La nucléosynthèse primordiale est une époque bien comprise de l’histoire de l’univers. La raison est que l’on sait reproduire dans des accélérateurs de particules les réactions nucléaires qui s’y produisent. Cependant, la technologie actuelle ne nous permet pas de reproduire expérimentalement des époques beaucoup plus chaudes (donc plus anciennes) de l’histoire de l’univers.

 Jusqu’où notre connaissance de la physique nous permet-elle alors de remonter ? La réponse est un peu compliquée. L’expérimentation directe (dans les accélérateurs de particules) nous permet de reproduire le comportement de la matière à des températures de 100 Giga électronvolts (ou GeV), unité communément utilisée en physique des particules qui correspond à l’énergie typique des particules à une température de un million de milliard de degrés (1 000 000 000 000 000). Au delà, bien que l’expérimentation directe ne soit plus possible, notre compréhension de la physique nous permet d’espèrer prédire dans les grandes lignes le comportement de la matière jusqu’à des températures de GeV, soit 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 degrés (cent milliards de milliards de milliards de degrés). Au delà, on entre dans le domaine des théories dite de grande unification (ou GUT pour Grand Unified Theories en anglais), terme qui signifie que les forces nucléaires et électromagnétiques ont des manifestations qui deviennent assez semblables les unes aux autres, sans qu’on les connaisse précisément à l’heure actuelle. Bref, à défaut de connaître les détails, l’on estime que l’on possède déjà l’ensemble des outils mathématiques nécessaires pour faire de la physique à ces températures là, même la plupart des paramètres décrivant les détails de cette théorie ne sont pas connus.

 La situation change drastiquement quand on dépasse GeV, soit 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 de degrés. En effet on entre alors dans ce qu’on appelle l’ère de Planck, où une des rares choses que l’on sache est que la relativité générale qui permet habituellement de décrire l’expansion de l’univers cesse d’être valable. En fait, il est probable que les concepts de temps et d’espace perdent le sens qu’on leur donne habituellement. C’est le domaine de la gravité quantique, théorie dont peu de choses de plus que le nom sont connus à l’heure actuelle. Notons que cela ne constitue pas nécessairement une limite absolue de notre connaissance : il n’est pas exclu que d’importants progrés théroriques nous permettent un jour de décrire cette époque avec précision, mais ce n’est pour l’heure pas le cas. L’on est donc pour l’instant réduit à prendre la fin de l’ère de Planck comme « instant initial », l’état précis de l’univers à ce moment là n’étant a priori pas connu.

 Notons que rien ne nous garantit que l’univers ait effectivement atteint des températures très élevées. Il est par exemple possible --- même si cette éventualité n’est pas privilégiée par les cosmologues --- que l’univers ait été initialement très froid et en contraction, qu’il se soit échauffé du fait de cette contraction et qu’il ait connu une phase de rebond puis la phase d’expansion que l’on connaît aujourd’hui. Dans ce cadre là, il est relativement acquis que la phase de rebond ait eu lieu à des températures plus élevées que celle de la nucléosynthèse.

 Comme nous l’avons dit, le but de la cosmologie est de reconstituer le fil des événement de l’histoire de l’univers, en d’autre termes, de proposer des scénarios, ou des modèles, plutôt que des théories. Pour les raisons exposées plus haut, il serait présomptueux de proposer des scénarios remontant à des époques antérieures à celle de Planck. L’idée est plutôt d’essayer de comprendre comment à partir d’un état « initial » (et, répétons-le, très mal connu) à la sortie de l’époque de Planck, il est possible d’obtenir l’univers que nous observons aujourd’hui, de préférence sans faire appel à un état initial complètement ad hoc.

 Si l’on préfère raisonner en terme de durées plutôt qu’en terme de température, notons que l’univers passe en un temps probablement très bref (une fraction de seconde) de l’époque de grand unification à des températures de quelques milliers de GeV. En terme de durée cela ne change donc pas grand chose de partir de l’époque de grand unification. La nucléosynthèse se produit environ entre une seconde et trois minutes après l’époque de grand unification. La recombinaison a lieu environ 380 000 ans plus tard. Pour plus de détails, se référer à l’article La température de l’univers au cours de son évolution. L’âge actuel de l’univers est vraisemblablement compris entre 13 et 16 milliards d’années. Les premiers objets astrophysiques se sont formés dans un temps encore mal connu (probablement entre quelques dizaines de millions et un milliard d’années) après la recombinaison. A titre de comparaison, l’âge de la Terre et du soleil est d’environ 4,5 milliards d’années et l’âge de notre galaxie d’environ 10 milliards d’années : notre galaxie n’est pas une galaxie primordiale et notre soleil n’est pas non plus une étoile de première génération dans notre galaxie.

En savoir plus : La température de l’univers au cours de son évolution

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