Formation des structures - Définition et Explications

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Plasma primordial

La fin de l'inflation s'appelle le réchauffement, lorsque les particules de l'inflation se désintègrent en un plasma thermique chaud d'autres particules. A cette époque, le contenu énergétique de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) se présente entièrement sous forme de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...), avec les particules du modèle standard affectées de vitesses relativistes (proches de la vitesse (On distingue :) de la lumière). On pense que, le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) se refroidissant, la baryogenèse et la leptogenèse se produisent, en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) que le plasma de quark-gluon se refroidit, la rupture de symétrie électrofaible se produit et l'Univers devient alors principalement composé de protons, de neutrons et d'électrons ordinaires. L'Univers se refroidissant encore, la nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux...) du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...) survient et sont alors créées de petites quantités de noyaux de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1...), hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) et lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.). L'Univers se refroidissant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en s'expansant, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) commence à se décaler vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...), les particules deviennent non-relativistes, et la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) ordinaire devient dominante dans l'Univers. Finalement, les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) se forment lorsque les électrons libres se lient à des noyaux. Ceci supprime la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) Thomson des photons. Se combinant avec la raréfaction de la matière (et en conséquence, l'augmentation des libres parcours moyens des photons), l'Univers devient transparent, et le rayonnement micro-ondes du fonds diffus est émis à l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) de la recombinaison (la surface de la dernière dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...)).

Oscillations acoustiques

L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) des structures ne croît pas de façon substantielle durant cette époque. Pour la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...), l'expansion de l'espace (causée par la composante des grandes radiations) est tellement rapide que la croissance est entièrement supprimée pour les particules de matière noire non-relativiste. De plus, la matière noire n'étant pas sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...), l'écoulement libre (en) empêche la croissance de petites structures. D'autre part, dans le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) relativiste, la très grande pression empêche la croissance de structures plus grandes que la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) de Jeans (en), qui est très proche du rayon de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) pour les rayonnements. D'où l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) des perturbations.

Ces perturbations sont cependant toujours très importantes puisqu'elles sont responsables de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) subtile résultant dans l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction....) micro-ondes du fond cosmologique. A cette époque, l'amplitude des perturbations qui entrent dans l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) oscille selon une sinusoïde, avec des régions denses encore plus raréfiées et devenant donc encore plus denses, avec une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) en relation avec la taille des perturbations. Si la perturbation oscille un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) entier ou demi-entier de fois entre son entrée dans l'horizon et la recombination, elle apparaît comme un pic acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...) sur l'anisotropie micro-ondes du fond cosmologique. Une demi-oscillation, dans laquelle une région dense devient une région raréfiée, ou vice-versa, apparaît comme un pic parce que l'anisotropie se présente comme un spectre de puissance, ainsi les sous-densités contribuent à la puissance tout autant que les sur-densités. La physique qui détermine la structure détaillée des pics du fond micro-ondes est compliquée, mais ces oscillations en fournissent l'essence.

L'Univers nouveau-né

Du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de la physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), les tous premiers instant de l'Univers restent encore une époque mal comprise. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) qui prévaut, l'inflation cosmique (L'inflation cosmique est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang lors...), contribue assez bien à expliquer la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure...) plate, l'homogénéité et l'isotropie (L'isotropie caractérise l’invariance des propriétés physiques d’un milieu en...) de l'Univers, de même que l'absence de particules exotiques qui seraient des reliques de cette époque (telles que les monopôles magnétiques). Par surcroît, elle a permis de faire une prédiction cruciale confirmée par l'observation : l'Univers primordial était porteur de faibles perturbations qui ont généré la formation des structures (La formation des structures est le processus primordial de genèse des structures observables...) dans l'Univers ultérieur. Ces fluctuations, alors qu'elles fondent toutes structures de l'Univers apparaissent seulement comme de faibles fluctuations de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) à une partie pour 100.000. Pour illustrer cet aspect, c'est comparable à une carte topographique (Une carte topographique est une carte à petite échelle représentant le relief déterminé par...) d'un continent (Le mot continent vient du latin continere pour « tenir ensemble », ou continens...) où les différence de niveaux ne dépasseraient pas le centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.). Ces fluctuations sont critiques, car elles sont les éléments à partir desquels se formeront et croîtront et finalement s'effondreront les plus grandes structures dans l'Univers pour donner des étoiles et des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...). Dans les années 1990, le satellite (Satellite peut faire référence à :) COBE (Cosmic Background Explorer) a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι...) la première détection des fluctuations propres au rayonnement de fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu...)

On pense que ces perturbations ont des caractéristiques très spécifiques : elles forment un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) gaussien aléatoire (en) dont la fonction de covariance (Pour le principe physique, voir Principe de covariance générale.) est diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non...) et presque d'échelle invariante. Les fluctuations observées se sont révélées comme ayant exactement cette forme, et de plus, l'indice spectral (qui mesure la déviation d'un spectre d'échelle invariante - ou Harrisson-Zel'Dovitch - mesuré par le satellite WMAP est très proche des valeurs prédites par le modèle d'inflation le plus simple et le plus robuste. Autre propriété importante des perturbations primordiales, le fait qu'elles soient adiabatiques (ou isentropiques entre les différentes variétés de matières qui composent l'Univers), est prédit par l'inflation cosmique et a reçu la confirmation des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...).

D'autres théories de l'Univers nouveau-né, qui prétendent effectuer des propositions très proches, ont été proposées telle que la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...) des branes gazeuses, le modèle cyclique, le modèle pré-Big Bang et l'Univers holographique. Mais elles en restent aux prémisses et ne sont pas très largement acceptées. Quelques théories comme celle des cordes cosmiques ont été très largement faussées par des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) d'une précision croissante.

Le problème de l'horizon

En trait plein, la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) physique du rayon de Hubble comme fonction du facteur d'échelle de l'Univers. En pointillé, la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) physique d'un mode de perturbation (en). Le croquis illustre comment le mode de perturbation sort de l'horizon durant la période de l'inflation cosmique pour y retourner durant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de domination du rayonnement. Si l'inflation cosmique n'avait jamais eu lieu, et si la domination du rayonnement se prolongeait dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) jusqu'à la singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou...) gravitationnelle, alors le mode de perturbation ne serait jamais sorti de l'horizon dans les tous premiers âges de l'Univers.

Un concept très important dans la théorie de la formation des structures est la notion de rayon de Hubble, souvent appelé plus simplement l'horizon, parce qu'il est en relation étroite avec l'horizon des particules. Le rayon de Hubble, est lié au paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) de Hubble H puisque R = c / H, où c est la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...). En simplifiant, il définit le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) de l'Univers proche qui a été récemment (dans la dernière période d'expansion) en contact causal avec l'observateur. Comme l'Univers est en expansion constante, sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'énergie diminue constamment (en l'absence de véritable matière exotique telle que l'énergie fantôme). Les équations de Friedmann établissent la relation entre la densité d'énergie de l'Univers et le paramètre de Hubble, et montre que le rayon de Hubble est en augmentation continue.

Dans la cosmologie du Big Bang, le problème de l'horizon relève que, sans l'inflation, les perturbations n'auraient jamais été en contact causal avant d'entrer dans l'horizon, et donc que l'homogénéité et l'isotropie de, par exemple, la distribution à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) des galaxies ne peut pas être expliquée. C'est parce que, dans une cosmologie de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (En cosmologie, la métrique Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (souvent abrégée FLRW) est une...) ordinaire, le rayon de Hubble croît plus rapidement que l'expansion de l'espace, ainsi les perturbations n'entrent absolument jamais dans le rayon de Hubble, et elles ne sont pas exclues lors de l'expansion de l'espace. Ce paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...) est résolu par l'inflation cosmique, qui suggère qu'il y a eu une phase d'expansion très rapide de l'expansion dans l'Univers nouveau-né, dans lequel le rayon de Hubble était presque constant. Aussi, l'isotropie à grande échelle observée aujourd'hui est causée par des fluctuations quantiques qui sont sorties de l'horizon pendant l'inflation cosmique.

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