Comprendre la formation de l’Univers fait appel a la mécanique quantique et aux équations de la relativité générale. Dans les instants qui ont suivi la création du cosmos, une phase particulière a existé : on l’appelle « ère de Planck ».
Pendant la première phase de la création de l’Univers, appelée « ère de Planck », les quatre interactions fondamentales que sont l’électromagnétisme, l’interaction faible, l’interaction forte et la gravitation sont alors unifiées, renvoyant à un espace-temps quasi-inconcevable pour l’Homme. Il est donc théoriquement impossible d’affirmer avec précision sa durée, du fait de l’espace-temps différent du nôtre à ce moment. Bien que les équations de Friedmann issues de la relativité générale ne dépendent pas de ces forces fondamentales – ce qui les rend mathématiquement vraies – un espace-temps différent rend théoriquement caduque toute équation connue, car le référentiel qui les supporte est lui, au contraire, totalement inconnu… Toutefois, il est communément admis que ce moment a duré environ 10‘43 secondes à partir de l’hypothétique « instant zéro ». De même qu’au sein d’un trou noir, l’ère de Planck est apparue dans notre univers à partir d’une singularité gravitationnelle ; à ce stade de la cosmologie quantique, l’Univers n’était ni homogène, ni isotropique. Beaucoup de spéculations et d’incertitudes subsistent donc autour de la cosmologie quantique, et l’on utilise actuellement l’équation de Wheeler-DeWitt (développée à la fin des années 1960 par les deux scientifiques du même nom) afin de partir d’un formalisme basé sur la fonction d’onde pour décrire l’Univers tout entier. Des travaux repris à partir des années 1 980 par le physicien américain James Hartle et le célèbre Stephen Hawking. La deuxième phase de la création de l’Univers après l’ère de Planck est la phase dite d’inflation cosmique, ayant la qualité d’offrir une réponse aux problèmes de l’horizon et de platitude de notre univers. Née suite aux fluctuations quantiques, cette phase, bien qu’incertaine, a également le mérite de présenter une théorie réaliste décrivant le processus d’homogénéisation et d’isotropisation de l’Univers. Selon le cosmologiste américain Alan Guth, la taille de notre univers est au moins 1 023 supérieure à celle de l’univers observable. Selon Guth, qui reçut en 2004 le Prix Peter Gruber de cosmologie, notre univers n’est qu’un parmi d’autres univers, et tous connaissent une phase d’expansion extrêmement rapide qui efface les traces de leur commencement et induit des fluctuations du rayonnement de fond, plus intenses à grande échelle et moins intenses à petite échelle. Ces prévisions ont été fortement confortées par les sept ans d’observation du satellite WMAP, notamment par le constat des effets de cisaillement gravitationnel (distorsion des images des galaxies distantes par des concentrations de masses d’avant-plan), ou encore par la mesure des anisotropies du fond diffus cosmologique (dont les caractéristiques dépendent de son orientation). On estime que l’inflation s’est ainsi produite très peu après l’ère de Planck, de l’ordre de 10-35 secondes. S’en serait suivie une phase appelée « préchauffage », lors de laquelle furent créées les particules élémentaires par la désintégration d’un champ scalaire primordial appelé « faux vide », ou « in flaton ». La densité d’énergie contenue dans l’inflaton aurait été incroyablement élevée ; on l’estime à 10 110 fois (ce nombre gigantesque équivaut à un 1 suivi de 110 zéros…) la densité de l’Univers actuel ! Nous sommes a présent à 10-32 secondes après le Big Bang. Une nouvelle ère cosmologique s’ouvre alors : l’ère dite de « grande unification ». L’énergie typique des particules qui régnait alors n’est déjà plus aussi importante que pendant l’ère de Planck et a commencé à se dissiper passant ainsi de 10 milliards de milliards de fois l’énergie de la masse d’un proton, soit 1019 gigaélectronvolts (GeV), à 1016 GeV, ce qui reste une énergie colossale que l’on estime responsable de la baryogénèse (formation des particules de matière appelées « baryons ») et de la création de la matière noire. Les trois conditions absolument nécessaires à l’existence de cette phase furent dé crites en 1967 par le physicien russe Andres Sakharov et sont les suivantes : tout d’abord, la matière et l’antimatière obéissent obligatoirement à des lois physiques différentes et furent initiale ment créées en quantités quasi égales. Ensuite, c’est la violation de la symétrie C et CP qui, suite à l’annulation de la matière par l’antimatière, laissa un léger excédent de matière baryonique. Enfin, la baryogénèse induit nécessairement une rupture de l’équilibre thermique, car à l’équilibre, les réactions ont tendance à éliminer l’excès de
la physique au-delà du modèle standard, et elle est à situer entre 10-32 et 10-12 secondes après le Big Bang. Outre la baryogénèse de grande unification dont nous venons de faire état, la baryogénèse dite électrofaible se serait alors produite une fois l’énergie passée sous la barre des 100 GeV. Les foʻces d’interactions fondamentales électromagnétique et d’interaction faible se séparent, permet tant la création en masse de particules exotiques, parmi lesquelles les bosons Wet Z, et le boson de Higgs. L’énergie potentielle issue de l’inflaton est au même moment libérée dans un plasma chaud de gluons et de quarks, favorisant les interactions entre les particules. Ce seuil de 100 GeV a été reproduit par l’expérience dans les accélérateurs de particules, renforçant de fait la plausibilité de la baryogénèse primordiale et sa durée de l’ordre de 10-20 secondes. L’Univers poursuivit son refroidissement et l’énergie sa dissipation, jusqu’à atteindre 1 MeV (environ 10 milliards de degrés). Les photons, électrons et neutrinos commen cèrent alors à interagir, avec toutefois une particularité pour ces derniers : en dessous d’une certaine température, les neutrinos n’interagissent plus avec les autres particules ni même entre eux. C’est ce que l’on appelle la phase de «découplage des neutrinos », dont la meilleure preuve demeure l’existence du fond cosmologique des neutrinos. Nous sommes à moins 3minutes après le Big Bang ; la température de l’Univers poursuit sa chute, les positrons et électrons s’annihilant en photons, la nucléosynthèse primordiale va alors commencer…