Qu'est-ce qui existait avant les étoiles ?

Bonjour,

La théorie la plus crédible sur l'origine de l'univers proposée par un prêtre belge, Georges Lemaître, s'est développée autour d'un événement fondateur, le Big Bang. C'est en effet à ce moment là, il y a 13,8 milliards d'années, après avoir été minuscule, extrêmement dense, pressurisé et chaud, que l'univers enfle en une fraction de seconde et que des particules élémentaires (plus petites que l’atome) apparaissent : électrons, protons, neutrons et photons…

Ensuite, au cours des 3 minutes suivantes, alors que l’Univers continue de se dilater, et par conséquent de se refroidir, les premiers noyaux atomiques (hélium principalement) se forment par la combinaison des protons et des neutrons.

 

L’expansion se poursuit, la chute du thermomètre aussi. 380 000 ans après le Big Bang, il passe sous les 3 000°C (la température actuelle de l’Univers est de -271°C). Les conditions sont alors réunies pour que les premiers atomes apparaissent - hydrogène et hélium. En effet, les électrons sont désormais assez ralentis pour fusionner avec les noyaux atomiques. C’est l’apparition de la matière, telle qu’on la connaît.

 

Quant aux photons, les particules qui « portent » la lumière et qui étaient jusqu’alors piégés dans cette soupe cosmique, ils peuvent soudain circuler : l’Univers s’allume. Mais c’est un flash de courte durée. L’Univers redevient sombre, car les étoiles et les galaxies n’existent pas encore.

 

Source : Le Big bang, cnes (centre nationale d'études spatiales)

D'après l'article Univers : qu'est-ce que c'est ? de Futura Sciences, publié en janvier 2016, avant les étoiles il y avait une soupe dense et chaude :

L'histoire de l’univers commence il y a quelque 13,7 milliards d'années dans une soupe extrêmement dense et chaude. Les lois de la physique telles que nous les connaissons n'ont pas cours au sein de cette soupe. Survient alors une brusque expansion - qui se poursuit encore aujourd'hui, à moindre vitesse - qui donnera naissance aux étoiles, aux galaxies, aux planètes et à tous les autres corps célestes.

Au chapitre 4. L’univers primordial  (p. 77-118) de son livre Initiation à la Cosmologie (2020) Dunod, Marc Lachièze-Rey, écrit que

Plus nous remontons dans le passé, plus l’Univers était dense. Plus il était également chaud. Telles sont les premières caractéristiques de l’Univers selon les modèles de big bang. Dans l’univers primordial, les densités de la matière et du rayonnement excédaient toutes deux la valeur de 2.10–21 g.cm–3 ; la température (commune à la matière et au rayonnement) dépassait 5 000 K. Matière et rayonnement étaient répartis de manière extrêmement homogène. Loin dans le passé (pendant le premier milliard d’années environ), n’existaient ni galaxies, ni étoiles…

Le chapeau de Google à propos de cet ouvrage que nous ne pouvons pas consulter à l'heure actuelle car il a été emprunté, indique aussi que dans l'univers « très primordial », avant l'apparition des nucléons, l'Univers devait être rempli de quarks.

Voyons également ce que nous apprend Dix minutes pour comprendre les origines de l'Univers, Michael Greshko, National Geographic, juillet 2025 :

D'autres travaux ont permis de clarifier la temporalité du Big Bang. Voici la théorie qui en découle : au cours des 10^-43 premières secondes de son existence, l'Univers était très compact, moins d'un million de milliards de milliardièmes de la taille d'un atome. On croit qu'à un tel niveau impensable de densité et d'énergie, les quatre forces fondamentales, à savoir les interactions faibles, fortes, gravitationnelles et électromagnétiques, se sont unifiées en une seule et unique force. Les théories actuelles n'ont toutefois pas encore permis de comprendre comment fonctionnerait cette « superforce ». Pour y parvenir, il faudrait connaître le fonctionnement de la gravité à l'échelle subatomique, ce qui n'est pas le cas à l'heure actuelle.

 

On pense également que cette densité a permis aux toutes premières particules de l'Univers de se mélanger, de se lier et de se stabiliser à peu près à la même température. Ensuite, en une fraction de seconde, toute cette matière et cette énergie se sont étendues vers l'extérieur, plus ou moins uniformément, avec d'infimes variations dues à des fluctuations à l'échelle quantique. Ce modèle d'expansion fulgurante, appelé inflation cosmique, pourrait expliquer une telle uniformité au niveau de la température et de la répartition de la matière dans l'Univers.

 

Après l'inflation, ce dernier a continué à se développer mais à un rythme beaucoup plus lent. La cause exacte du déclenchement de cette inflation est encore inconnue.

 

 

APRÈS L'INFLATION COSMIQUE

À mesure que le temps passait et que la matière se refroidissait, des particules plus diverses ont commencé à se former et, au final, se sont condensées, faisant naître les étoiles et les galaxies de notre Univers tel qu'il est aujourd'hui.

 

Lorsque l'Univers a atteint l'âge d'un milliardième de seconde, il s'est suffisamment refroidi pour que les quatre forces fondamentales se séparent les unes des autres. Les particules élémentaires se sont alors formées. Cependant, l'Univers était encore si chaud que celles-ci ne pouvaient pas encore se lier pour former la plupart des particules subatomiques que nous connaissons aujourd'hui, comme le proton. Au fur et à mesure de l'expansion de l'Univers, cette soupe primordiale très chaude, appelée « plasma de quarks et de gluons », a continué à se refroidir. Certains collisionneurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN, sont suffisamment puissants pour recréer celui-ci.

 

Au sein de l'Univers primordial, le rayonnement était si intense que la collision de photons pouvait former des paires de particules composées de matière et d'antimatière, ressemblant en tous points à la matière ordinaire, hormis sa charge électrique opposée. On pense que l'Univers primordial contenait des quantités égales de matière et d'antimatière. Toutefois, lorsque l'Univers s'est refroidi, les collisions des photons n'étaient plus assez puissantes pour former ces paires. À la manière d'un jeu de chaises musicales extrême, de nombreuses particules de matière et d'antimatière ont formé des paires et se sont annihilées.

 

D'une manière ou d'une autre, de la matière excédentaire a subsisté. C’est de cette dernière que sont faits les êtres humains, les planètes et les galaxies.

Le pré-Big Bang semble donc difficile à décrire malgré les avancées en cosmologie et certaines théories prometteuses.

Une réponse du Guichet du savoir publiée en mais 2005, Avant le big bang *, explique que lors de sa naissance, l’Univers était concentré en une région si minuscule que la théorie de la relativité générale ne pouvait s'appliquer pour décrire ce qu'il y avait avant les étoiles. Mais grâce à la théorie des cordes, deux modèles cosmologiques – le modèle pré-Big Bang et le modèle ekpyrotique – pourraient décrire un univers antérieur au Big Bang :

Selon la théorie de la relativité générale, un Univers en expansion doit avoir commencé par un Big Bang, ce qui implique la finitude du temps, apparu simultanément avec l’espace et l’énergie-matière. Cette façon de voir s’est modifiée au cours des dernières années. Lors de sa naissance, l’Univers était concentré en une région si minuscule que les lois de la physique quantique devaient s’y appliquer. La relativité générale, qui n’est pas une théorie quantique, cesse d’être valide à l’échelle du Big Bang. La théorie des cordes, qui se développe depuis une trentaine d’années, est susceptible de prendre le relais en offrant une description quantique de la gravitation. Elle a récemment permis de concevoir deux modèles cosmologiques – le modèle pré-Big Bang et le modèle ekpyrotique – décrivant un Univers antérieur au Big Bang. Ces scénarios, où le temps n’a ni commencement, ni fin, pourraient avoir laissé des traces observables dans le fond diffus cosmologique, le rayonnement émis peu après le Big Bang et que l’on détecte aujourd'hui sous une forme fossile sur l'ensemble du ciel.

Source : L'Univers avant le Big Bang, Gabriele Veneziano, Pour la science, juin 2004

Une autre réponse un peu moins ancienne, novembre 2007, univers, évoque des approches les plus prometteuses, la théorie des cordes et la Gravitation Quantique à Boucles :

Enfin, nous vous proposons de lire le dossier de Futura Sciences intitulé Avant le Big Bang

La cosmologie est sans aucun doute la science dont les implications philosophiques sont les plus importantes. Avec la question du rapport exact de l’esprit et de la matière, quoi de plus fondamentale que celle de l’origine de l’espace, du temps et de la matière qu’ils contiennent ? Pour répondre à toutes ces questions, il faudrait disposer d’une théorie quantique de la gravitation. Les approches les plus prometteuses sont celles de la théorie des cordes et celles de la Gravitation Quantique à Boucles (en anglais Loop Quantum Gravity soit LQG). Martin Bojowald est l’un des pionniers de l’application de cette dernière à la cosmologie et il vient d’exposer dans Nature les derniers résultats qu’il a obtenus. L’Univers pourrait passer périodiquement par des phases d’oscillations avec « rebonds », avec une série sans commencement ni fin de Big Bang et de Big Crunch, un modèle rappelant certaines cosmologies Hindous.

Aurélien Barrau dans La gravitation quantique à boucles, une théorie fascinante, publié sur Futura sciences mais non daté semble rejoindre cette hypothèse :

Enfin, en cosmologie, la gravitation quantique à boucles montre que le Big Bang devrait peut-être être remplacé par un grand rebond et qu'une phase de contraction aurait alors précédé l'expansion de l'univers dans laquelle nous nous trouvons en ce moment. L'observation de signatures claires de la théorie n'est pas impossible.

Pour approfondir cette réponse nous vous proposons la lecture de ces livres :

Une brève histoire du temps : les grandes théories du cosmos, du big bang aux trous noirs / Stephen Hawking ; traduit de l'anglais (États-Unis) par Isabelle Naddeo-Souriau, 1988 réed. 2022

Cosmologiste et physicien brillant, S. Hawking (1942-2018) occupe la chaire de mathématiques à l'université de Cambridge de 1980 à 2009. Dans cet ouvrage, paru pour la première fois en 1988, il retrace les grandes théories du cosmos depuis Galilée jusqu'à A. Einstein et expose les découvertes contemporaines des astrophysiciens. ©Electre 2022

Big bang : histoire critique d'une idée / Jean-Marc Bonnet-Bidaud, Thomas Lepeltier, 2021

L'astrophysicien et le philosophe relatent l'émergence de l'idée du big bang pour décrire l'histoire du cosmos. Ils analysent les évolutions de ce modèle ainsi que ses limites. ©Electre 2021

10 modèles pour comprendre l'univers / Brian Clegg ; traduit de l'anglais par Marc Lachièze-Rey, 2022

Même si notre univers peut àpremière vue sembler complexe, quelques modèles nous permettent aujourd'hui d'avoir une vue d'ensemble de la façon dont ce monde fonctionne à un niveau fondamental.

Dans ce livre, Brian Clegg nous rend accessibles dix modèles essentiels tels que les diagrammes expliquant les relations profondes entre l'espace et le temps ou ceux illustrant les interactions entre la matière et la lumière.

Découvrez le fonds diffus cosmologique, aussi appelé « écho du Big Bang », les images révélées par les accélérateurs de particules ou encore l'arbre évolutif qui tisse l'histoire du vivant !

L'origine du temps : la dernière théorie de Stephen Hawking / Thomas Hertog ; Traduit de l'anglais par Marcel Filoche, 2023

Dans ce livre, Thomas Hertog présente la dernière théorie de Stephen Hawking, dont il a été le plus proche ami et collaborateur : une nouvelle perspective profondément darwinienne sur les origines de l'Univers.

Stephen Hawking et Thomas Hertog ont travaillé côte à côte pendant vingt ans sur une nouvelle théorie quantique du cosmos.

Poussant leur exploration du Big Bang au plus près des origines ultimes du monde, ils ont identifié un niveau d'évolution plus profond dans lequel les lois physiques elles-mêmes se transforment et se simplifient jusqu'à ce que les particules, les forces et le temps lui-même s'évanouissent.

Cette découverte conduit à une idée révolutionnaire : les lois de la physique ne sont pas gravées dans la pierre comme des commandements divins, mais elles naissent et évoluent en même temps que l'univers qu'elles gouvernent, à mesure que celui-ci prend forme. Ce pourrait bien être le plus grand héritage que nous lègue Stephen Hawking. Source : 4e de couverture

Au croisement des univers parallèles : cosmologie et métacosmologie / Michel Cassé et Joseph Silk ; préface de Mario Livio, 2024

Au commencement est la physique. Deux astrophysiciens, Michel Cassé et Joseph Silk, de sensibilités différentes, unissent leurs efforts dans leur quête de l'origine.

De l'origine de l'espace à celle de la vie, de l'exploitation commerciale des ressources lunaires à la recherche de la matière noire, Joseph Silk propose une introduction concrète à l'état le plus actuel de la physique et de la cosmologie.

En contrepoint, Michel Cassé, oscillant entre verbe et équation, fait dialoguer le trio espace-temps-matière.

Sans excéder les limites de la connaissance scientifique, les auteurs montrent qu'on peut partager le gai savoir cosmologique.

Un hommage aux prouesses de la science et, surtout, une invitation à l'émerveillement devant l'éternel poseur d'énigmes, le cosmos.

Des ouvrages plus anciens :

Pour comprendre simplement la naissance, la vie et la mort de l'univers / Jean Hladik, 2008

NAISSANCE DE L'UNIVERS. Quelques anciennes cosmogonies. L'Univers avant la théorie de la relativité. L'attraction universelle devient relativiste. La relativité invente l'Univers en expansion. L'Univers devient quantique. Gestation : l'ère opaque du rayonnement. STRUCTURATION DE L'UNIVERS. Les galaxies. Les étoiles. Les systèmes planétaires. La formation des molécules du vivant. Amas et superamas de galaxies. AGONIE ET MORT DE L'UNIVERS. Toutes les étoiles s'éteindront. Toutes les galaxies disparaîtront. Une mort annoncée.

Et celui-ci peut-être plus fantaisiste :

L'équation Bogdanov : le secret de l'origine de l'Univers ? / Pr Lubos Motl ; préface de Clovis de Matos ; traduit de l'anglais par Sonia Quémener, Marc Lenoir, Laurent Martein, 2008

Existait-il "quelque chose" avant le big bang ? Telle est la question que se sont posée Igor et Grichka Bogdanov. Pour la première fois, un des plus brillants théoriciens de la physique moderne, le Pr Lubos Motl, analyse et confirme leurs travaux. En 2002, les frères Bogdanov déclenchent une tempête dans le monde scientifique en publiant six articles sur l'origine de l'Univers. Des articles parus dans les meilleures revues de physique théorique, notamment la prestigieuse Annals of Physics dont les experts ont conclu que les Bogdanov apportaient des solutions nouvelles aux problèmes de l'origine du temps et de l'espace en dessous de l'échelle de Planck, avant le big bang. Dans les laboratoires, les discussions s'enflamment. Les Bogdanov sont-ils de véritables chercheurs ou bien s'agit-il d'un canular ? Un expert déterminé, alors professeur à l'université de Harvard, a analysé en profondeur leurs travaux. Il nous livre ses conclusions dans cet ouvrage : les Bogdanov proposent rien de moins qu'une théorie alternative à la gravité quantique. De même qu'il existe un code génétique à l'origine des êtres vivants, il pourrait ainsi exister un "code mathématique" à l'origine de l'Univers tout entier.

Nous espérons avoir pu mettre quelques étoiles dans vos yeux et vous souhaitons une bonne journée.