Que s'est-il passé durant la première seconde de l'Univers, juste après le Big Bang ? Hé bien il s'est probablement passé plus de choses durant cette courte période que pendant tout le reste de l'histoire de l'Univers ! A partir du Mur de Planck, le bouillonnement quantique de l'Univers a donné naissance à l'espace, au temps, à la matière et aux forces qui régissent encore aujourd'hui les lois de l'Univers ... On appelle cela la brisure de la symétrie.
Le mur de Planck, du nom du père fondateur de la théorie quantique Max Planck, c’est l’instant, dans la création de l’univers, au-delà duquel les théories physiques actuelles ne peuvent remonter sans s’effondrer. La connaissance humaine s’arrête pour l’instant là, même s’il existe déjà des modèles spéculatifs sur ce qui s’est passé entre l’instant zéro et ces 10-43 secondes (on appelle cette période l’ère de Planck) … Mais il semblerait alors que l’univers se décrive plutôt grâce aux mathématiques au fur et à mesure que l’on s’approche de la singularité initiale.
10-43 seconde, c’est pour la physique quantique l’unité de temps incompressible. A ce temps de Planck, l’univers a déjà une taille 10-33 cm … C’est également pour nous la plus petite unité d’espace, la plus petite distance possible entre deux points dans l’univers … une distance indivisible. A titre de comparaison, un seul atome d’hydrogène, qui est l’atome le plus répandu dans l’univers, est 10 millions de milliards de fois plus grand que cette distance de Planck !
A cette époque, l’univers a déjà une température … sans commune mesure avec tout ce que notre pouvoir de raison pourra jamais imaginer : 1032 Kelvin (0K = -273.15°C).
Son énergie, égale à toute celle qui règne encore aujourd’hui dans tout l’univers, est de 1028eV. Toute la matière (la future matière) de l’univers étant concentrée dans cette sphère si quantiquement minuscule, la densité de Planck est elle aussi affolante : 1094 fois celle de l’eau.
Le temps de Planck est la période dite de Grande Unification.
Jusqu’à présent, l’univers était soumis à une seule force, dite la superforce, unifiant les quatre forces qui règnent encore aujourd’hui dans notre monde : la force nucléaire forte (qui assemble les noyaux des atomes), la force nucléaire faible (qui régit la radioactivité), la force électromagnétique (qui agit entre les particules chargées électriquement) et la force de gravitation. Cette superforce est décrite dans la théorie des champs unifiés.
A cet instant précis, dit de Planck, la gravitation se sépare des trois autres forces et quitte le monde quantique. A partir de ce moment, elle cessera son action à l’échelle des particules.
Il existe alors deux groupes distincts de forces, la gravitation et la force électronucléaire (forte, faible et électromagnétique).
Dans cet univers minuscule, où règne une température quasi infinie, toute l’énergie de l’univers est concentrée (comprenez toute l’énergie des futures milliers de milliards de galaxies, comprenant chacune des centaines de milliards d’étoiles, de quoi donner le vertige !!) … mais pourtant la matière à proprement parler n’existe pas encore. Ce qui pose un problème : Nous associons à cet univers une idée de temps et d’espace, aussi infimes soient-elles … Or c’est l’énergie et la matière qui impriment sa forme à l’espace et détermine comment le temps s’écoule. Sans matière, il semble que les notions de temps et d’espace soient difficiles à caractériser, sur des distances et des durées de l’ordre du mur de Planck. Il n’empêche que, si la matière n’existe pas encore comme nous la connaissons, il règne dans l’univers un vide dit quantique, soumis à de nombreuses fluctuations. Des fluctuations qu’on pourrait se représenter comme une sorte de bouillonnement, où des pseudo particules (virtuelles ou fantômes) de matière et d’antimatière apparaîtraient et disparaîtraient, telles des bulles de savon, en s’entrechoquant. Le principe d’incertitude d’Heisenberg nous dit que plus la durée de vie d’une particule élémentaire est brève et plus son énergie sera incertaine. C’est grâce à cette incertitude que la nature prête de l’énergie pour engendrer des particules élémentaires, étant donné que masse et énergie sont équivalentes (E = mc²). La nature, récupère alors son énergie afin d’équilibrer ses comptes et les particules fantômes disparaissent. Nous verrons plus tard que la matière prendra le pas sur l’antimatière … Le monde que nous connaissons serait donc le résultat de ces fluctuations quantiques du vide.
A cet instant, la température chute à 1028K, cela paraît peu mais l’univers s’est tout de même refroidi d’un facteur 10 000 ... De ce fait, c’est désormais la force électronucléaire qui vole en éclats. Elle se scinde en deux, séparant la force nucléaire forte de la force nucléaire faible et de la force électromagnétique. On passe d’une situation symétrique, où les deux forces étaient superposées, à une situation asymétrique, où elles sont désormais distinctes. Il existe donc maintenant trois forces régnant sur l’Univers.
La titanesque énergie du vide quantique (appelée champ scalaire) est alors brutalement libérée imprimant à l’Univers une expansion fulgurante, on entre dans l’ère inflationnaire. Ere au cours de laquelle la taille de l’Univers sera multipliée par un facteur gigantesque.
En effet, alors que durant les 13.7 milliards d’années suivant cette période, l’Univers augmentera sa taille d’un facteur 109, cette période inflationnaire voit le volume augmenter d’un facteur 1027 (certaines théories avancent un facteur de 1050) !!
Pour se donner un ordre d’idée de l’importance de cette soudaine inflation, il faut s’imaginer un noyau atomique devenant instantanément aussi grand qu’une sphère centrée sur le Soleil, et dont la circonférence engloberait les étoiles les plus proches …
Il convient de préciser que cette inflation phénoménale ne transgresse pas la loi de la relativité d'Albert Einstein, qui dit que rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière. En effet, dans le cas présent c’est l’espace lui-même en inflation qui se dilate et non un corps qui se déplace d’un point à un autre. La distance entre deux particules augmente à un rythme effréné, mais du fait de la dilatation de l’espace lui-même, pas de la vitesse de déplacement des particules. Si dans ce même espace une particule devait se déplacer, elle ne saurait aller plus vite que la vitesse de la lumière.
L’énergie du champ scalaire étant devenue insuffisante pour maintenir l’inflation de l’espace, l’univers termine sa période d’inflation pour entrer en période d’expansion, période qui est toujours la nôtre. Il a maintenant la taille d’une orange et sa température est descendue à 1025K.
A cet instant apparaissent les premières briques élémentaires de la matière, les quarks. Avec les quarks, naissent en même temps les anti-quarks. L’antimatière étant en fait de la matière ayant une charge électrique opposée, le tout s’annihilant à chaque rencontre en créant un photon (particule de lumière). Dans ce combat à mort, les quarks baignent donc dans un bain de lumière, les photons se mettant eux même à se matérialiser en paires de particules-antiparticules. L’univers est alors une soupe de quarks et d’antiquarks en perpétuelle matérialisation / annihilation.
Mais ce processus ne se déroule bien évidemment pas de façon parfaitement symétrique, puisque sinon la matière que nous connaissons et dont nous sommes tous fait n’existerait pas et l’univers ne serait que lumière… En effet, un infime excédent de matière va apparaître, une brisure dans la symétrie : pour 1 milliard d’antiquarks créés, il y aura 1 quark de plus, qui sera donc le seul survivant à la grande annihilation … un rapport de 1 pour 1 milliard !!
On peut établir un parallèle assez simpliste entre cette brisure de symétrie et les états de l’eau, afin de mieux se représenter le phénomène : Lorsque l’eau est liquide, elle est parfaitement symétrique, n’ayant pas de forme, elle prend celle de son récipient et quel que soit le sens où on la regarde, elle a le même aspect. Par contre si on fait suffisamment chuter la température, elle se transforme en glace. On appelle cela un changement de phase. Cette glace s’exprime sous forme de cristaux qui ne sont pas complètement symétriques, c’est-à-dire qu’ils ne présentent pas le même aspect selon l’axe suivant lequel en les observe. Il y a donc perte de symétrie lors d’un changement de phase, et la séparation des forces de l’univers résultant de la chute de la température de l’univers obéit au même principe. Il faut cependant noter un point d’importance qui expliquera simplement le phénomène d’inflation de l’univers, en reprenant l’exemple de l’eau. Lorsque la température descend à moins de 0°c, l’eau reste un court instant à l’état liquide, elle ne se transforme pas instantanément en glace. C’est-à-dire qu’elle reste brièvement plus chaude que l’espace qu’elle occupe. On appelle ce phénomène la surfusion. Ce même phénomène apparaît lors de la séparation des forces, elles peuvent rester unifiées un court instant alors que la température est descendue sous le seuil de séparation. C’est à ce moment que l’énergie du champ scalaire accouplée à l’unification des forces devient supérieure à la température de l’univers. Le champ scalaire s’exprime alors sous forme de force répulsive qui fait gonfler l’univers dans des proportions phénoménales.
L’univers est maintenant grand de 300 millions de kilomètres de diamètre. Son rayon est donc de 1 UA : si on plaçait le Soleil en son centre, alors la Terre serait sur son bord.
La température tombe à 1015K, on assiste à une nouvelle fission entre les forces : la force nucléaire faible se dissocie de la force électromagnétique. Les quatre grandes interactions fondamentales de l’univers sont donc à ce stade définitivement différenciées. Les lois d’Einstein sont désormais valables.
La soupe de quarks et antiquarks se complexifie, d’autres particules sont apparues : les électrons, les muons, tau et leurs neutrinos correspondants, ainsi que toutes leurs antiparticules respectives. Ces nouvelles particules légères, sensibles à la force nucléaire faible (ou interaction faible), sont regroupées sous le nom de leptons.
L’univers est alors suffisamment grand pour englober le système solaire tout entier (si on fait abstraction de la ceinture de kuiper et du nuage de Oort), son diamètre est de 10 milliards de kilomètres. La température est descendue à 1013K, c'est-à-dire qu’en l’espace de 10-37 secondes, la température a baissé d’un facteur dix millions de milliards ! Du fait de ce refroidissement, l’agitation des quarks décroît.
Grâce à l’interaction forte, les quarks, n’ayant plus assez d’énergie pour exister isolément, se forment en hadrons en se confinant avec les gluons. Cela engendre l’apparition de nouvelles particules, telles les baryons composés de trois quarks (comme les protons ou les neutrons) et les mésons composés du couple quark-antiquark … avec leur lot d’antiparticules.
Cette ère hadronique est une époque de grande annihilation entre baryons et antibaryons. A la fin de cette période, les antiquarks n’existent plus. La température étant devenue trop basse, les photons ne peuvent plus se rematérialiser en couple particule-antiparticule. Ainsi, seuls quelques protons et neutrons survivent à cette époque et constituent l’unique matière de l’univers. Vers 1.6x1012K, il n’y a plus suffisamment d’énergie pour créer des baryons. Lorsque la température atteint 1012K, la température de seuil du plus léger hadron est franchie (méson π), c’est la fin de la production des particules.
A 1/10 000ème de seconde après l’instant zéro, la température est de l’ordre de 1012K : 1000 milliards de degrés. On assiste là à une seconde période de grande annihilation de matière et d’antimatière. Les leptons et les antileptons se détruisent en s’entrechoquant. Une fois cette annihilation terminée, subsistent quelques leptons sur un rapport de 1/milliardième, regroupant des particules légères sensibles à l’électromagnétisme et à l’interaction faible comme les neutrinos et les électrons. L’antimatière disparaît définitivement de l’univers, et toute la matière y est définitivement présente. Néanmoins, à ce stade, la température est encore trop présente pour pouvoir permettre la formation des atomes. L’univers est alors constitué d’une soupe lumineuse de plasma brûlant, constituée de hadrons et de leptons isolés.
A un centième de seconde, la densité totale de l’univers est encore 3.8 milliards de fois celle de l’eau. Pour lui donner un poids, 1 litre d’espace pèse 3.8 mégatonnes ! Le photon a une énergie de 10MeV, ce qui lui permet de se matérialiser en couples électrons-positrons. Les collisions entre ces couples et les couples neutrinos-antineutrinos transmutent les neutrons en protons et vice versa, ceci dans des rapports égaux, bien que le neutron soit légèrement plus lourd que le proton. Tout cela n’est somme toute qu’une histoire de charge électrique.
Arrivé à 1 seconde, l’univers s’est encore refroidit d’un facteur 100, à 10 milliards de degrés. La densité est tombée à 380 000 fois celle de l’eau. Les photons, épuisés par l’expansion de l’univers et en manque d’énergie, ne peuvent plus se convertir en couples électrons-positrons. Arrivés à cette température dite de température de découplage faible, les neutrinos cessent d’interagir avec la matière et s’en séparent.
Résultant de l’anéantissement de l’antimatière, il se crée un déséquilibre entre le nombre de protons et le nombre de neutrons, ce qui va voir de profondes conséquences sur la composition chimique future de l’univers. En effet, si à cette période de 1 seconde le nombre entre les deux est sensiblement égal, à la fin de la première seconde le nombre de neutrons diminue sérieusement pour atteindre un rapport de 1 pour 5. Cela s’explique par le fait qu’un neutron se forme de l’accouplement d’un proton avec un électron, et qu’à cette période de grande annihilation des leptons et antileptons le nombre d’électrons chute brutalement. Jusqu’à lors, le rapport entre la création et la désintégration des neutrons était égal, ce qui maintenait un certain équilibre ; à partir de cet instant ce n’est plus le cas. De plus, il faut savoir que le proton a une durée de vie de l’ordre de 1031 années, ce qui est énorme à comparaison de celle du neutron qui est égale à 15 minutes … A cette échéance, il se désintègre en neutrino ou en électron.
Les mésons mu et tau redeviennent des photons. L’univers est encore très lumineux même si l’énergie des photons diminue avec l’expansion de l’espace.
Sur ce site, une animation très sympa sur l'organisation de la matière de l'Univers au cours de son évolution : http://expositions.bnf.fr/ciel/elf/1big/big.htm
