Cosmologie 1 : le Big-Bang

Cela fait maintenant quelques semaines que mon temps et mon énergie vont plutôt dans la réalisation de vidéos que dans l’écriture de billets de blog. Pour ceux qui préfèrent la forme écrite à Youtube, j’ai décidé de me rattraper en vous proposant en alternance avec les vidéos une petite série de 3 billets consacrés aux éléments de base de la cosmologie théorique, une discipline pas si imbitable qu’on le croit ! Comme d’habitude, l’idée est que ces billets soient lisibles avec des connaissances de lycée.

Le billet de cette semaine commence avec le Big-Bang, et les deux suivants seront consacrés respectivement au destin de l’Univers, et au mystère de l’énergie noire.

L’équation d’Einstein

Toute la cosmologie moderne est fondée sur la théorie de la relativité générale d’Einstein. J’ai déjà eu l’occasion de l’écrire de nombreuses fois ici, la grande idée d’Einstein a été d’expliquer l’attraction gravitationnelle non pas par une « force » comme le faisait Newton, mais en disant que si les objets massifs s’attirent, c’est parce qu’ils courbent l’espace-temps autour d’eux.

courbure

Pour pouvoir concrétiser cette idée, Einstein avait besoin d’une équation qui permette de quantifier ce lien, c’est-à-dire qui relie la courbure de l’espace-temps à la masse. Cette équation, il la trouva en 1915 après de nombreuses tentatives infructueuses. Là voici, et on l’appelle tout simplement l’équation d’Einstein

R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}Rg_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu}

Rassurez-vous, je ne vais pas vous demander de comprendre dans le détail ce qu’elle raconte ! Tout ce qu’il vous faut savoir, c’est que le terme de gauche représente en gros la courbure en chaque point de l’espace-temps, tandis que celui de droite représente son contenu en masse et en énergie (T est appelé « le tenseur énergie-impulsion »). Un point à noter : à droite apparaissent c la vitesse de la lumière, et G, la constante de gravitation universelle qui est en quelque sorte le facteur de proportionnalité qui relie courbure et énergie.

L’équation d’Einstein est très générique, et elle est impossible à résoudre en général, mais on peut s’amuser à l’appliquer à des cas particuliers. C’est ainsi qu’on peut s’en servir pour décrire la courbure de l’espace-temps autour d’une simple masse sphérique (et décrire au choix une planète ou un trou noir), ou encore pour étudier la propagation d’ondes gravitationnelles dans l’espace.

Mais l’application la plus excitante, c’est d’appliquer l’équation d’Einstein à l’Univers tout entier, et c’est ce qui donna naissance au domaine de la cosmologie.

L’univers homogène et isotrope

Décrire l’Univers dans son ensemble et de manière précise, c’est bien sûr totalement inaccessible, alors il faut faire des hypothèses simplificatrices. Le plus simple, c’est de faire l’hypothèse que l’Univers est homogène et isotrope, c’est-à-dire qu’il est identique en tout point de l’espace et dans toutes les directions. Notez tout de suite que l’on sait très bien qu’il s’agit d’une approximation : l’Univers n’est évidemment pas homogène ni isotrope, puisqu’il existe des régions riches en étoiles (les galaxies), et même des secteurs entiers de l’Univers contenant beaucoup plus de galaxies que les autres. Mais bon, pour prétendre modéliser l’Univers dans son ensemble, il faut bien faire quelques simplifications : alors supposons un Univers homogène et isotrope.

Maintenant comment l’Univers peut-il évoluer dans le temps ? Eh bien il n’y a pas 36 solutions : si on veut qu’il reste homogène et isotrope, il ne peut pas se déformer localement. La seule chose qui puisse lui arriver, c’est de changer globalement de taille, c’est-à-dire de se contracter ou se dilater de manière uniforme. Pour représenter cette évolution, on va introduire une quantité essentielle qu’on appelle le facteur d’échelle, qui est généralement noté a(t) et qui représente l’état de dilatation de l’Univers. Par convention, on calcule cette dilatation par rapport à la dilatation actuelle de l’Univers. Si on désigne le temps présent comme t=0, on a par définition pour le facteur d’échelle

a(0) = 1

Avec cette notation, un Univers trois fois plus dilaté qu’aujourd’hui aura un facteur d’échelle de 3, tandis qu’un Univers contracté de 50% par rapport à aujourd’hui aura un facteur d’échelle de 0.5.

L’équation de Friedmann

Munis de ces simplifications, pour décrire l’Univers à un moment donné, il suffit de connaître la manière dont le facteur d’échelle a(t) évolue. Si on reprend la monstrueuse équation d’Einstein et qu’on l’applique dans le cadre très réducteur que je viens de décrire, elle se réduit à une simple expression que voici :

\left(\frac{da}{dt}\right)^2=\frac{8\pi G\rho_0}{3}\frac{1}{a(t)}

Cette équation est appelée équation de Friedmann, et il s’agit d’une simple équation différentielle du premier ordre qui fait intervenir \rho_0, la densité actuelle de matière dans l’Univers (forcément la même partout, puisqu’on considère notre Univers homogène !) Le résultat extraordinaire qui est contenu dans cette équation, c’est que puisque la dérivée temporelle du facteur d’échelle n’est pas nulle, c’est bien que l’Univers change de taille. Cette équation prédit donc que l’Univers peut être en contraction ou en expansion !

L’histoire est connue : Einstein ne croyait pas à ce résultat, et fit tout pour essayer de faire une théorie prédisant un univers statique, et pourtant pour une fois il se plantait magistralement. En 1929, l’astronome Edwin Hubble découvrit que les galaxies s’éloignaient toutes les unes des autres, démontrant ainsi l’expansion de l’Univers. Plus précisément, il mesura qu’elles s’éloignent à une vitesse proportionnelle à leur distance, comme le montre le graphique ci-dessous [1]

HubbleSur cette figure, on voit la vitesse d’éloignement et la distance de tout un tas de galaxies. La vitesse est en km/s et la distance en « mégaparsecs » (Mpc) : sachez en gros que 1 Mpc c’est 3 millions d’années lumières. Le graphique que vous avez ici est récent, quand Hubble a fait ses observations, les galaxies qu’il pouvait observer étaient toutes dans le petit carré en rouge ! Ce que nous montre ce diagramme de Hubble, c’est que la vitesse d’éloignement des galaxies est proportionnelle à leur distance

v = H_0 D

et la constante de proportionnalité H_0 est appelée constante de Hubble, et vaut environ 70 km/s/Mpc. Il faut y réfléchir une minute, mais si vous retournez à ma définition du facteur d’échelle, alors si deux galaxies sont à une distance D à un instant t, à cause de l’évolution du facteur d’échelle, leur vitesse d’éloignement sera (da/dt) D. Donc la mesure expérimentale de la constante de Hubble nous donne accès à la valeur actuelle de (da/dt). En reprenant l’équation de Friedman, on peut donc déduire une valeur pour la densité moyenne actuelle de l’Univers

\rho_0 = \frac{3H_0^2}{8\pi G} \approx 10^{-29} g/cm^3

Voyage dans le passé

Maintenant que l’on sait cela, c’est la porte ouverte sur un truc extraordinaire : on peut utiliser l’équation de Friedmann pour remonter dans le passé de l’Univers. S’il est en expansion, c’est qu’il était plus contracté dans le passé, mais comment et de combien ?

Quand on la regarde tranquillement, l’équation de Friedman est simple à résoudre (on fait encore les équa diff au lycée, non ?) Puisqu’on a posé par convention que le présent était à t=0, pour remonter dans le passé il suffit de résoudre l’équation pour les temps négatifs. Si vous avez la flemme de le faire analytiquement, on peut même la résoudre pas-à-pas en Excel : simuler l’Univers et reconstituer son origine avec Excel, moi je trouve ça grisant, non ?

Excel

Pour ceux qui préfèrent l’approche analytique, on peut simplement résoudre l’équation et trouver que

a(t) = \left(t/t_0+1\right)^{2/3},\ \ \ \ \ \ t_0=\frac{1}{\sqrt{6\pi G \rho_0}}

Que l’on choisisse l’approche analytique ou la résolution en Excel, le résultat est le même : on voit que plus on remonte dans le passé, plus le facteur d’échelle est petit…jusqu’à tendre vers 0 il y a environ 10 milliards d’années. Cela signifie qu’à cette époque, l’Univers était dans un état extrêmement contracté par rapport à aujourd’hui. Il était également très dense et très chaud : c’est cela que l’on appelle le Big Bang. (Pour une raison qui n’apparaitra que dans l’épisode 3, ce calcul d’environ 10 milliards d’années est approché, et la valeur actuellement admise est de 13.8 milliards d’années).

Les preuves du Big-Bang

Bien entendu à ce stade, ce résultat est purement théorique : il est sorti d’une équation ! Pendant longtemps de nombreux savants n’ont pas voulu croire à cette prédiction extraordinaire, au point que l’expression même de « Big-Bang » a été inventée par un détracteur de cette théorie, Fred Hoyle, qui a utilisé ce terme pour se moquer de ce résultat. Je ne vais pas ici trop m’étendre sur les preuves expérimentales du Big Bang, car je voulais juste faire un billet théorique, mais pour ceux qui ont encore faim je vous recommande d’aller lire mon billet sur le rayonnement fossile.

Un point important que je voudrai mentionner : en cosmologie, le terme de Big Bang désigne généralement le fait que l’Univers ait été il y a bien longtemps dans un état fabuleusement dense et chaud, et qu’il se soit depuis dilaté pour en arriver à l’état actuel : ce terme désigne donc un scénario, un déroulement, un modèle de l’évolution de l’Univers. Il ne désigne pas « le point zéro », et pour cause, on ne sait rien de cet hypothétique point zéro. Ce que nous montrent les observations et les équations, c’est que l’histoire de l’Univers est celle d’une expansion progressive à partir d’un état fabuleusement dense et chaud, mais elles ne nous disent rien sur la naissance de l’Univers, sa création ou que-sais-je-encore.

C’est tout pour ce premier billet ! Dans l’épisode 2 et l’épisode 3, je vous expliquerai pourquoi l’équation de Friedmann est en fait un peu plus riche que celle que je vous ai montrée là pour les besoins de la cause, nous verrons pourquoi 13.8 milliards et pas 9 et quelques comme ce que nous avons calculé ici; pourquoi le destin de l’Univers est lié à sa forme, et ce qu’est l’énergie noire (et bien sûr on continuera à simuler tout ça en Excel)

Billets reliés, ici ou ailleurs

Références

[1] Bahcall, Neta A. « Hubble’s Law and the expanding universe. » Proceedings of the National Academy of Sciences 112.11 (2015): 3173-3175.

71 réflexions sur “Cosmologie 1 : le Big-Bang

  1. Tout d’abord, super article, merci! Je dois avouer être de ceux a préférer le blog a la chaîne youtube et regrette le ralentissement des posts.

    Un truc m’échappe sur le post du jour, si la vitesse des galaxies augmentent en fonction du temps, (et la je vais sans doute passer pour le gros neuneu de service) mais ça veut dire qu’elles accélèrent!!! Comment est-ce possible??? D’où vient l’énergie, la poussée nécessaire a cette accélération? Ça me parait complètement glucose, j’ai du mal comprendre…

    • Très bonne question ! En fait la « vitesse » dont on parle là est liée à ce qu’on appelle la distance « comobile ». Ca n’est pas une vraie vitesse dans le sens qu’en relativité générale, on ne peut mesurer la vitesse relative de deux objets que quand ils sont au même endroit (ou au minimum dans une zone de l’espace où on peut mettre un référentiel inertiel).

      http://en.wikipedia.org/wiki/Comoving_distance

      Dans le même genre, la vitesse « comobile » peut dépasser la vitesse de la lumière.

      • Une fois de plus, vous avancez des choses que personne ne maîtrise alors que Einstein, lui-même, quelques semaines avant sa disparition, a infirmé CATEGORIQUEMENT sa théorie de la relativité universelle !!!!!!!!!!!!!???????????
        De plus, le « Bing Bang » n’existe pas, il n’est qu’une interprétation ultra basique de la théorie des univers. Et puis, pour ceux qui croient en Dieu, cela supposerait qu’il n’existait pas avant le « Bing Bang » ?????????????????????????????
        Rapprochez-vous de Stephen HAUWKING?? Il a beaucoup de choses à vous apprendre
        Je soupçonne fort que votre démarche sur le Web n’a rien de gratuit mais tout le monde n’est pas dupe, j’espère !!!!
        Un illustre inconnu

  2. Même réac. que Janselme. Pour des notions plutôt trapues comme celles-là rien ne vaut l’expression écrite qui permet de relire ou piocher en divers points de l’exposé. David est vraiment un pédagogue étonnant – ce qui n’implique pas que j’ai tout bien compris ! – car expliquer à des béotiens comment les astrophysiciens mettent en équations les Pb. de l’univers ce n’est tout de même pas à la portée de n’importe qui …

  3. Il n’y a plus d »équations différentielles au programme de Terminale S depuis quelque temps maintenant…
    Super article, merci.

      • Pour le ressort on ne voit que l’énergie potentielle élastique et pour le pendule: sa période. Quand au circuit RLC on ne travaille pas sur les circuits électroniques en terminale S.

      • Ben c’est simple: on les fait plus… et nos mômes de TS ont un bac dans lequel il n’y a pratiquement aucune notion d’électricité….hé oui, moi aussi ça me déprime….

      • Rassurez-vous, même en école d’ingénieurs ils ne font plus les équadiffs.
        Enfin… peut-être qu’ils les font, mais j’en ai en stage, et… ils savent pas comment résoudre une équadiff du premier ordre, linéaire, homogène…

      • perso je suis en BTS, je viens de bac pro et je faisait des équations différentielles en terminal et j’en ai refait cette année mais on avait des cours spéciaux c’était pas au programme

      • C’est agréable de voir des gens qui ont une foi inébranlable dans la relève…
        J’ai passé mon Bac S en 2010 et les équa diff (bon, bien sûr, on commence par le début. Donc c’est 1er ordre, linéaire et homogène) étaient au programme, tout comme les circuits RLC en physique. C’était également toujours le cas en 2012. Venant voir les détracteurs, je parle bien évidemment du programme commun, donc sans parler des différentes spécialités.
        Il faudrait donc s’entendre sur « depuis quelque temps maintenant… » si c’est d’actualité, ou revoir ses sources.
        Cordialement.

  4. Superbe article, je vais suivre les suivants avec assiduité.

    Les commentaires et les réponses aux commentaires sont tout aussi bien (je vais creuser ce lien wikipedia!).

    Petite question (je ne suis pas physicien mais suis familier avec la résolution d’edp): dans l’équation d’Enstein, les indices $\mu$ et $\vu$ font certainement référence à des dérivées partielles (resp. en angle et fréquence?). Est ce exact?

    Autre question: je sais que vos billets sont des articles de vulgarisation mais j’aurais aimé mieux comprendre l’équation d’Einstein: par exemple, j’ai un pb pour fermer le système (je compte trois inconnues au moins R, g, T mais une seule équation… Sans doute est-elle écrite dans sa forme vectorielle?). Auriez-vous une référence (toute aussi accessible que vos articles, j’en doute!) pour m’éclairer?

    Merci d’avance, et encore félicitations pour vos articles et vidéos.

    • Oui j’ai vraiment pris un gros gros raccourci.

      Dans l’équation d’Einstein, il n’y a essentiellement qu’une variable qui est la métrique notée g_{\mu\nu}(M). Elle est définie en tout point M de l’espace-temps et c’est un tenseur, qu’on peut voir en gros comme une matrice 4×4 (mu et nu étant des indices qui courent sur ces 4 dimensions).

      Quand on a une métrique, on peut calculer deux tenseurs qui sont R_{\mu\nu} et R qui en gros représentent la courbure associée à la métrique g.

      T n’est pas vraiment une inconnue, c’est plutôt le terme source de l’équation.

      (Faudra que je fasse un billet pour expliquer l’équation d’Einstein !)

      • En fait je rajouterais que mu et nu sont des indices qui prennent des valeurs entre 0 et 3. Donc chaque mu et nu peuvent avoir 4 valeurs chacune, et donc l’équation d’Einstein devrait s’appeler les équations d’Einstein, puisque écrites comme cela, c’est en fait 16 équations.
        (En fait ce n’est pas vrai c’est plutôt 10 équations indépendantes, parce que le tenseur métrique est symétrique).

        On parle beaucoup de tenseur, mais c’est une quantité mathématique qui permet à partir des coordonnées de calculer une distance. Dans le cas d’un repère orthonormé, pour calculer la distance entre deux points A (xA,yA,zA) et B (xB,yB,zB) on écrit :
        AB² = (xA-xB)² + (yA-yB)² + (zA-zB)²
        en fait on n’a pas écrit les termes de la métrique :
        AB² = g11(xA-xB)² + g22(yA-yB)² + g33(zA-zB)²

        en fait les coefficients valent 1 (g11=g22=g33=1, et les termes croisés sont nuls, puisque l’on est dans un repère orthonormé). Et cette métrique est en fait… un produit scalaire des vecteurs de la base aux points considérés (g11 = e1.e1 = 1 ; g12 = e1.e2 = 0).

        Et pour finir, le tenseur de Ricci R_{\mu\nu} et l’invariant de courbure R s’obtiennent à partir de la métrique g_{\mu\nu} (en fait c’est un calcul un peu compliqué à partir de la dérivée seconde de g).

        J’espère ne pas avoir embrouillé Gaël, et ne pas avoir dit trop de bêtise.

  5. Billet très agréable à dire, bravo !

    Un sujet d’étonnement, toutefois : intuitivement, on aurait plutôt attendu que le facteur d’échelle diminue moins vite avec le temps (en arrière), parceque les distances étant plus faibles, l’attraction due à la gravité devait être plus forte. Ce qui correspondrait aussi à l’augmentation de vitesse d’expansion observée actuellement. Mais je présume que ceci sera éclairci dans la suite.

    Un point de détail sur l’homogénéité : si on examine par exemple une éponge domestique de bonne qualité, elle apparait homogène au premier abord, mais l’examen avec une loupe montre que ce n’est plus le cas à petite échelle. Il y a donc une référence d’échelle à spécifier pour qualifier une homogénéité…

    • Et bien moi, intuitivement, je pensais l’inverse, plus on remonte le temps, et plus le facteur d’échelle diminue rapidement.
      Prenons une balle que l’on jette en l’air. Tu es bien d’accord que à mesure que la balle monte, elle va décélérer ? En effet, elle est ralentie par l’attraction de la pesanteur.

      Déroulons le film à l’envers. On voit alors la balle tomber de plus en plus vite. C’est exactement le comportement du facteur d’échelle, quand tu remontes le temps, le facteur d’échelle diminue de plus en plus vite.

  6. Est-ce qu’il n’y aurait pas une coquille dans l’expression de a(t) ?
    Mes souvenirs remontent à trop loin, mais je crois avoir trouvé a(t) = (1-t/t0)^(2/3)

    En tout cas avec cette expression, je retrouve bien la courbe.

    En tout cas, j’attends avec impatience le volet 2.

  7. Super article !

    Je viens de me plonger dans l’article que tu viens de pointer sur la distance comobile. C’est aussi très intéressant car cela semble répondre à une question qui me trotte dans la tête depuis un certain temps : comment prendre en compte dans le calcul de distance (donc de vitesse et d’accélération) le fait qu’on ne sait observer que dans le passé de l’univers sur des grandeurs cosmologiques (en plus du fait que l’univers lui même est en expansion).
    Mais honnêtement, une fois avoir compris que ma réponse se trouve dans ce concept, j’avoue ne pas visualiser du tout ce que représente le temps cosmique. Ce temps cosmique peut-il être appréhendé en dehors d’équations mathématiques ?

    Sinon je serais pas mal intéressé par les fichiers Excel que tu présentes… Car j’avoue avoir essayé de refaire le fichier sans succès… Je dois me tromper quelque part dans la formule…

    Et pour ceux qui souhaitent en savoir plus sur les preuves expérimentales su Big Bang, je conseil cette très intéressantes conférence d’Huber Reeves (https://youtu.be/-bEjR6M3wKs).
    Vivement l’épisode 2 et l’épisode 3. Et merci de partager tes connaissances avec autant de talent !

  8. Et puis je rappelle à David que toutes les personnes qui ont vu la vidéo sur la théorie des cordes attendent avec impatience une présentation sur la gravitation quantique à boucles 🙂

  9. Pingback: Cosmologie 1 : le Big-Bang [avec Excel] | C@f&e...

  10. Un petit mot pour vous remercier de ces capsules mais puisque mon temps et surtout mon attention limitée (multiples projets en cours), je tenais à vous féliciter particulièrement pour les vidéos, que j’écoute religieusement, (alors que les textes je n’ai pas le temps). Finalement, vous êtes le premier qui me fait aimer la physique car grâce à votre vidéo sur la théorie des cordes, j’ai compris enfin qqch et je trouve maintenant ceci aussi fascinant que mes amis physiciens! Bonne continuité!

  11. Pingback: Physique quantique - lherbo | Pearltrees

  12. Merci pour ce blog et ce billet
    J’ai une question qui me turlupine depuis longtemps : quand nous regardons loin dans l’espace, nous regardons notre passé. Mais comment est-ce possible de regarder une lumière vieille de plusieurs milliards d’années alors que nous sommes déjà là ? Sommes-nous allés plus vite que la lumière ? (En espérant que ma question est claire)

  13. Super article! Juste pour parler des équa diff au lycée et en école d’ingé:
    Au lycée ( y a donc 4 ans pour moi ) j’ai vu les équations linéaire du premier ordre et du second ordre à coefficient constant. Je n’aurais pas pu résoudre celle ci , vu qu’elle n’est pas linéaire.
    – En classe préparatoire: je crois que j’ai appris les équations non linéaire du premier ordre à coefficient constant et les deux autres précédemment avec les coefficient variables, je crois aussi que j’avais vu des équations que l’ont peut résoudre par paramétrisation (peut être en khôles)

    -En première année d’écoles d’ingénieur j’ai vu ….. les produits en croix!!!!!
    Je pense qu’il y a un léger problème dans notre système scolaire parce que le produit en croix à été mon meilleur ami pendant pratiquement 1 an et demi en école d’ingé, bon il y avait bien une petite transformé de Fourier ou des produits de convolution, mais ce n’était pas la majorité. Cela c’était arrange en fin de première année avec des calculs de champs électromagnétique, mais ça n’a pas duré longtemps.
    Enfin de toute façon j’ai pas un hyper bon souvenir des équations différentiel vu que la majorité de l’exercice consiste à prouver que la solution existe plutôt que la calculer, et évidemment on en donne plein pour être sur que la notion est rentré. Et c’est comme pour tout, un moment j’ai saturé, mais c’est vrai que maintenant j’en fait parfois une de temps en temps.

  14.  » Le terme de gauche représente en gros la courbure en chaque point de l’espace-temps, tandis que celui de droite représente son contenu en masse et en énergie (T est appelé « le tenseur énergie-impulsion ») »

    Soit…la masse, courbure d’espace temps ?

  15. Pingback: Dossiers thématiques | Pearltrees

  16. « Soit…la masse, courbure d’espace temps? »
    Ce qui serait intéressant, si cette hypothèse se confirmait un jour, ce serait de savoir dans quelle circonstance la matière émerge. Serait-ce qu’elle aurait une limite topologique et donc une surface, miroir qui la distinguerait du principe (énergie ) dont elle émerge ?

  17. Pingback: Cosmologie 2 : forme et destin de l’Univers | Science étonnante

    • Bonjour et félicitations pour vos vidéos et vos articles très bien faits.
      Je suis professeur agrégé de mathématiques et donc un peu septique vis à vis des physiciens actuels qui prétendent être en mesure de pouvoir décrypter le cerveau de Dieu (véridique!!!).
      Pour moi, dix milliard d’années, c’est strictement impossible;en effet.notre soleil est une étoile jeune et pas trop grosse qui est toujours en train de fonctionner principalement à l’hydrogène et sa taille est insuffisante pour que même dans 5 milliard d’années se produisent des réactions nucléaires générant des métaux lourds.
      Par conséquent notre terre sur laquelle on trouve par exemple de l’uranium est beaucoup plus vielle que le soleil et est forcément issue de l’explosion d’une étoile géante.
      Compte tenu de la durée de vie d’une étoile géante qui a produit de tout, du voyage qu’a fait la terre pour trouver son étoile et de la durée de vie du système solaire,
      je suis désolé, messieurs les physiciens, mais vous ne savez compter que jusqu’à dix, et encore…

      • je suis désolé, messieurs les physiciens, mais vous ne savez compter que jusqu’à dix, et encore…

        Diantre quelle arrogance ! C’est quoi votre théorie au juste, je n’ai rien compris…

      • Bonjour,

        désolé pour l’arrogance, mais j’ai souvent été en désaccord avec des physiciens qui eux étaient un peu trop prétentieux et disaient des conneries.
        J’ai aussi des amis physiciens qui sont passionnants.
        Sinon, je n’ai pas dit qu’il n’y avait pas eu un big-bang, mais que cet éventuel truc n’a pu arriver il y a 10 milliard d’années et ma justification est très logique.
        Déjà,on ne sait rien sur la masse de l’univers, puisqu’on ne peut pas détecter les nuages de poussières interstellaires,, qu’on néglige également les planètes qui doivent exister à profusion dans toutes les galaxies et bien sûr il est très difficile d’estimer le nombre de trous noirs, nombre qui doit être astronomique.
        Donc tout ce qui fait intervenir la masse de l’univers n’a strictement aucun sens!
        Par contre, si on sait pas tout, on sait quand même comment est fabriquée la matière; c’est par fusion nucléaire, fusion qui en dehors des bombes H ,se produit dans les étoiles qui débutent leur carrière comme centrale H et fabriquent de l’hélium;puis, après un certain temps, lorsque la fusion hydrogène- hélium diminue faute de carburant, la pesanteur prend le dessus , l’étoile se contracte mais la pression devient tellement forte que de nouvelles réactions de fusion nucléaire deviennent possibles et notre étoile fabrique des éléments plus lourds et se décontracte.
        Il est clair que plus l’étoile est grosse au départ, plus elle sera capable, avant de mourir de fabriquer des éléments très lourds comme l’or, le plomb,voire même de l’uranium ou du berkélium.
        Voilà, je pense qu’avec ces explications, mon précédent développement devient plus compréhensible.

        Cordialement

      • Sur la masse de l’Univers, son âge et tout ce qui touche au modèle du Big Bang en général, je vous conseille d’aller jeter un oeil sur la manière dont les spectres de puissance des fluctuations du rayonnement cosmologique permettent de d’estimer ces paramètres de manière totalement spectaculaire (et croisé avec d’autres observations indépendantes)

        Sur les étoiles, il faut distinguer la nucléosynthèse stellaire classique qui va s’arrêter au fer ou au nickel, et les explosions de supernovas qui sont nécessaires pour aller au-delà. Une étoile « normale » ne va pas « normalement » produire de l’or, du plomb et encore moins du berkelium.

        (Sinon bien sûr qu’il y a des physiciens arrogants aussi 🙂
        Vous connaissez la différence entre Dieu et un physicien théoricien ?
        … Eh bien, Dieu, lui, ne s’est jamais pris pour un physicien théoricien !)

      • Bonsoir David’
        pour moi il n’y a pas eu un seul Big-Bang; Les trous noirs voraces au point a’avaler la lumière concentrent en un volume microscopique une quantité de matière, donc d’énergie , invraisemblable et quand il atteignent
        une masse critique relativement à sa taille, il explose tout comme une bombe H; Je pense donc que toute les Galaxies sont issue d’un big-bang et ont engendrés toutes les galaxies et par conséquent, comme l’oeuf et la poule, l’univers n’a pas eu de début et n’aura pas de fin; la nature a horreur du vide et et imaginer que l’univers est issu du vide, faut vraiment être con!
        Sinon pour moi le vrai génie de la physique est le mathématicien Sir Isaac NEWTON et qu’une de nos dernières médailles Fields, Jean-Christophe Yoccoz, a été récompensé pour avoir démontré la stabilité du système solaire; remarque, on s’en doutais un petit peu, mais fallait quand même le faire. Quant au physicien qui pense qu’une équation différentielle, qu’il ne saura jamais résoudre sauf s’il néglige la plupart des paramètres, peut décrire l’univers…..
        Merci Pour la petite blague.

      • Bonsoir,

        Je ne suis ni physicien, ni mathématicien, ni scientifique de profession mais je tique sur quelques concepts qui me semblent un peu parachutés comme « la nature à horreur du vide »… C’est une intuition ? Une vérité scientifique ? Un concept mathématique ?
        Par ailleurs, la notion de « vide » ne mérite-t-elle pas à elle seule que l’on s’y arrête car qu’est-ce que le vide pour vous ? et y a t-il un consensus scientifique pour affirmer que l’univers viens du vide (quelque soit sa définition) ?

        Comme David le dit dans son article, il semble que bon nombre de physiciens ne considèrent pas le big bang comme l’acte de création de l’univers mais plutôt comme un horizon observable…
        Du coup, je ne comprend pas trop votre véhémence (« vous ne savez compter que jusqu’à dix, et encore », « faut vraiment être con »…).

        Autre question de débutant, mais si on se retrouve avec une équation que l’on ne sait pas résoudre, doit-on pour autant s’arrêter à ce constat… ou bien tenter des approximations puis essayer de vérifier les résultats obtenus par l’expérience ne serait-il pas une démarche plus intéressante ?
        En effet, la dépendance de l’écoulement du temps en fonction de l’accélération a été le résultat d’un calcul mathématique bien avant d’être validé par l’observation, aurait-il fallu ne rien tenter intellectuellement ?
        C’est vrai, un résultat de calcul n’est rien qu’une théorie tant que l’observation ne confirme pas (et encore), mais les physiciens ont-ils dans leur ensemble oublié ceci ?

        Les trolls existent-ils vraiment ? 😉

        Désolé de poser des questions qui sont surement des questions de béotiens… mais je m’interroge…

        Bonne soirée.

      • Bonjour,

        Vous avez tout à fait raison de vous poser des questions;mais il y a ce que l’on sait et un tas de choses que l’on ignore; d’où mon soucis de tenter de faire des hypothèses crédibles;
        Dans l’univers connu,le vide n’existe pas, il y a toujours des poussières interstellaires qui se baladent partout;
        La relation E=mc² est et est très facile à comprendre; il suffit dé considérer un point matériel isolé dans l’espace; son énergie cinétique maximale est atteinte lorsque sa vitesse de translation vaut c ainsi que son énergie cinétique de rotation qui est maximale lorsque il tourne sur lui même avec une vitesse angulaire égale à c; un calcul élémentaire fournit E=1/2mc²+1/2mc²=mc².
        Et par conséquent lorsque l’on se rapproche la célérité de la lumière, tout est modifié,la longueur, la masse et une seconde devient une éternité.
        Quant aux trolls, je n’en sait strictement rien!

        Bonne journée

  18. Pingback: L’énergie du vide : la plus grosse erreur de toute l’histoire de la physique [Vidéo] | Science étonnante

  19. Bonjour à tous,

    Une chose m’échappe quant à l’âge de l’univers: si on admet que le big bang correspond à un état très dense et très chaud de l’univers, alors le temps lui-même devrait être affecté par cet état de la matière: si j’ai bien entendu ce que dit la théorie de la relativité générale la densité de la matière tend à ralentir l’écoulement du temps, pourtant je n’ai jamais vu cet effet pris en compte dans une description de l’univers en expansion dont il semble établi qu’il aurait 13 ou 14 milliard d’années.
    J’arrive à imaginer un temps qui s’accélère au fur et à mesure que la densité de l’univers décroit, mais il me semble que si l’on assigne une densité infinie à l’univers à l’instant du big bang alors cet instant doit toujours se trouver dans le passé. Je ne sais pas si je suis clair mais je lirai vos réponses avec intérêt.

    • Bonjour,
      En fait il faut faire attention quand on manipule cette idée de « temps qui ralentit ». Le temps ne ralentit pas de manière absolue par rapport à un truc fixe. En relativité générale, la seule chose qu’on puisse faire, c’est comparer l’écoulement du temps le long de deux trajectoires qui partent et finissent au même point de l’espace-temps.
      C’est ce qu’on fait dans le paradoxe des jumeaux, et aussi dans le paradoxe des jumeaux « gravitationnel » (type Interstellar).

      • L’intérêt de poser cette question c’est qu’elle m’a permis de me rendre compte qu’elle posait de toute façon une contradiction: parler de la vitesse d’écoulement du temps suppose que l’on divise quelque chose par le temps lui même (genre D/T) ce qui ramené au temps indique effectivement toujours 1.

    • C’est une remarque qui me paraît très intelligente et qui va dans le sens d’un univers beaucoup plus vieux pour d’autres raisons qui sont des obligations; seul point de discordance, j’attribuerais 15 milliards non pas à l’univers, mais à notre galaxie? Pour moi l’univers a toujours existé et ce sont les galaxies qui passent un jour par l’état de trou noir, histoire de refaire le plein d’énergie un peu comme un accus et il y a un moment où les forces électriques prennent l’ascendant sur les forces nucléaires et la pesanteur, enfin, théorie simple mais qui se tient.
      Quant le trou noir devient aussi gros qu’une tête d’épingle il ne doit rester que des protons et des neutrons; quant au temps, si la lumière ne vieillit pas, le trou noir…
      Peut être auront nous le temps, dans le cadre de notre ridicule petite vie, d’assister à la renaissance d’une galaxie?

      Cordialement

      • C’est gentil mais comme le fait remarquer David on ne peut pas parler de vitesse du temps…sans se référer au temps lui-même. C’est donc juste un raisonnement heuristique qui vient de tomber dans un piège du langage.

      • Bonjour Vincent,

        Tu sera d’accord que la lumière visible ne vieillit pas; mais que se passe-t’il lorsque la lumière est absorbée par un trou noir (et à mon avis des trous noirs, il y en a beaucoup,ce qui fait d’ailleurs que toute estimation de la masse de l’univers est stupide);eh bien,cette lumière vieillit très rapidement puisque sa vitesse devient nulle et quelle est transformée en énergie.
        De toute façon, la notion d’espace temps n’a pas beaucoup de sens. je rappelle que les 2 principales découvertes, à savoir la loi de la gravitation universelle et E=MC² sont remarquable par leur simplicité.

      • Eh paquintin007, toi qui a une théorie sur tout, les dinosaures, l’univers, le vide…est ce que tu pourrais me donner ton avis sur l’Atlantide et le triangle des Bermudes parce que ça m’intéresse beaucoup. A mon avis y’a une histoire de champs magnétiques là dessous. T’en penses quoi?

        PS : dommage qu’il n’y ait pas assez de prix Nobel pour récompenser les génies comme toi, capables de faire une théorie simple mais qui se tient et on s’en fout des preuves scientifiques, de toute façon les autres sont des cons.

      • Ce sont juste des hypothèses pas forcément si absurdes, en aucun cas des théories scientifiques. Tant qu’on ne saura pas la vérité, on aura le droit d’avoir un avis, fut il bien modeste.

  20. Pingback: Cosmologie 3 : la constante cosmologique | Science étonnante

  21. Pingback: Cosmologie 3 : la constante cosmologique Actualités

  22. Bonjour.

    Histoire d’en finir avec la question des « équa diff au lycée » :
    * effectivement, il n’y a plus d’équations différentielles au programme de TS, depuis les nouveaux programmes de la rentrée 2012.
    * il reste des équations différentielles ( y’+ay=b avec a,b des constantes et y »+w²y=0) au programme de terminale STI2D (ancien bac STI);
    * oui, les professeurs de physique de post-bac, notamment en prépa, s’arrachent les cheveux du fait que les élèves arrivant de TS n’aient vu ni les équa diff, ni aucune notion d’électricité. J’en parlais avec l’un d’entre eux hier encore. Au passage, je suis prof de maths dans un lycée.

    Enfin, à propos du blog science étonnante, j’en suis devenu un lecteur depuis quelques années, et je le trouve simplement fantastique : c’est à la fois hautement intéressant et limpide. Et avec une grande variété de thèmes et de problématiques (théoriques ou plus pragmatiques). Même si je n’ai pas toujours le temps de venir très régulièrement, je n’oublie jamais d’y revenir pour y trouver de nouveaux articles. Les vidéos sont également très bien. Je ne sais pas comment tu trouves le temps de faire tout ça en marge de ta propre vie, David, mais j’espère que tu continueras très longtemps. Un grand merci, donc, pour ton travail et ta passion.

  23. Pingback: Jasselineau | Pearltrees

  24. Pingback: Science - divers | Pearltrees

  25. Tout d’abord, super article, merci! Je ne comprend pas commet le soleil déforme l espace pour permettre a la terre de tourner autour si le soleil n est pas attire vers le bas lui même

      • Eh bien tant mieux !
        Il y a un truc chiant avec ces équations c’est de savoir si on prend « a » sans dimension ou avec la dimension d’un rayon, et à une époque la page wikipédia n’était pas consistante quant à la convention choisie.

  26. Toute une discussion sur le Big Bang et pas un mot sur Georges Lemaître ! Inoui !
    Heureusement qu’il y a des Jean-Pierre Luminet , James Peebles ,… pour rendre à César ce qui appartient à César !

  27. Pingback: La gravité quantique à boucles | Science étonnante

  28. Pingback: La gravité quantique à boucles |

  29. Le Big bang est un sujet formidable; mais les équations m’ont toujours laissé « bouche bée ». Par contre les données de base des équations m’intéressent énormément. Ce qui m’interpelle un peu est de m’obliger d’accepter que l’univers soit homogène et isotrope; parce que :

    Homogène:
    Que l’on tente de l’observer de n’importe quelle façon, l’univers n’est pas du tout homogène. Tout n’y est pas de même « nature » et tout n’y est pas distribué uniformément.

    Isotrope:
    Non plus, car l’univers ne présente pas les mêmes propriétés dans toutes les directions. Il est « bourré » d’anisotropies ce qui élimine l’isotropie; enfin je pense.

    Donc, comme tu le dis si bien David,
    « l’Univers n’est évidemment ni homogène ni isotrope, puisqu’il existe des régions riches en étoiles (les galaxies), et même des secteurs entiers de l’Univers contenant beaucoup plus de galaxies que les autres. Mais bon, pour prétendre modéliser l’Univers dans son ensemble, il faut bien faire quelques simplifications : alors supposons un Univers homogène et isotrope. »

    Dans ce cas, tu conviendras qu’on ne parle plus de l’univers observé; on parle d’un univers à la Harry Potter. Mais je suis d’accord avec toi, l’univers n’est pas du tout , ni isotrope, ni homogène.

    « Maintenant comment l’Univers peut-il évoluer dans le temps ? Eh bien il n’y a pas 36 solutions : si on veut qu’il reste homogène et isotrope, il ne peut pas se déformer localement. »

    Mais comme il n’est ni isotrope, ni homogène, on observe qu’il est effectivement déformé localement. On voit très bien des volumes d’espace-temps qui ne prennent pas d’expansion (galaxies) qui sont, sans conteste, des déformations « locales » dans l’espace-temps universel. Évidemment, on ne parle ici que des « faits » observés et non des « interprétations » provoquées par les données scientifiques pour l’instant en vogue et acceptées.

    « Cette équation (de Friedmann) prédit donc que l’Univers peut être en contraction ou en expansion ! »

    Fabuleux! Le constat est exact malgré les données fausses. Bof ça arrive parfois face à la réalité incontournable. 🙂

    « l’Univers était dans un état extrêmement contracté par rapport à aujourd’hui. Il était également très dense et très chaud : c’est cela que l’on appelle le Big Bang. »

    « Contracté » c’est une façon de voir; mais puisque nous regardons dans le passé, si on se ramène à cette époque, on constate simplement que la densité énergétique est supérieure à celle d’aujourd’hui; ce qui explique la différence de chaleur.

    En fait, au moment du Big bang, la densité est à son maximum. Ce qui semblerait signifier qu’elle ne peut plus augmenter de densité et que c’est ce qui a provoqué le Big bang. J’ai l’impression que je dois m’expliquer un peu plus, si vous le permettez.

    Au départ, refuser la fin d’une augmentation de densité, c’est quasiment accepter l’intervention divine installant un maximum d’énergie sans cause antérieure. Ce qui obligerait les athées de n’en pas parler. Mais comme je veux en parler pour faire disparaître cette gêne des athées; je recommande aux curés de s’abstenir de lire le reste de mon explication, s’il vous plaît.

    Question: Comment puis-je dire que la densité énergétique ne peut plus augmenter au moment du Big bang, si celui-ci est au début de tout?

    La réponse est que le fameux Big bang n’est pas au début de tout, du tout. Le Big bang est la manifestation (ou l’apparition) du « volume » initial de notre univers espace-temps. Et ce volume ne peut avoir un diamètre inférieur à la dimension de Planck (10^-35 m) qui est la plus petite dimension possible dans l’univers. Cette dimension se retrouve à l’instant de Planck soit à 10^-43 sec après l’instant = zéro. C’est donc là, la date du Big bang.

    On comprend alors que l’augmentation énergétique dont on a constaté l’effet (Big bang) s’est déroulée durant ce que l’on appelle « l’ère de Planck ». Lorsque le maximum possible d’augmentation énergétique fut atteint, le tout subit alors une transition de phase que Fred Hoyle a appelé Big bang par dérision. Cela ne peut évidemment pas se répéter aujourd’hui; mais, comme je dis toujours, je peux faire erreur. 🙂
    Cette transition de phase a résulté en période radiative qu’a démontré. l’un des résultats du satellite PLANCK. On peut évidemment élaborer mais je m’en priverai ici.

    « Ce que nous montrent les observations et les équations, c’est que l’histoire de l’Univers est celle d’une expansion progressive à partir d’un état fabuleusement dense et chaud, mais elles ne nous disent rien sur la naissance de l’Univers, sa création ou que-sais-je-encore. »

    Parfaitement d’accord avec toi David; mais « l’objectivité raisonnée » (et raisonnable) de l’événement Big bang nous donne des informations importantes que ne peut pas fournir le « raisonnement objectif ». Contraindre la raison à l’objet est moins « raisonnable » et moins productif que de contraindre l’objet à la raison. Mais je peux faire erreur.
    Bravo pour l’article abordé avec les équations. C’est, pour moi, étonnamment compréhensible. Merci.
    Sincèrement

  30. Il y a un élément quant à la constante de Hubble qui me perturbe:
    L’univers va un jour atteindre une dimension telle, que v=H*D>c, pour D représentant la distance entre 2 galaxies très (les plus) éloignées. Est-ce que cet aspect est apparait dans la théorie?

    Sincèrement

  31. Pingback: D’après Aurélien Barrau, Univers multiples. La gravitation quantique chapitre 9) | Thomassonjeanmicl's Blog

  32. Bonsoir
    Merci pour vos vidéos et blogs, j’ai découvert votre chaîne Youtube, il y a 2 ou 3 semaines et franchement je la trouve bien. Particulièrement les parties sur la physique et « crétin de cerveau ».
    Je vous remercie pour ce que vous faites et j’ai compris que cela vous prend bcp de temps pour réaliser tout ça.

    Je ne sais pas, David, si vous allez me lire comme ce billet est assez vieux (2 ans), mais je vais laisser un commentaire plutôt différents des autres, j’espère que ça ne va pas faire troller les gens.
    Il y a, à mon sens, une preuve de l’existence du big bang, vieille de 1400 ans ! dans le… Coran :
    Je vous donne la Ayat 30 / Sourat 21 et la traduction :
    أَوَلَمْ يَرَ الَّذِينَ كَفَرُوا أَنَّ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ كَانَتَا رَتْقًا فَفَتَقْنَاهُمَا ۖ وَجَعَلْنَا مِنَ الْمَاءِ كُلَّ شَيْءٍ حَيٍّ ۖ أَفَلَا يُؤْمِنُونَ٠
    [٢١:٣٠]
    Ceux qui ont mécru, n’ont-ils pas vu que les cieux et la terre formaient une masse compacte ? Ensuite Nous les avons séparés et fait de l’eau toute chose vivante. Ne croiront-ils donc pas ?
    ﴿٣٠﴾

    Pour ceux qui veulent lire, y a un super outil à télécharger pour Windows, qui permet de lire, faire de la recherche et afficher les traductions également : Zekr

    Bon, je ne trouve pas que la traduction « masse compacte » tout à fait complète par rapport au mot arabe « ratkan », qui à mon sens, exprime vraiment la compacité de l’univers tout entier, vraiment à l’image expliquée.

    Je pense que si les distances entres les orbites des électrons et le noyau de tous les atomes de l’univers ainsi que les distances entre atomes se réduisent énormément (par une force qu’on ne comprend pas encore) on pourrait arriver à une compacité de type trou noir et même à l’origine du Big Bang.
    Ceux qui veulent se lancer dans des calculs pourraient s’intéresser à regarder pour les différents éléments de la matière : regarder les libres parcours moyens, les distances entres atomes de structures amorphes, cristallines, liquides, plasma,… puis les rapports des distances entres les electrons, P, N d’un atome par rapport à leur rayons respectifs… regarder aussi le niveau d’énergie nécessaire pour faire écrouler tout ça

    voilà, j’espère que vous n’êtes pas réticent à regarder même des aspects théologiques et voir que cela n’est pas en contradiction avec les découvertes scientifiques de notre époque.

    Bonne soirée

  33. Pingback: Le rayonnement cosmologique | Science étonnante

  34. Bonjour,
    tout d’abord merci beaucoup pour votre travail, c’est vraiment une chance pour nous. Ensuite j’aimerais savoir comment l’ajout de la constante cosmologique permet a Einstein de prédire que l’univers est statique et à nos physiciens actuels que l’univers est en expension.

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s