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Après la découverte de l'expansion de l'Univers par Hubble, Einstein, qui était jusqu'alors sceptique au sujet des travaux
de Friedmann et Lemaître sur des modèles cosmologiques non statiques, comprend leur valeur. Ainsi, au début des années 1930,
il aide à répandre ces idées parmi les physiciens. En 1932, lui-même et De Sitter proposent un modèle cosmologique minimal
(
1932)
, auquel on réfère aujourd'hui par le nom d'espace d'Einstein-de Sitter, conforme aux observations de l'époque :
- Géométrie plate
- Uniquement constitué de matière non-relativiste, de pression nulle (pas de rayonnement)
- Sans constante cosmologique
Il s'agit donc d'un Univers de Lemaître-Friedmann à constante cosmologique nulle.
Ce modèle permet de déduire la densité de matière dans l'Univers directement à partir de la constante de Hubble $H_0$. On
trouve ainsi avec les données de l'époque une densité de $10^{-25} \mbox{ kg.m}^{-3}$. Or il se trouve qu'il s'agit de l'ordre
de grandeur de la densité telle qu'évaluée à partir des estimations de distances et masses des galaxies.
Un élément majeur de ce modèle est qu'il implique l'apparition d'une singularité initiale : l'Univers semble naitre d'un état
de densité infinie (
facteur d'échelle nul), et ce il y a un peu plus d'un milliard d'années.
Lemaître qui avait déjà remarqué ce fait suggère en 1931 une explication. Il propose que l'Univers soit né de la désintégration
d'un "atome"
(G. LEMAÎTRE
1931)
, un état lié de la matière qui en se pulvérisant aurait engendré l'expansion. Il considère que ceci donne une explication
aux rayons cosmiques et que la présence d'autres particules parmi ce rayonnement (alors non prouvée) en accréditerait la vraisemblance.
Ainsi, pour Lemaître, cette singularité est tout à fait physique.
En 1948, F. Hoyle pointe quelques problèmes qui suggèrent le besoin de formuler une autre théorie pour l'Univers :
- Problème de l'Âge de l'Univers : puisque le modèle d'Einstein-de Sitter implique que l'Univers soit né d'une singularité il
entraine que celui-ci a un certain âge et que ses structures doivent être plus jeunes : dans ce cadre, et d'après la constante
d'Hubble mesurée à l'époque, cet âge doit être d'un peu plus d'1 milliard d'années. Cependant, l'âge de la Terre était estimé
à l'époque entre 1.5 et 3 milliards d'années (par des techniques radiométriques).
- Problème de la formation des galaxies : selon Hoyle, les galaxies n'ont pu se former que lorsque l'expansion est devenue suffisamment lente pour que l'attraction gravitationnelle
l'emporte localement, ce qui est inconsistent avec leur âge tel qu'estimé
Hoyle, à la suite de réflexions sur ce sujet avec les physiciens Gold et Bondi, propose alors un modèle d'univers appelé "
théorie de l'état stationnaire"
(F. Hoyle
1948)
visant à résoudre ces problèmes. Dans sa théorie, il fait l'hypothèse que de la matière est créée continuument et de façon
homogène - par exemple, sous forme d'atomes d'hydrogène - de sorte à ce que malgré l'expansion la densité d'énergie demeure
constante. L'univers étant alors toujours de même densité, il est toujours semblable et n'a plus d'âge.
En 1950 on peut donc considérer qu'il existe deux classes de théories principales :
- Les univers d'Einstein-de Sitter et Friedmann-Lemaître, avec singularité initiale et âge fini.
- L'Univers stationnaire de Hoyle
Hoyle critiquera également la théorie de Lemaître de l'atome primitif et l'idée d'un état initial très dense de l'Univers en général
par des arguments notamment philosophiques : il apparente la théorie de Lemaître - qui est par ailleurs prêtre - à la Création
biblique. Il fera référence à ce modèle qu'il conteste sous le nom de "Big Bang". C'est le premier emploi de cette dénomination
dans la cosmologie. Les observations disponibles à l'époque ne permettant pas d'éliminer l'une de ces théories, et le débat
prend une tournure philosophique.
