LE BIG BANG 2 et L'ORIGINE DE LA MATIERE ou Que la matière fût!

 



 De 10^-32 à 10^-12 seconde... la naissance des quarks

A la fin de la période d'inflation, vers 10^-32 seconde après le big bang, l'Univers a la taille d'une orange et sa température est de 10²⁵ °K.
C'est à ce moment que les premières particules de quarks et d'antiquarks surgissent du vide quantique dans un bain de photons. Cette matérialisation de matière et d'antimatière va entraîner aussitôt une lutte à mort entre ces deux composantes antagonistes: Les paires de particules-antiparticules vont s'annihiler pour devenir lumière (photons). Puis, ces mêmes photons vont, par une réaction symétrique, se matérialiser (N'oubliez pas E=mc² !) en paires de particule-antiparticule. L'Univers est alors une soupe de quarks et d'antiquarks en perpétuelle annihilation - matérialisation !
Il faut noter un fait capital : la création initiale des couples particules-antiparticules ne va pas se faire de façon parfaitement symétrique: Un petit excédent de matière va apparaître :
Pour 1 000 000 000 d'antiquarks créés, il y a 1 000 000 001 de quarks créés, et donc 1 seul quark survivant à la future grande annihilation : Un rapport de 1 pour 1 milliard !
Et voici comment une brisure de symétrie est responsable de l'existence de la matière dont nous sommes actuellement constitués !




 De 10^-12 à 10^-6 seconde... la naissance des leptons

Température = 10¹⁵ °K.
L'Univers se refroidit toujours et grossit pour devenir une sphère de 300 millions de kilomètres.
L'interaction électrofaiblese dissocie à son tour en interactions faibles et électromagnétiques. Les 4 interactions fondamentales de l'univers sont donc différenciées comme elles le sont toujours actuellement.




Par ailleurs, la soupe de quarks et d'antiquarks s'est enrichie de particules légères, sensibles à l'interaction faible : les leptons. Ces leptons regroupent les électrons, muons, tau et leurs neutrinos correspondants, ainsi que leurs antiparticules.






 De 10^-6 à 10^-4 seconde...  la phase des hadrons

Température = 10¹³ °K.
Le volume de l'univers est équivalent au système solaire actuel, soit 10¹³ m.
La baisse de température fait que les quarks n'ont plus assez d'énergie pour exister seuls : L'interaction forte peut alors grouper les quarks en hadrons:

• 3 quarks forment des baryons: les protons et les neutrons naissent.
• 3 antiquarks forment des antibaryons: antiprotons et antineutrons.
• les paires quark-antiquark forment des mésons.

La fin de cette période marque aussi la disparition des antiquarks
En effet, nous avons vu qu'il y avait un léger excès de quarks (1 quark en trop pour 1 milliard d'antiquarks) dans la soupe primitive à 10^-32 s. Ainsi tous les protons et neutrons, nouvellement formés, vont finir de s'annihiler avec leurs antiparticules: Il ne restera donc au final qu'un léger excédent de matière. La température est devenu trop faible pour que les photons puissent se rematérialiser en couple paticule-antiparticule. Les rares protons et neutrons survivants sont donc "gelés" et forment la matière de l'Univers.



De 0,0001 à 1 seconde...  la phase des leptons

Température = 10¹⁰ °K ou 10 milliards de degrés.
A cette température, il se produit une deuxième grande annihilation de matière et d'antimatière: elle concerne cette fois les leptons et leurs antiparticules.
En effet, les photons, épuisés par l'expansion de l'Univers, n'ont plus assez d'énergie pour se convertir (par matérialisation) en paire électron-antiélectron.
Les paires leptons-antileptons subissent ainsi le sort des hadrons: ils s'annihilent dans un océan de photons et seule une fraction d'un milliardième de leptons survit à l'hécatombe. Exit l'antimatière de l'Univers!


La matière est désormais au grand complet, mais la température est toujours trop élevée pour que les atomes puissent se former. L'Univers est une grosse masse lumineuse de plasma brûlant formé de hadrons et de leptons célibataires.
Les neutrinos cessent d'interagir avec la matière et s'en séparent.

De 1 à 3 secondes...  formation des premiers noyaux d'atomes

La température chute à 10⁶ °K ou 1 000 000 °K : elle est suffisament basse pour que les protons et neutrons puissent s'assembler durablement.
Les protons seuls forment des noyaux d'hydrogène.
Les protons et neutrons qui se rencontrent, peuvent aussi s'assembler pour former des noyaux d'hélium (2 protons + 2 neutrons):
Cette phase se nomme la nucléosynthèse primordiale. La matière de l'Univers se compose alors des noyaux d'atomes suivants:

• 75% d'hydrogène H
• 25% d'hélium He
• des traces de Li-7 (lithium à 3 protons et 4 neutrons) et d'isotopes tels que Deutérium (H-2), He-3, He-4...

99% de la matière actuelle de l'Univers se forme à cette lointaine époque. Le 1% restant, non encore apparu, est constitué de tous les atomes ayant plus de 2 protons dans leur noyau, parmi lesquels les atomes de carbone, d'azote et d'oxygène dont nous sommes constitués. Tous ces atomes complexes seront formés dans les réactions thermonucléaires du coeur des futures étoiles à naître...
A cette époque, les électrons sont toujours libres car très énergétiques. Ils ne se lient donc pas encore aux noyaux pour former les atomes H (hydrogène) et He (hélium).

De 3 minutes à 300 000 ans...  l'Univers devient transparent

Température = 10.000 °K
Jusque là, les photons étaient continuellement émis et aborbés par les particules environnantes. Puis, avec la chute de température et de densité de l'Univers, les photons vont cesser d'interagir avec la matière : ils vont pouvoir enfin traverser l'Univers sans obstacle: il y adécouplage entre les photons et la matière: l'Univers devient subitement transparent. Cette lumière libérée et provenant de tout point de l'espace peut être actuellement captée par nos astrophysiciens: c'est ce qui est appelé le fameux "rayonnement fossile" à 3°K de l'Univers, vestige du big bang.



Le rayonnement fossile à 3°K vu par le satellite COBE




 300 000 ans et après...  la formation des premiers atomes

300 000 ans après le big bang, les électrons vont enfin pouvoir être captés autour des noyaux d'hydrogène et d'hélium présents. Les premiers atomes naissent enfin.... et l'interaction électromagnétique peut enfin jouer pleinement son rôle.


Ces évènements ultra-rapides de la naissance de l'Univers se sont déroulés il y a environ 15 milliards d'années. Certaines découvertes astrophysiques récentes pencheraient même pour un âge de l'Univers plus récent, de l'ordre de 10 milliards d'années.

Si l'évolution de la matière s'était arrêtée ici, l'Univers ne serait rempli que de tristes nuages de gaz d'hydrogène et d'hélium. L'hélium (un gaz rare inerte) étant réfractaire à toute liaison chimique, le pauvre hydrogène n'aurait trouvé aucun partenaire pour former des molécules plus complexes et vous ne seriez pas ici à lire courageusement ce site Web !Tous les autres atomes du tableau périodique ne seront créés que grâce à la vie et à la mort des étoiles à venir. N'oubliez pas que nous-même (de gros amas d'atomes pensants) sommes nés de "poussière d'étoiles", comme le dit si poétiquement notre astronome vedette, Hubert Reeves.

Toujours est-il que la suite de l'évolution de l'Univers est marqué par les évènements suivants:

• - 12 milliards d'années:  formation de notre galaxie.
• - 4,6 milliards d'années: formation de notre Système Solaire et de la Terre
• - 3,4 milliards d'années: apparition de la Vie
• - 1,4 milliards d'années: premières cellules eucaryotes à noyau
• - 350 millions d'années:  les premiers vertébrés quittent l'eau
• - 4,5 millions d'années:   les premiers hominidés
• - 5 300 ans :                  naissance de l'écriture
• - présent:                       cybercréation sur Internet de "Matière à Réflexion"

crazyflash: Universal Production présente "The big boum"

Et Dieu dans tout cela? Faisons un peu de métaphysique des particules... Au commencement, avant les divines et impénétrables 10-43 secondes, Dieu était PLANCKé au Nirvana dans un océan de vacuité quantique. Il s'ennuyait fort de tant de perfection lumineuse. De courroux, il explosa de colère et créa l'Univers de sa superforce. Puis, prêchant la Grande Unification, il décida de faire du bruit avec un big bang supersonique qu'il nomma un flation. L'Univers se retrouva avec une trinité de forces divines gouvernant une mer virtuelle de particules fantômes. Puis, lassé de tant d'immatérialité photonique, God save the quarks...and the antiquarks! Un combat titanesque opposa les divins quarks à leurs semblables maléfiques: les antiquarks. Puis Dieu rendit l'Univers plus humble en créant de modestes leptons. Il ajouta aussi une humble et faible force aux trois autres qui pêchaient par orgueil. A l'aide de ces 4 forces divines, les saints quarks vainquirent de justesse les sataniques antiquarks. Ils purent alors s'unir en trinités hadroniques plus fortes. Les fidèles et humbles leptons eurent aussi le dessus sur leurs monstrueuses antagonistes : les antilopes-thons (démons issus de manip génétiques).  Puis la tension énergétique du combat se dilua lentement et le Bien connut une expansion infinie. Les trinités hadroniques s'unirent pour donner des prophètes: de loyaux noyaux baptisés "Diderot gène" et "Elie homme". Enfin, des noyaux unis aux belles Electre-troncs (de la famille des lep-troncs) nacquirent les premiers at-hommes, eux-mêmes descendant d'Adam et Eve... Mais ceci est une autre histoire, bien plus matérielle...