Cosmologie
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La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.

Introduction

Depuis le XVIIIe siècle, la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) s'est émancipée de la métaphysique et de la théologie : la distinction entre cosmologie scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et...), l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) de cet article, et cosmologie religieuse est abordée dans le paragraphe suivant. Les autres paragraphes traitent de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) moderne de la cosmologie scientifique.

La notion d'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) a évolué au cours de l'Histoire. Alors que la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) était généralement considérée comme un point fixe (En mathématiques, pour une application f d’un ensemble E dans lui-même, un élément x de E est un point fixe de f si f(x) = x.) (théorie géocentrique, défendue entre autres par Aristote (Aristote (en grec ancien Ἀριστοτέλης / Aristotélês) est un philosophe grec...) et Ptolémée), la Renaissance a vu émerger l'idée que notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante...) n'occupait pas de position privilégiée dans l'univers (principe copernicien), et n'en était certainement pas au centre. C'est à partir du XVIIe siècle que les premiers instruments d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) astronomiques ont fait leur apparition (lunette astronomique de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du...), puis télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter...) d'Isaac (ISAAC est un algorithme capable de générer des nombres pseudo-aléatoires, tombé dans le domaine public en 1996. Son auteur, Bob Jenkins, l'a conçu de manière à ce...) Newton), permettant d'arpenter le cosmos, et de réfléchir à sa structure, puis, à partir du XXe siècle, à son histoire et son évolution.

Cosmologies scientifiques et cosmologies religieuses

Les cosmologies sont divisées en deux groupes : on distingue les cosmologies scientifiques des cosmologies religieuses.

Jusqu'à ce que l'on ait la preuve optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de l'orbitation de la Terre, au XVIIIe siècle (avec la découverte de l'aberration des étoiles par James Bradley), la cosmologie faisait encore partie de la métaphysique. Dans la classification de Christian Wolff (1729), c'était en effet une des trois disciplines de la " métaphysique spéciale ", avec la théologie (Dieu), et la psychologie (l'Âme).

Par nature, les cosmologies scientifiques se confrontent à la méthode scientifique (On appelle méthode scientifique l'ensemble des canons guidant ou devant guider le processus de production des connaissances scientifiques, que ce soit des observations, des expériences, des...), et sont échafaudées de façon à être des théories satisfaisantes les plus compatibles avec les observations à une époque donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.). La qualité des observations allant en s'améliorant, les théories sont régulièrement affinées, de façon à tenir compte de celles-ci, au gré des progrès scientifiques et technologiques. Dans certains cas, elles peuvent être abandonnées au profit d'autres théories si les observations s'avèrent impossibles à réconcilier avec elles. Les grands changements de paradigme restent relativement rares dans l'histoire de la cosmologie (abandon du géocentrisme (Le géocentrisme est une conception du monde et de l'univers, qui place la Terre immobile, en son centre. Cette conception date de l'antiquité et a été notamment défendue par...) au profit de l'héliocentrisme (L'héliocentrisme est une conception du monde et de l'Univers qui place le Soleil en son centre. Malgré quelques précurseurs, comme Aristarque de Samos, on attribue en général le principe de...), découverte des échelles de distance interstellaires, de la structure de la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie...), et de l'expansion de l'univers). Les modifications moins drastiques d'une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) donnée sont plus fréquentes (ajouts de l'inflation cosmique (L'inflation cosmique est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang lors duquel une région de l'univers comprenant l'univers observable a connu une phase d'expansion très...), de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus,...) et de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) noire au modèle standard de la cosmologie, par exemple).

Les cosmologies religieuses, quant à elles, sont le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le...) des textes fondamentaux d'une religion donnée. Ces cosmologies présentent en général une profonde cohérence avec les autres principes fondamentaux de cette religion, et notamment la morale, l'éthique, et la métaphysique. La question de savoir si l'univers est le fruit d'une création divine est l'objet d'autres discussions. Les cosmologies religieuses n'ont pas aujourd'hui la prétention d'échafauder des théories scientifiques, ou d'imposer quelque affirmation concernant la structure physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) de l'univers. Elles sont plutôt vues comme une représentation sociale qui soit partageable par la communauté des fidèles d'une religion donnée. Par conséquent, et afin d'éviter la confusion, elles se doivent de présenter un certain caractère de stabilité dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), qui évite des remaniements intempestifs des textes fondamentaux.

On considère aujourd'hui que l'interprétation (herméneutique) des textes bibliques doit être considérée d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) symbolique et non littéral. Il est important de noter aussi que les textes fondamentaux peuvent être ajustés dans le temps. C'est l'objet de l'exégèse de trouver les mots justes pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) des textes anciens à leur traduction et interprétation dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui...) contemporain. Ainsi, on peut constater que certains passages cosmologiques de la Bible, si controversés au XVIIe siècle (voir l'affaire Galilée et la question de l'héliocentrisme), ont été reformulés dans une version qui semble moins prêter à confusion. Du reste, les passages bibliques s'intéressent généralement à la Terre et à ses habitants, ou aux " cieux ", alors que la cosmologie scientifique étudie le cosmos dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...), notre galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie,...), la Voie lactée n'étant qu'une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) parmi d'autres.

Certains religieux radicaux contestent l'interprétation uniquement symbolique et prétendent que la véracité des textes religieux étant un fait acquis, la cosmologie qu'ils décrivent est également vraie. Ces religieux critiquent ainsi les aspects de la cosmologie scientifique qui sont en désaccord avec leur cosmologie religieuse. Dans certains cas, ils peuvent nier la pertinence de toute étude scientifique qui ne va pas dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par...) de leur cosmologie religieuse, au point de réclamer l'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances...) de l'une à égalité avec l'autre (voir créationnisme). Cette attitude est unanimement considérée comme non scientifique chez les physiciens, et généralement désavouée par la grande majorité des pratiquants modérés de ces religions.

La question de l'origine du monde (Le mot monde peut désigner :) est également abordée en philosophie par la cosmogonie (Parmi les très nombreux récits traditionnels, ceux qui relatent les origines du monde, des dieux ou des institutions appartiennent souvent à la catégorie des mythes. Les figures idéales et les modèles...). Elle développe plusieurs concepts cosmologiques, par exemple dans la philosophie de Kant.

Histoire des cosmologies scientifiques

La cosmologie scientifique établie à un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) donné dépend de façon cruciale de ce que l'on connaît de l'univers. Avant le XIXe siècle, l'univers connu était essentiellement réduit au seul système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de...), et la cosmologie portait donc uniquement sur la formation de celui-ci. Ce n'est qu'à partir de la première moitié du XIXe siècle que la distance aux étoiles proches a pu être connue (à partir de 1838 grâce à Friedrich Wilhelm Bessel). L'étude de la répartition spatiale des étoiles au sein de notre galaxie a ensuite été effectuée jusqu'au début du XXe siècle. Enfin, dans les années 1920 la nature extragalactique de ce que l'on appelait alors les " nébuleuses " (aujourd'hui les galaxies) a été découverte par Edwin Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en l'honneur...). Peu après, celui-ci a également découvert l'expansion de l'univers, c'est-à-dire le fait que les galaxies de l'univers s'éloignent les unes des autres, et ce d'autant plus vite qu'elles sont loin. La cosmologie telle qu'on l'entend aujourd'hui est donc l'étude de la structure, l'histoire et l'évolution d'un univers empli de galaxies à perte de vue.

La cosmologie moderne

Quelques ordres de grandeur

Distances

La Terre est une planète de taille relativement modeste (environ 6 300 km de rayon), en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.), le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...). La distance Terre-Soleil vaut une unité astronomique (L’unité astronomique (symbole ua) correspond approximativement à la longueur du demi-grand axe de l’orbite terrestre. Historiquement, les mesures astronomiques se résumaient à des mesures géométriques, et ne...), soit environ 150 millions de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...). D'autres planètes orbitent autour du Soleil. La planète la plus éloignée du Soleil (en ne comptant pas les planètes naines) est Neptune, distante d'environ 4 milliards et demi de kilomètres du Soleil, soit trente fois la distance Terre-Soleil.

Le système solaire est lui-même plongé dans une structure, la Galaxie (dans le cas de notre galaxie: la Voie lactée), comprenant plusieurs centaines de milliards d'étoiles. L'étoile la plus proche du Soleil, Proxima du Centaure, est située à un peu plus de 4 années-lumière, soit 45 000 milliards de kilomètres de celui-ci, soit 10 000 fois plus que la distance Soleil-Pluton. La plupart des étoiles visibles à l'œil nu dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) nocture sont à des distances de plusieurs dizaines, voire quelques centaines d'années-lumière. Le Soleil n'est aucunement situé au centre de la Galaxie. Il en est environ à 25 000 années lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...); la Galaxie a un rayon environ 2 fois plus grand que cette distance, pour un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une valeur...) d'environ 100 000 années-lumière. Ces dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) en font une galaxie typique de l'univers.

Si l'on excepte les galaxies naines qui existent en nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) dans le voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout...) de notre galaxie, la galaxie massive (Le mot massif peut être employé comme :) la plus proche de nous est la galaxie d'Andromède, dont la distance est légèment supérieure à 2 millions d'années-lumière. Notre galaxie et celle d'Andromède sont les deux représentants les plus massifs d'un groupe de galaxies (Un groupe de galaxies est une association de moins d'une centaine de galaxies liées par la gravitation. Au-delà de ce nombre, une telle association est appelée amas de galaxies ou...) appelé Groupe local (Le Groupe local est l'ensemble d'une trentaine de galaxies auquel appartient notre Galaxie. Son diamètre est d'environ 3 millions de parsecs.), large de quelques millions d'années-lumière. Il existe d'autres structures plus grandes dans l'univers, appelées amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de...) et superamas (En astronomie, un superamas est une association d'amas et de groupes de galaxies.). L'amas le plus proche du Groupe local est l'amas de la Vierge (ou amas de Virgo, du nom latin de la constellation), lui même situé près du centre du superamas de la Vierge (Le superamas de la Vierge, également appelé superamas local, est un superamas de galaxies qui contient le Groupe local et donc notre Galaxie.). Les superamas sont les plus grosses structures existant dans l'univers. Leur taille ne dépasse pas 200 à 300 millions d'années-lumière.

La taille de l'univers observable (L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de notre Univers. Par définition même, la limite...) est, elle, estimée à 43 milliards d'années-lumière[1].

On estime à :

  • 10 millions le nombre de superamas situés dans l'univers observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus généralement une information sur un...);
  • 25 milliards le nombre d'amas de galaxies situés dans l'univers observable;
  • 350 milliards le nombre de galaxies massives (supérieure à ou de l'ordre de celle de notre galaxie) situées dans l'univers observable;
  • 30 000 milliards de milliards (3×1022) le nombre d'étoiles situées dans l'univers observable.

Masses

La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) de la Terre est d'environ 5 tonnes par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la...) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant exactement 6 faces, 12...). Étant donné sa taille, sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) est d'environ 6×1024 kg. Le Soleil, qui est une étoile typique, est environ 300 000 fois plus massif (Le mot massif peut être employé comme :), soit 2×1030 kg. Pour les objets plus gros (galaxies, amas de galaxies), il est de coutume d'utiliser la masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les étoiles ou les autres objets massifs. Elle est égale...) comme unité de masse, le kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI).) devenant une unité trop petite au vu des nombres en jeu.

Les observations indiquent que les galaxies sont significativement plus massives que les étoiles qui la composent. On est à peu près certain aujourd'hui qu'en plus de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) ordinaire dont nous sommes fait, il existe une autre forme de matière, actuellement inconnue en laboratoire, appelée matière noire. Contrairement à la matière ordinaire, cette matière noire n'intéragit pas avec la lumière et se trouve donc invisible. De plus, elle ne forme pas de structures compactes comme des étoiles, des planètes ou des astéroïdes, mais a une répartition nettement plus diffuse au sein des galaxies. La masse de la matière noire au sein des galaxies (et dans l'univers tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) entier) est environ six fois plus élevée que celle de la matière ordinaire. La masse de notre galaxie est donc d'un peu plus de mille milliards de masses solaires.

La masse estimée des superamas est d'environ quelques 1015 de masses solaires. Rapportée à leur taille, les superamas sont des objets extrêmement peu denses : quelques dizaines d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) par mètre cube seulement. La masse de l'univers observable est estimée à 1,4×1024 masses solaires[2].

Durées

La période de révolution (La période de révolution, est le temps mis par un astre pour accomplir sa trajectoire, ou révolution, autour d’un autre astre. Comme une planète autour du Soleil, ou un...) de la Terre autour du Soleil est d'une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) (en fait une année tropique). Plus les planètes sont éloignées du Soleil, plus leur période de révolution est grande, conséquence de la troisième loi de Kepler. Ainsi, Neptune a une période de 165 ans.

Les ordres de grandeurs augmentent considérablement si l'on regarde la période de révolution du Soleil autour du centre galactique : elle est d'environ 200 millions d'années. Les étoiles ne sont pas des objets immuables. Elles se forment, se mettent à briller, puis s'éteignent faute de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) en leur sein. L'âge du Soleil est d'environ 4,5 milliards d'années. Les étoiles les plus vieilles de notre galaxie ont environ 10 milliards d'années. C'est aussi l'âge de notre galaxie. Les galaxies aussi naissent à partir d'immenses nuages de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...). L'univers lui-même tel que nous le connaissons n'est pas éternel. Il est issu d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) extrêmement dense et chaude, le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que cela...), qui s'est produite il y a environ 13,7 milliards d'années.

Apports de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste de...)

La cosmologie a pour but de décrire l'univers, que l'on peut dans un premier temps représenter par une distribution relativement uniforme (à grande échelle) de matière. Il se trouve que la mécanique newtonienne (La mécanique newtonienne est une branche de la physique. Depuis les travaux d'Albert Einstein, elle est souvent qualifiée de mécanique classique.) s'avère incapable de décrire une distribution uniforme et infinie de matière. Pour décrire l'univers, il est indispensable de faire appel à la relativité générale, découverte par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut...) en 1915. Einstein est d'ailleurs le premier à publier un modèle cosmologique moderne, solution de sa théorie fraîchement découverte, mais décrivant un univers homogène fini et statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :). Ce modèle est essentiellement autant motivé par des considérations philosophiques que physiques, mais introduit une idée extrêmement ingénieuse (et un peu hasardeuse à l'époque), le principe cosmologique.

La découverte quelques années plus tard de l'expansion de l'univers par Edwin Hubble remet en cause le modèle d'univers statique d'Einstein et finit de jeter les bases de la cosmologie moderne : l'univers (ou en tout cas la région accessible aux observations) est en expansion, et décrit par la relativité générale. Son évolution est déterminée par cette théorie, ainsi que par les propriétés physiques des formes de matière présentes dans l'univers. C'est essentiellement en fonction de ces dernières que les différentes théories cosmologiques vont émerger.

Les observations indiquent que l'univers est en expansion. Il était plus dense et plus chaud par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le...). C'est là l'idée fondatrice du Big Bang, dont le modèle a émergé au milieu du XXe siècle. Il indique que l'univers tel que nous le connaissons est issu d'une phase dense et chaude (sans prétendre savoir ce qu'il s'est passé au tout début de cette phase), à l'issue de laquelle il était dans un état extrêmement homogène, c'est-à-dire sans objets astrophysiques (étoiles, galaxies...). Ces objets se sont par la suite formés par un mécanisme appelé instabilité gravitationnelle. À mesure que des objets astrophysiques se forment, les conditions physiques qui règnent dans l'univers changent, pour finalement produire l'univers tel que nous le connaissons. Le détail de ces processus dépend de nombreux paramètres, comme par exemple l'âge de l'univers, sa densité, et les propriétés des différentes formes de matière qui coexistent dans l'univers.

En pratique, les chercheurs élaborent des modèles cosmologiques, c'est-à-dire une sorte de scénario décrivant ici les différentes phases par lesquelles l'univers est passé depuis et éventuellement pendant le Big Bang. Dans les années 1990 a finalement émergé le modèle standard de la cosmologie, qui représente le modèle le plus simple à même d'expliquer l'ensemble des observations cosmologiques.

Le modèle standard de la cosmologie

La relativité générale, la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique....) et la théorie des champs, couplées à de nombreuses observations astronomiques permettent aujourd'hui d'ébaucher un scénario relativement fiable de l'histoire de l'univers sur les 13 ou 14 derniers milliards d'années. Il est de coutume désormais de parler d'un modèle standard de la cosmologie, à l'instar du modèle standard en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On...), bien que ce dernier soit quantitativement mieux testé et mieux contraint. Le modèle standard de la cosmologie est basé sur le concept de l'expansion de l'univers, et le fait que celui-ci ait été plus dense et plus chaud par le passé (d'où le terme de Big Bang chaud). Sa description repose sur l'utilisation de la relativité générale pour décrire la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de son expansion, et la donnée de son contenu matériel déterminé pour partie par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) directe, pour partie par un ensemble d'éléments théoriques et observationnels. L'on considère aujourd'hui que l'univers est homogène et isotrope (c'est-à-dire qu'il a toujours le même aspect quel que soit l'endroit d'où on l'observe et la direction dans laquelle on l'observe), que sa courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par...) spatiale est nulle (c'est-à-dire que la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces (géométrie...) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme...) correspond à la géométrie dans l'espace usuelle), et qu'il est empli d'un certain nombre de formes de matière, à savoir :

  • De la matière ordinaire (atomes, molécules, électrons, etc), aussi appelée matière baryonique, rentrant pour environ 5% de la composition de l'univers
  • Une autre forme de matière appelée matière noire (ou matière sombre), d'origine non baryonique, composée de particules massives non détectées à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...), entrant pour environ 25% de la composition totale
  • Une autre forme d'énergie dont la nature est mal connue, mais qui pourrait être une constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie compatible avec l'idée qu'il...), et appelée génériquement énergie noire, entrant pour 70% dans la composition du contenu matériel de l'univers

À ceci s'ajoute le rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.), principalement sous la forme d'un fond homogène de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) issus de la phase dense et chaude de l'histoire de l'univers, le fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.). Il existe également un fond cosmologique de neutrinos, non détecté à ce jour, mais dont l'existence est avérée par un certain nombre d'observations indirectes (voir l'article pour plus de détails), ainsi qu'un fond cosmologique d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) gravitationnelles, également non détecté, directement ou indirectement.

Il est probable que par le passé le contenu matériel ait été différent. Par exemple, il n'existe pas ou seulement très peu d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière...) dans l'univers, cependant on pense que par le passé matière et antimatière existaient en quantités égales, mais qu'un surplus de matière ordinaire s'est formé lors d'un processus, encore mal connu, appelé baryogenèse. À l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il...) actuelle, seules les époques les plus reculées de la phase d'expansion de l'univers sont mal connues. L'une des raisons à cela est qu'il n'est pas possible d'observer directement ces époques, le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) le plus lointain détectable à l'heure actuelle (le fond diffus cosmologique) ayant été émis environ 380 000 ans plus tard. Un certain nombre de scénarios décrivant une partie des époques antérieures existent, parmi lesquels le plus populaire est celui de l'inflation cosmique.

Le destin de l'Univers n'est pas non plus connu avec certitude à l'heure actuelle, mais un grand nombre d'éléments laissent penser que l'expansion de l'univers se poursuivra indéfiniment (voir accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une...) de l'expansion de l'univers). Une autre question non résolue est celle de la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) de l'univers, c'est-à-dire sa structure à très grande échelle, où diverses idées ont été proposées (voir l'article univers chiffonné).

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