Position du problème : qu'est-ce qu'un modèle cosmologique réaliste ?
Les deux principales caractéristiques de l'univers observable sont que celui-ci est homogène et isotrope à grande échelle, et qu'il est en expansion. Le but de la cosmologie est donc de proposer un modèle décrivant un tel univers, et expliquant les structures qui s'y sont formées. En pratique, la dynamique de l'expansion de l'univers est régie par la relativité générale, ou éventuellement une autre théorie relativiste de la gravitation[De tels modèles, comme la théorie MOND sont relativement marginaux.]. Celle-ci prédit que si l'univers est, comme on l'observe, homogène et isotrope, alors celui-ci possède en général une dynamique (il est soit en expansion, soit en contraction). L'expansion observée de l'univers indique que celui-ci était plus dense et plus chaud par le passé. Un certain nombre d'indications, notamment l'abondance des éléments légers (issus de la nucléosynthèse primordiale), indique que cette phase chaude a atteint au moins une température de 1 milliard de degrés : c'est le Big Bang.
L'univers actuel comporte un grand nombre de structures comme les étoiles, les galaxies, les amas de galaxies et les super amas : à grande échelle, il est homogène, mais est plutôt irrégulier à petite échelle. L'observation de l'univers 380 000 ans après le Big Bang, par l'intermédiaire du fond diffus cosmologique montre par contre que l'univers était à cette époque bien plus homogène qu'il ne l'est aujourd'hui. Le mécanisme d'instabilité de Jeans permet d'expliquer que les objets astrophysiques puissent éventuellement se former à partir d'une répartition de matière initialement peu inhomogène, l'effet attractif de la gravité ayant tendance à aider des régions plus dense que leur environnement à attirer la matière voisine. C'est donc progressivement que les grandes structures de l'univers se sont formées. Les détails de ce processus de formation des grandes structures dépend par contre de nombreux paramètres, en particulier les propriétés des formes de matière qui emplissent l'univers.
L'objectif d'un modèle cosmologique réaliste est donc de proposer un scénario qui permette de rendre de compte le plus précisément possible de l'ensemble des observations. L'on distingue essentiellement deux étapes :
- Celle qui relève de la cosmologie primordiale qui doit expliquer :
- comment pendant le Big Bang l'univers a pu se trouver dans l'état très homogène que l'on observe par le fond diffus cosmologique,
- pourquoi à cette époque de petites irrégularités existaient déjà,
- comment les différentes formes de matière que nous connaissons (matière baryonique, c'est-à-dire les atomes, neutrinoss, photon) ont pu être issus du Big Bang ;
- Celle qui relève plus de la cosmologie observationnelle, qui doit expliquer :
- la répartition actuelle des galaxies, amas de galaxies et super amas révélée par les catalogue de galaxies,
- les propriétés physiques de ceux-ci (taille, masse, température, etc),
- l'évolution de leur répartition que l'on observe en comparant la répartition actuelle de ces objets à celle qu'ils avaient par le passé en observant les époques plus anciennes de l'histoire de l'univers.
Les tests cosmologiques disponibles
Pour cela, un certain nombre d'observations sont à disposition :
- la mesure de l'abondance des éléments légers : il est établi que quand la température de l'univers descend en dessous d'un milliard de degré, protonss et neutron qui existent alors se combinent pour former parfois quelques noyaux atomes à faible numéro atomique : deutérium, hélium et lithium : c'est la nucléosynthèse primordiale. Les abondances relatives de ces éléments dit « légers » dépend des conditions physiques qui régnaient à cette époque ;
- le fond diffus cosmologique, qui offre une photo de l'univers à l'époque où celui-ci est devenu suffisamment peu dense pour que la lumière puisse s'y propager librement (époque dite de la recombinaison, environ 380 000 ans après le Big Bang) ;
- les observations des galaxies, amas de galaxies et super amas situés à différentes distances et donc vus à différentes époques,
- la mesure de l'influence gravitationnelle de ceux-ci sur leur environnement par les effets de lentille gravitationnelle
- la mesure de l'absorption par de la matière non concentrée dans les galaxies du rayonnement des quasars lointain (forêt Lyman α),
- la mesure du taux d'expansion de l'univers (la constante de Hubble), ainsi que de son évolution au cours du temps par l'intermédiaire de la distance de luminosité de certains objets comme les supernovae de type Ia.
Dans un futur plus ou moins éloigné, il est envisageable d'observer d'autres phénomènes qui permettraient de sonder d'autres aspects de l'univers observable :
- Le fond cosmologique de neutrinos, qui correspond à l'équivalent du fond diffus cosmologique, mais pour les neutrinos. Celui-ci a été émis bien plus tôt dans l'histoire de l'univers, une fraction de secondes après le Big Bang.
- Le fond cosmologique d'ondes gravitationnelles, qui représente des ondes gravitationnelles primordiales issues de l'époque où des effets de gravité quantique se produisaient dans l'univers. Il permettrait de sonder l'univers à des époques encore plus anciennes.
Le contenu matériel de l'univers
La matière baryonique
Le fond diffus cosmologique
Les neutrinos cosmologiques
La matière noire
L'énergie noire
La formation des grandes structures dans l'univers
La génération de fluctuations de densité dans l'univers
Le modèle standard de la cosmologie ....
... Et quelques raffinements possibles
Expériences futures
Notes et références
Notes
Références
