 milliards d'années, il est apparu (pour quelles raisons ?) une densité d’énergie gigantesque, concentrée dans un volume infiniment petit (instant appelé « Big-Bang »). Quasi instantanément, ce volume s’est mis à croitre de manière vertigineuse (phase appelée : inflation).

Nous n’allons pas nous placer en ces tout premiers instants, qui restent encore mystérieux pour les scientifiques, mais environ 1 microseconde après le Big-Bang qui est dans un domaine maitrisé. L’Univers est alors une boule dont le rayon est équivalent à la distance entre le Soleil et la Terre.

À l’intérieur du bébé univers circulent en tous sens des particules de matière (« quarks », « électrons ») qui interagissent par des forces, c’est-à-dire qui s’échangent des particules d’autres types, ce qui leur permettrait de former de petits assemblages. Les particules de force sont principalement de deux types : celles qui transmettent l’interaction électrique (les « photons ») et celles qui transmettent l’interaction forte (les « gluons »). Le nom de cette dernière interaction vient du fait qu’elle est bien plus puissante que la première.

Dans les jeux proposés on va partir de la situation où tous les objets présents dans l’Univers ne peuvent pas se rassembler afin de former de premières structures car la température y est trop élevée : au-delà de 10 000 000 000 000 °. C’est le chaos : « la soupe ».

Puis, au fur et à mesure que l’Univers se refroidit, vont apparaitre de premiers assemblages dont le noyau de l’hydrogène (le « proton »). Ces premières structures piègent en leur sein la formidable température (énergie) qui régnait à cette époque et, même quand l’Univers va continuer à se refroidir, cette énergie restera présente, emprisonnée dans ces structures : c’est l’énergie nucléaire que nous pouvons utiliser de nos jours et c’est aussi celle qui donne la masse à toute la matière que nous connaissons.

Une autre étape est franchie, 400 000 ans environs après le Big-Bang. La température a maintenant chuté vers 3000° et les photons, dans lesquels baignent protons et électrons, deviennent incapables d’empêcher que ces derniers s’assemblent pour former les premiers atomes : ceux de l’hydrogène (principalement). Nous illustrons ce passage par un jeu. Une installation illustre également la différence de taille entre un atome d’hydrogène et celle de son noyau. Ces différences traduisent celles entre la puissance de l’interaction forte et celle de l’interaction électrique. L’atome a, en son sein, de l’énergie électrique qui permet la réalisation de toutes les réactions chimiques et biologiques existantes.

Après 400 000 ans, la lumière n’interagit quasiment plus avec les atomes (car ils sont neutres : dépourvus de charge électrique) et elle peut se propager en ligne droite dans l’Univers. Ce rayonnement est directement mesuré de nos jours, dans le domaine des ondes radio. Ces mesures valident le fait que l’Univers, à ses débuts, était extrêmement chaud et que la matière y était baignée par un rayonnement intense de lumière issu de l’annihilation de quantités formidables de matière et d’antimatière produites initialement lors du Big-Bang. Par un mécanisme encore inconnu, il est resté environ un milliardième de la matière initiale. De légères différences de température (1/100 000), mesurées suivant la direction d’où nous parvient le rayonnement, indiquent les zones où va s’accumuler préférentiellement l’hydrogène primordial. Au sein de ces nuages, les premières étoiles vont naitre, plus de 100 000 000 années après le Big-Bang. A partir de cet hydrogène, différents types d’étoiles vont forger des atomes plus lourds et permettre l’existence ultérieure des planètes et de nous-même.

La description de ces jeux, développés à l'occasion de la FDS2023, à Soustons, est donnée dans la note associée à cette présentation.