Genèse de l’Univers
Selon plusieurs estimations, l'âge de l'Univers serait d'environ 13,77 milliards d'années.
La formation de l'Univers commence par l'ère du rayonnement, suivie de l'ère de la matière.
À la suite de cette période de l'Univers primordial, l’évolution traverse une phase conforme à ce que l’on connaît de la physique des particules : une phase où les premiers protons, électrons et neutrons se forment, suivis des noyaux atomiques et enfin des atomes.
Le rayonnement micro-onde du fond diffus cosmologique a été émis lors de la formation de l’hydrogène neutre.
La matière a ensuite continué de s’agréger avec la formation des premières étoiles et, finalement, des galaxies, des quasars et des amas et superamas de galaxies.
Ce tableau récapitule les grandes étapes de l'histoire de l'Univers, depuis l’instant zéro jusqu’à nos jours
L'inflation cosmique (10⁻³⁶ à 10⁻³² seconde) est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang lors duquel une région de l’Univers comprenant l’Univers observable a connu une phase d’expansion très rapide qui lui aurait permis de grossir d'un facteur considérable : au moins 1026 en un temps extrêmement bref, compris entre 10-36 et 10-33 secondes après le Big Bang.
La nucléosynthèse primordiale (~3 minutes) est un événement de nucléosynthèse (c'est-à-dire de synthèse de noyaux atomiques) qui, selon la théorie du Big Bang, s'est déroulé dans tout l’Univers pendant les premières dizaines de minutes de son histoire, dans un intervalle de temps compris entre 10 s et 20 min.
La nucléosynthèse primordiale a produit l'essentiel du deutérium, de l'hélium 3 et de l'hélium, et une faible proportion de lithium, de béryllium et de bore. Les autres noyaux, hormis le protium qui ne requiert aucune synthèse, sont le produit de la nucléosynthèse stellaire, beaucoup plus tardive et toujours en cours, et la majeure partie du lithium, du béryllium et du bore provient de réactions de spallation, également dans les étoiles.
La spallation est une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau atomique est frappé par une particule incidente (neutron, proton...) ou une onde électromagnétique de grande énergie (à partir de 50 MeV et jusqu'à quelques GeV). Sous la violence de l'impact, le noyau cible se décompose en produisant des jets de particules plus légères (neutrons, protons, ou noyau léger de deutérium ou d'hélium, voire de lithium).
L'INFLATION COSMIQUE
En cosmologie, la recombinaison, (~380 000 ans ) désigne la formation des atomes neutres par association des électrons et des noyaux atomiques, précédemment indépendants les uns des autres. Ce phénomène se produit au moment où la température de l’Univers descend en dessous du seuil sous lequel l'énergie moyenne des photons les plus énergétiques est en dessous de l'énergie d'ionisation de l'atome considéré.
À l'époque de la recombinaison, les seuls noyaux atomiques présents dans l'Univers sont l'hydrogène, l'hélium et des traces de lithium. Le lithium se recombine (partiellement) avant l'hélium, lui-même se recombinant avant l'hydrogène.
Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique très homogène qui remplit tout l’espace dans l’Univers observable. Son pic d’émission est situé dans le domaine des micro-ondes. Il est qualifié de diffus parce qu'il ne provient pas d'une ou de plusieurs sources localisées.
Ce rayonnement a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang (ce qui fait qu'on l'appelle aussi rayonnement fossile), alors que l’Univers observable était encore beaucoup plus petit, dense et chaud (de l'ordre de 3 000 K) qu'aujourd'hui.
Dilué et refroidi par l’expansion de l’Univers, il possède désormais une température moyenne très basse, de l'ordre de 3 K. Le fond diffus cosmologique est très étudié depuis sa découverte pour deux raisons : il correspond à la plus vieille image électromagnétique qu'il est possible d'obtenir de l'Univers et il présente d'infimes variations de température et d'intensité selon la direction observée, des anisotropies détaillées depuis le début des années 1990 qui permettent de recueillir quantité d'informations sur la structure, l'âge et l'évolution de l'Univers.
Cette carte montre les fluctuations ou anisotropies de températures de l'Univers primordial. « Les régions bleues sont les plus froides, alors que les rouges sont les plus chaudes. La différence maximale de température est de l'ordre de 0,000 1 °C. » Ces « légères fluctuations [seraient] le reflet de la première variation de densité à l'origine des galaxies » et des amas de galaxies. Photomontage de clichés pris par le télescope spatial Planck.
Le rayonnement micro-onde du fond diffus cosmologique (Planck)
Les âges sombres, est l'époque de l'histoire de l’Univers située entre l'émission du fond diffus cosmologique et l'allumage de la première génération d’étoiles.
Durant cette période, aucun processus astrophysique ne permet de produire de rayonnement électromagnétique. Il n'existe donc aucun moyen de sonder l'état de l'Univers à ces époques.
C'est durant la période des âges sombres qu'a commencé la formation des grandes stuctures.
L'Univers était un gaz diffus d'hydrogène et d'hélium qui se rassemblait pour former les premières galaxies. L'allumage des premières étoiles marque la réonisation du gaz et la fin des âges sombres.
L’histoire de l’Univers selon le modèle du Big Bang
Formation des étoiles (100-300 millions d’années)
Fin des « âges sombres », réionisation
Les premières étoiles, très probablement de population III, se forment et commencent le processus de transmutation des éléments chimiques les plus légers (hydrogène, hélium et lithium) en éléments plus lourds. Cependant, jusqu'à ce jour, aucune étoile de population III n'a été observée, ce qui maintient le mystère sur leur formation.
Formation des galaxies
Un grand volume de matière s'effondre et forme une galaxie. Les étoiles de population II, les premières à se former lors de ce processus, sont suivies ultérieurement par des étoiles de population I.
Les étoiles de population II sont une classe d’étoiles de la Voie Lactée très vieilles, pauvres en métaux et formées avant le disque galactique. Elles appartiennent principalement au halo galactique et leur âge varie d'environ 11 à 13,5 milliards d'années. On en connaît environ une centaine.
Etoiles de population I, plus jeunes et plus riches en métaux, beaucoup plus anciennes et dont aucune n'a été détectée.
Formation des galaxies
Un grand volume de matière s'effondre et forme une galaxie. Les étoiles de population II, les premières à se former lors de ce processus, sont suivies ultérieurement par des étoiles de population I .
Un projet mené par Johannes Schedler a identifié un quasar (CFHQS 1641+3755) situé à 12,7 milliards d’al (année-lumière), c'est-à-dire à une distance où nous voyons l'Univers alors qu'il n'était âgé que de 7 % de son âge d'aujourd'hui.
Un quasar est un trou noir supermassif au centre d'une région extrêmement lumineuse (noyau actif de galaxie). Les quasars sont les entités les plus lumineuses de l'Univers.
Le 11 juillet 2007, Richard Ellis et son équipe, du Caltech de Pasadena en Californie, ont trouvé six galaxies en phase de formation d'étoiles à une distance de l'ordre de 13,2 milliards d'al, donc lorsque l'Univers n'était âgé que de 500 millions d'années.
On ne connait aujourd'hui qu'une dizaine de ces objets relevant réellement de l'Univers primordial.
Le champ profond de Hubble montre des petites galaxies en cours de fusion pour en former une plus grande, situées à 13 milliards d'années lumière, alors que l'Univers n'avait que 5 % de son âge actuel.
En se fondant sur la nouvelle science de la nucléocosmochronologie, on estime que le disque fin de la Voie Lactée s'est formé il y a 8,3 ± 1,8 milliards d'années.
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D'où viennent les galaxies ?
Formation des groupes, amas et superamas de galaxies
L’attraction gravitationnelle attire les galaxies les unes vers les autres pour former des groupes, des amas et des superamas.
Formation de notre système solaire : 8 milliards d'années
Les objets de la taille du Système solaire se forment. Le soleil est une étoile de génération tardive, qui incorpore des débris de nombreuses générations antérieures d’étoiles, et il s’est formé il y a approximativement 5 milliards d’années soit approximativement 8 à 9 milliards d’années après le Big Bang.
Aujourd'hui : 13,8 milliards d'années
Les meilleures estimations actuelles situent l'âge de l’Univers aujourd’hui à environ 13,8 milliards d’années depuis le Big Bang.
Comme l’expansion de l’Univers présente une accélération, les superamas sont susceptibles de demeurer les plus grandes structures qui se seront jamais formées dans l’Univers. L’expansion accélérée actuelle empêche toute structure inflationnaire complémentaire de pénétrer en deçà de l’horizon et empêche toute formation de nouvelles structures liées gravitationnellement.
Genèse de l’Univers
"L'Univers, pour autant que nous puissions l'observer, est un moteur merveilleux et immense ; son étendue, son ordre, sa beauté, sa cruauté, le rendent tout aussi impressionnant. "
George Santayana
(écrivain et philosophe américano-hispanique)