En ce qui concerne nos origines cosmiques, un certain nombre de théories ont été avancées au cours de l'histoire. Littéralement, chaque culture qui a jamais existé a sa propre tradition mythologique, qui comprend naturellement une histoire de la création. Avec la naissance de la tradition scientifique, les scientifiques ont commencé à comprendre l'Univers en termes de lois physiques qui pouvaient être testées et prouvées.
À l'aube de l'ère spatiale, les scientifiques ont commencé à tester les théories cosmologiques en termes de phénomènes observables. De tout cela, un certain nombre de théories ont émergé dans la seconde moitié du 20e siècle qui tentaient d'expliquer comment toute la matière et les lois physiques qui la régissaient. Parmi celles-ci, la théorie du Big Bang reste la plus largement acceptée tandis que l'hypothèse de l'état stable a toujours été son plus grand challenger.
Le modèle en régime permanent indique que la densité de la matière dans l'univers en expansion reste inchangée au fil du temps en raison de la création continue de la matière. En d'autres termes, l'Univers observable reste essentiellement le même quel que soit le temps ou le lieu. Cela contraste fortement avec la théorie selon laquelle la majorité de la matière a été créée en un seul événement (le Big Bang) et n'a cessé de se développer depuis.
Les origines
Alors que la notion d'un univers stable et immuable a été adoptée à travers l'histoire, ce n'est qu'au début de la période moderne que les scientifiques ont commencé à l'interpréter en termes astrophysiques. Le premier exemple clair de cet argument dans le contexte de l'astronomie et de la cosmologie se trouve dans Principes mathématiques de la philosophie naturelle (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) publié en 1687.
Dans le magnum opus de Newton, il a conceptualisé l'univers au-delà du système solaire comme un espace vide qui s'étendait uniformément dans toutes les directions à des distances incommensurables. Il a en outre expliqué par des preuves et des observations mathématiques que tous les mouvements et dynamiques de ce système étaient expliqués par le principe unique de la gravitation universelle.
Cependant, ce qui allait être connu sous le nom d'hypothèse de l'état stable n'est apparu qu'au début du 20e siècle. Ce modèle cosmologique a été inspiré par un certain nombre de découvertes, ainsi que par des percées dans le domaine de la physique théorique. Celles-ci incluaient la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein et les observations d'Edwin Hubble selon lesquelles l'Univers est en état d'expansion.
Einstein a officialisé cette théorie en 1915 après avoir décidé d'étendre sa théorie de la relativité restreinte pour incorporer la gravité. En fin de compte, cette théorie affirme que la force gravitationnelle de la matière et de l'énergie modifie directement la courbure de l'espace-temps autour d'elle. Ou, comme le résume le célèbre physicien théoricien John Wheeler, «l'espace-temps dit à la matière comment se déplacer; la matière indique à l'espace-temps comment se courber. »
En 1917, des calculs théoriques basés sur les équations de champ d'Einstein ont montré que l'Univers devait être dans un état d'expansion ou de contraction. En 1929, les observations de George Lemaitre (qui proposait la théorie du Big Bang) et d'Edwin Hubble (utilisant le télescope Hooker de 100 pouces à l'Observatoire du Mont Wilson) ont démontré que ce dernier était le cas.
Sur la base de ces révélations, un débat a commencé dans les années 1930 sur les origines possibles et la véritable nature de l'Univers. D'un côté, il y avait ceux qui affirmaient que l'Univers avait un âge fini et évoluait avec le temps par le refroidissement, l'expansion et la formation de structures dues à l'effondrement gravitationnel. Cette théorie a été satiriquement nommée «Big Bang» par Fred Hoyle, et le nom est resté.
Pendant ce temps, la majorité des astronomes de l'époque tenaient à la théorie selon laquelle si l'Univers observable se développe, il ne change néanmoins pas en termes de densité de matière. En bref, les partisans de cette théorie ont fait valoir que l'Univers n'a pas de commencement, pas de fin, et que la matière est continuellement créée au fil du temps - à raison d'un atome d'hydrogène par mètre cube pour 100 milliards d'années.
Cette théorie a également étendu le principe cosmologique d'Einstein, alias. Constante cosmologique (CC), proposée par Einstein en 1931. Selon Einstein, cette force était chargée de «retenir la gravité» et de veiller à ce que l'Univers reste stable, homogène et isotrope en termes de structure à grande échelle.
En modifiant ce principe et en l'étendant, les membres de l'école de pensée Steady State ont fait valoir que c'était la création continue de matière qui assurait que la structure de l'Univers restait la même au fil du temps. Ceci est autrement connu comme le principe cosmologique parfait, qui détache l'hypothèse de l'état stationnaire.
La théorie de l'état stable est devenue largement connue en 1948 avec la publication de deux articles: «Un nouveau modèle pour un univers en expansion» par l'astronome anglais Fred Hoyle, et «La théorie de l'état stable et l'univers en expansion» par l'astrophysicien anglo-autrichien et l'équipe cosmologiste de Hermann Bondi et Thomas Gold.
Arguments et prédictions clés
Les arguments en faveur de l'hypothèse de l'état stationnaire incluent le problème apparent d'échelle de temps soulevé par le taux observé d'expansion cosmique (alias la constante de Hubble ou la loi de Hubble-Lemaitre). Sur la base des observations de Hubble sur les galaxies proches, il a calculé que l'Univers se dilatait à une vitesse qui augmentait systématiquement avec la distance.
Cela a donné lieu à l'idée que l'Univers a commencé à se développer à partir d'un volume d'espace beaucoup plus petit. En l'absence d'accélération / décélération - 500 km / s par mégaparsec (310 mps par Mpc) - la constante de Hubble signifiait que toute la matière se développait depuis environ 2 milliards d'années - ce qui serait également l'âge supérieur de l'Univers.
Cette découverte a été contredite par la datation radioactive, où les scientifiques ont mesuré le taux de décroissance des dépôts d'uranium-238 et de plutonium-205 dans des échantillons de roche. En utilisant cette méthode, les plus anciens échantillons de roche (qui étaient d'origine lunaire), étaient estimés à 4,6 milliards d'années. Une autre incongruité est apparue à la suite de la théorie de l'évolution stellaire.
En bref, la vitesse à laquelle l'hydrogène est fusionné à l'intérieur des étoiles (pour créer de l'hélium) donne une estimation d'âge supérieure de 10 milliards d'années pour les amas globulaires - les plus anciennes étoiles de la galaxie. De plus, aucune évolution à de grandes distances n'aurait pu se produire dans ce modèle - ce qui signifierait que les sources radio - alias. les quasars ou les noyaux galactiques actifs (AGN) - seraient uniformes dans tout l'Univers.
Cela signifierait également que la constante de Hubble (calculée au début du 20e siècle) resterait constante. Le modèle en régime permanent a également prédit que la création régulière d'antimatière et de neutrons entraînerait des annihilations régulières et une désintégration des neutrons, conduisant ainsi à l'existence d'un fond de rayons gamma et de gaz chaud émettant des rayons X dans tout l'Univers.
Big Bang pour la victoire
Cependant, les observations en cours au cours des années 1950 et 1960 ont régulièrement conduit à une accumulation de preuves contre l'hypothèse de l'état stable. Il s'agit notamment de la découverte de sources radio lumineuses (alias. Quasars et radio galaxies) qui ont été découvertes dans des galaxies éloignées mais pas celles les plus proches de nous - indiquant que de nombreuses galaxies sont devenues «radio-silencieuses» avec le temps.
En 1961, des enquêtes sur les sources radio ont permis d'effectuer des analyses statistiques, ce qui a exclu la possibilité que les radio-galaxies brillantes soient uniformément réparties. Un autre argument majeur contre l'hypothèse de l'état stable a été la découverte du fond cosmique des micro-ondes (CMB) en 1964, ce que le modèle Big Bang avait prédit.
Combiné à l'absence de fond de rayons gamma et à des nuages omniprésents de gaz émettant des rayons X, le modèle Big Bang est devenu largement accepté dans les années 1960. Dans les années 1990, les observations Le télescope spatial Hubble et d'autres observatoires ont également découvert que l'expansion cosmique n'était pas constante au fil du temps. Au cours des trois derniers milliards d'années, en fait, elle s'est accélérée.
Cela a conduit à plusieurs améliorations de la constante de Hubble. D'après les données recueillies par la sonde d'anisotropie hyperfréquence Wilkinson (WMAP), le taux d'expansion cosmique est actuellement estimé entre 70 et 73,8 km / s par Mpc (43,5 à 46 mps par Mpc) avec une marge d'erreur de 3%. Ces valeurs sont bien plus cohérentes avec les observations qui placent l'âge de l'Univers à environ 13,8 milliards d'années.
Variantes modernes
À partir de 1993, Fred Hoyle et les astrophysiciens Geoffrey Burbidge et Jayant V. Narlikar ont commencé à publier une série d'études dans lesquelles ils ont proposé une nouvelle version de l'hypothèse de l'état stable. Connue sous le nom d'hypothèse de quasi-état stationnaire (QSS), cette variation a tenté d'expliquer des phénomènes cosmologiques que l'ancienne théorie ne prenait pas en compte.
Ce modèle suggère que l'Univers est le résultat de poches de création (aka. Mini-frange) se produisant au cours de plusieurs milliards d'années. Ce modèle a été modifié en réponse à des données montrant comment le taux d'expansion de l'Univers s'accélère. Malgré ces modifications, la communauté astronomique considère toujours le Big Bang comme le meilleur modèle pour expliquer tous les phénomènes observables.
Aujourd'hui, ce modèle est connu sous le nom de modèle Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), qui intègre les théories actuelles sur la matière noire et l'énergie noire avec la théorie du Big Bang. Malgré cela, l'hypothèse de l'état stable (et ses variantes) est toujours préconisée par certains astrophysiciens et cosmologistes. Et ce n'est pas la seule alternative à la Big Bang Cosmology…
Nous avons écrit de nombreux articles sur la cosmologie ici à Space Magazine. Voici Qu'est-ce que l'Univers, Big Bang Theory: Evolution of Our Universe, What is the Oscillating Universe Theory ?, What is The Big Rip ?, What is the Multiverse Theory ?, What is Superstring Theory ?, What is the Cosmic Microwave Background? , The Big Crunch: The End of Our Universe?, What is the Big Freeze?, And Cosmology 101: The End.
Astronomie Diffusez également quelques épisodes intéressants sur le sujet. Voici l'épisode 5: Le fond du Big Bang et des micro-ondes cosmiques, l'épisode 6: Plus de preuves pour le Big Bang, l'épisode 79: Quelle est la taille de l'univers?, Épisode 187: Histoire de l'astronomie, partie 5: le 20e siècle et épisode 499: Qu'est-ce que le projet de loi Hubble-Lemaitre?.
Sources:
- Wikipédia - Principe cosmologique
- Wikipédia - Hypothèse d'équilibre
- Idées de cosmologie - Big Bang ou état stable?
- Encyclopedia Britannica - Théorie du régime permanent
- UBC Astronomy and Astrophysics - Questions fondamentales en cosmologie
- «Un nouveau modèle pour l'univers en expansion», Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, non. 372 (1948)
- «Modèles quasi-stationnaires et modèles cosmologiques connexes: une revue historique», Kragh. H. (2012)
- «La théorie de l'état stationnaire de l'univers en expansion», MNRAS, vol. 108, p. 252 (1948)
- «Théorie de l’état stationnaire d’Einstein: un modèle abandonné du cosmos», The European Physical Journal H, vol. 39, p. 353-367 (2014)
- «Un modèle cosmologique quasi-stable avec création de matière», Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal c. 410, p. 437 (1993)
