Qu’est-ce que le Big Bang ?

Il y a environ 13,8 milliards d’années, notre univers était très différent de ce qu’il est aujourd’hui. Il n’y avait pas de galaxies, d’étoiles, de planètes, ou même d’atomes, mais un plasma extrêmement chaud et dense de particules élémentaires, tels les quarks et les photons, en interaction les unes avec les autres. C’est cette phase extrêmement chaude et dense de l’univers qu’on appelle le Big Bang. Par la suite, l’univers s’est refroidi tout en se dilatant, créant ainsi les conditions physiques favorables pour la formation de protons et neutrons, ensuite de noyaux légers et éventuellement, d’atomes. Les atomes apparaissent environ 380,000 ans après le Big Bang, soit extrêmement tôt dans l’évolution de l’univers. À cette date, notre univers devint transparent à sa propre lumière car contrairement aux particules chargées, les atomes sont transparents à la lumière. Bien plus tard, ce sont les premières étoiles et les galaxies qui se formèrent. Il y a 4,5 milliards d’années, se forma notre système solaire.  Il y a environ 2 millions d’années, les premiers humains émergèrent sur terre. Il y a 24 ans, on découvrit que notre univers est en expansion accélérée. 

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Mais comment sait-on cela ? En science, on ne peut raconter une histoire de l’univers hors d’un cadre théorique à la fois mathématiquement rigoureux et soutenu par des observations. C’est en regardant le ciel qu’on observe l’univers. Les anciens observaient le ciel à l’œil nu. Aujourd’hui, on utilise un télescope. Mais notre œil ne peut voir qu’une très petite plage de longueurs d’onde de lumière, ce qu’on appelle la lumière visible. Les télescopes modernes nous permettent de « voir » le cosmos avec une large gamme de longueurs d’ondes de lumière : des rayons gamma jusqu’aux ondes radio, en passant par les micro-ondes. Les rayons gamma, les ondes radio ou les micro-ondes ont exactement la nature de la lumière visible : elles sont toutes des ondes électromagnétiques. Ce qui les distingue, ce sont leurs différentes longueurs d’onde. 

La lumière se propage dans le vide à une vitesse de 300,000 km par seconde, vitesse phénoménale comparée aux vitesses habituelles (vélos, autos, avions, etc.) sur terre. Ainsi, à l’échelle terrestre, la lumière se propage quasi-instantanément. Ce n’est plus le cas à l’échelle astronomique. Déjà pour parvenir jusqu’à nous depuis le soleil, la lumière prend 8 minutes. Et de la galaxie la plus proche, Andromède, elle prend 2.5 millions d’années pour parvenir jusqu’à nous. Donc, on voit en ce moment le soleil tel qu’il était il y a 8 minutes et Andromède comme elle était il y a 2.5 millions d’années. La lumière est donc bien un messager venant du passé. 

D’autre part, la couleur de la lumière nous renseigne sur la vitesse de l’objet qui l’émet. Plus ce dernier s’éloigne de nous rapidement, plus sa lumière devient rouge. On nomme ce phénomène le décalage vers le rouge. C’est ainsi que Hubble découvrit que les galaxies lointaines s’éloignent de nous d’autant plus rapidement qu’elles sont lointaines. Plus précisément, la vitesse de récession est directement proportionnelle à la distance. C’est la loi de Hubble. On peut imaginer que si les galaxies s’éloignent de nous, il y a eu un moment dans notre passé lorsque la matière qui les constitue était toute concentrée dans un très petit volume. On serait même tenté de penser que ce petit volume serait le centre de l’univers. Le centre d’une sorte d’explosion de matière qu’on appellerait le Big Bang. Mais ceci n’est pas vrai. 

La relativité générale d’Einstein

Le Big Bang n’est pas une explosion dans un espace préexistant. Il s’agit d’une expansion intrinsèque de l’espace lui-même. Cette notion d’élasticité de l’espace, plus précisément de l’espace-temps, comme s’il s’agissait d’un matériau élastique, découle de la théorie de la relativité générale d’Einstein. La relativité générale d’Einstein est une théorie de la gravitation qui surpasse celle de Newton. Pour Newton, il existe un temps absolu, distinct de l’espace, aussi absolu, dont les propriétés ne dépendent pas de ce qu’il contient. Einstein abandonne le temps et l’espace absolus pour les remplacer par un espace-temps absolu. Mais Einstein nous dit aussi que la géométrie de l’espace-temps varie en fonction de la densité d’énergie qu’il contient. La gravitation n’est pas une force selon Einstein mais la manifestation d’une déformation de la géométrie de l’espace-temps. Par exemple, le soleil courbe l’espace-temps en son voisinage et les planètes suivent les « chemins les plus courts » dictés par cette géométrie de l’espace-temps. La relativité générale d’Einstein a été rigoureusement testée expérimentalement à maintes reprises. Par exemple, notre GPS ne maintiendrait pas sa précision au cours du temps si la relativité d’Einstein n’était pas prise en compte. La relativité générale prédit aussi l’existence d’ondes gravitationnelles, c.-à-d. des vibrations de l’espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière.  À 09 :51 GMT le 14 septembre 2015, les détecteurs de LIGO ont, pour la première fois, détecté le signal d’une onde gravitationnelle provenant d’une collision entre deux trous noirs à 1,3 milliard d’années-lumière de la terre.  Et le profil du signal observé est en accord avec la prédiction de la relativité générale. 

Ainsi si le Big Bang a eu lieu là où nous sommes aujourd’hui sur terre, il a aussi eu lieu là où se trouve n’importe quelle autre galaxie aujourd’hui. En effet, si la loi de Hubble est valable pour nous, elle l’est aussi pour n’importe quelle autre galaxie. Dans ce sens, on peut dire que le Big Bang a eu lieu partout dans l’univers. Puisqu’on regarde le passé en observant le ciel, donc on devrait être capable de « voir » le Big Bang en pointant notre télescope n’importe où dans le ciel. C’est bien le cas. Plus précisément, on voit la lumière qui émane du découplage entre lumière et atomes, soit 380,000 ans après le Big Bang. Cette lumière vieille de presque 13,8 milliards d’années, arrive à nous sous forme de micro-ondes de n’importe quelle direction dans le ciel. Observer ce rayonnement dit fossile, c’est littéralement regarder le Big Bang en face. 

D’abord conçue pour dire comment la gravitation influence l’évolution d’objets physiques dans l’univers, la relativité générale nous permet aussi de décrire l’évolution de l’univers lui-même en tant qu’objet physique. L’univers devient alors synonyme d’espace-temps lié de façon dynamique à son contenu. Pour ce faire, il faut supposer que l’univers est homogène et isotrope, c.-à-d. qu’il n’y a pas de lieu ou de direction privilégiée dans l’univers. On nomme cette hypothèse d’homogénéité et d’isotropie le principe cosmologique. Nos observations montrent, qu’à très grande échelle, l’univers est bien homogène et isotrope. Lorsqu’on parle de l’âge de l’univers, c’est la durée mesurée par un observateur pour lequel le principe cosmologique est vérifié. 

Selon les équations d’Einstein, pour un univers en expansion, il existe un instant dans le passé, l’instant ou t=0, lorsque la distance entre n’importe quels deux points dans l’espace devient nulle. C’est la singularité initiale, ou le volume de l’espace devient nul et la densité d’énergie infinie. C’est ce que prédit la relativité générale. Mais on sait aussi que la relativité générale ne tient pas compte des effets quantiques, et donc que ses prédictions ne seraient plus valides à la singularité initiale. Donc, la physique de la singularité initiale nous échappera tant qu’on n’aura pas élaboré une théorie de la gravitation compatible avec la physique quantique. Mais ce qu’on peut affirmer avec quasi-certitude, c’est que, quelques nanosecondes après la singularité initiale, l’univers était un plasma extrêmement dense et chaud de particules élémentaires et que depuis il s’est dilaté tout en se refroidissant, permettant ainsi la cristallisation de structures, telles les étoiles, les galaxies etc. C’est cela qu’on appelle la cosmologie du Big Bang. 

La géométrie de l’espace-temps, et donc l’expansion de l’espace, est régie par la densité d’énergie dans l’univers. Et la matière ordinaire est loin d’être suffisante pour expliquer l’évolution de notre univers. Il faut aussi tenir compte de la matière sombre, celle qui n’est pas visible dans nos télescopes, mais dont les effets gravitationnels sont bien connus. Il faut aussi tenir compte de l’énergie sombre pour expliquer l’accélération de l’expansion. Toutes les observations prises en considération, on conclut que notre univers doit être constitué d’environ 5% de matière ordinaire, visible dans nos télescopes, et de 27% de matière sombre. Le reste, 69%, serait l’énergie sombre. Mis à part leurs effets gravitationnels, on ne sait pas de quoi est constituée la matière sombre. On espère d’ailleurs découvrir de nouvelles particules élémentaires au Grand Collisionneur de Hadrons au Cern qui seraient de possibles candidats pour la matière sombre. Quant à l’énergie sombre, sa nature demeure une des grandes énigmes de la physique contemporaine. 

Carnegie African Diaspora Fellowship Program (CADFP)

Ruben Sandapen/Acadia University selected to work with the University of Mauritius

Carnegie African Diaspora Fellowship Program to Support Projects in Africa.

Professor Ruben Sandapen from Acadia University (Canada) was awarded a fellowship by the Carnegie African Diaspora Fellowship Program to travel to Mauritius to collaborate with Dr. Nitin Rughoonauth (University of Mauritius)  on a theoretical particle physics research project and to mentor students. 

The research project focuses on establishing the holographic link between two equations derived in different limits of Quantum Chromodynamics, the theory of the strong interaction between quarks. 

The University of Mauritius project is one of 63 newly projects that pair African Diaspora scholars with higher education institutions and collaborators in Africa to work together on curriculum co-development, collaborative research, graduate training and mentoring activities in 2023.

The Carnegie African Diaspora Fellowship Program, now in its tenth year, is designed to strengthen capacity at the host institutions and develop long-term, mutually-beneficial collaborations between universities in Africa and the United States and Canada. It is funded by Carnegie Corporation of New York and managed by the Institute of International Education (IIE) in collaboration the Association of African Universities (AAU). Nearly 600 African Diaspora Fellowships have now been awarded for scholars to travel to Africa since the program’s inception in 2013.

Fellowships match host universities with African-born scholars and cover the expenses for project visits of between 14 and 90 days, including transportation, a daily stipend, and the cost of obtaining visas and health insurance.

See a full list of newly selected projects, hosts and scholars. 

Please direct all questions related to the application process to AfricanDiaspora@iie.org

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