Formation des structures - Définition et Explications

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Introduction

Chronologie du
Modèle standard de la cosmologie
WMAP 2008.png
  • Cosmologie quantique (?)
  • Ère de Planck (?)
  • Inflation cosmique
  • Préchauffage
  • Réchauffage
  • Ère de grande unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que...)
  • Baryogénèse
  • Transition électro-faible
  • Découplage des neutrinos
  • Ère leptonique
  • Nucléosynthèse primordiale (La nucléosynthèse primordiale est une théorie d'astrophysique qui permet d'expliquer...)
  • Transition matière-rayonnement
  • Recombinaison
  • Découplage du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...)
  • Âges sombres
  • Formation des grandes structures
  • Formation et évolution des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...)
  • Réionisation
  • Accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) de l'expansion
  • Destin de l'Univers :
    • Mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)
    • Big Crunch (En cosmologie, le Big Crunch est une des fins possibles à notre Univers. Analogiquement au...)
    • Big Rip (Le Big Rip (Grande déchirure en anglais) est un modèle cosmologique proposant un...)
Disciplines concernées
  • Gravité quantique (La gravité quantique est une branche de la physique théorique tentant d'unifier la...)
  • Physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...)
  • Relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...)
  • Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...)

La formation des structures est le processus primordial de genèse des structures observables dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) actuel à partir d'un état dense, chaud et surtout quasiment uniforme. Comprendre ce passage de l'homogène et uniforme à une grande diversité de structures est un enjeu fondamental en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...).

Généralités

Selon les modèles actuels, la structure de l'Univers observable (L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de...) s'est formée au cours des étapes suivantes :

  • Univers nouveau-né : à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...), un mécanisme tel que l'inflation cosmique (L'inflation cosmique est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang...) est la cause des conditions initiales de l'Univers : l'homogénéité, l'isotropie (L'isotropie caractérise l’invariance des propriétés physiques d’un milieu en...) et l'absence de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...)
  • Plasma primordial : l'Univers est dominé par le rayonnement pendant la majeure partie de cette étape, et du fait du libre déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) (en), les structures ne peuvent s'amplifier par gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...). Néanmoins, une évolution importante se produit, la nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux...) primordiale, qui crée les éléments primordiaux et l'émission du rayonnement du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu...). La structure détaillée de l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction....) du fond diffus cosmologique est aussi créée lors de cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...).
  • Croissance linéaire des structures : une fois que domine la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), en particulier la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) froide, l'effondrement gravitationnel de l'Univers peut commencer et amplifier les faibles défauts d'homogénéité demeurés après l'épisode d'inflation cosmique, causant la chute de la matière vers les régions denses et accentuant la rareté de la matière dans les régions où elle était initialement raréfiée. A ce stade, les inhomogénéités de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) sont décrites par une simple équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) différentielle linéaire.
  • Croissance non-linéaire des structures : au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure de l'accroissement de densification des régions déjà denses, l'approximation linéaire (En physique et en mathématiques, un développement limité d'une fonction f au voisinage de x0,...) qui décrit les inhomogénéités de densité commence à ne plus être valable (des particules adjacentes peuvent éventuellement commencer à se croiser selon des caustiques) et un traitement plus détaillé, utilisant pleinement la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) newtonienne de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), devient nécessaire. A côté de l'expansion de l'Univers en arrière-plan, causée par la Relativité Générale, l'évolution sur ces échelles comparativement réduites est habituellement bien approximée par la théorie newtonienne. C'est à ce stade que commencent à se former des structures telles que les amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la...) ou les halos galactiques. Pourtant, à ce régime, seules les forces gravitationnelles sont significatives parce que la matière noire, dont on pense qu'elle n'interagit que faiblement, joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle dominant.
  • Evolution gastrophysique : l'étape finale de l'évolution se déroule lorsque les forces électromagnétiques prennent de l'importance dans l'évolution de la structure, où la matière baryonique s'agglomère densément, comme dans les galaxies et les étoiles. Dans certains cas, tels que les noyaux actifs de galaxies et les quasars, la théories newtonienne ne fonctionnent plus convenablement et la Relativité Générale devient significative. On l'appelle gastrophysique du fait de sa complexité : il faut tenir compte de nombreux effets complexes différents, dont la gravité, la magnétohydrodynamique (La magnétohydrodynamique (MHD) est une discipline scientifique qui décrit le comportement...) et les réactions nucléaires.

Ces trois dernières étapes se produisent à des moments différents qui dépendent de l'échelle. Les échelles les plus grandes de l'Univers sont encore bien approximées par la théorie linéaire, alors que les amas et superamas (En astronomie, un superamas est une association d'amas et de groupes de galaxies.) de galaxies et de nombreux phénomènes localisés dans les galaxies doivent être modélisés au cours d'une approche nuancée, en prenant bien en compte toutes les forces. Ceci s'appelle la formation hiérarchique des structures : les structures liées gravitationellement les plus petites en premier, c'est-à-dire , les quasars et les galaxies, suivies par les groupes et amas puis les superamas de galaxies. On pense qu'à cause de la présence d'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers...) dans l'Univers, aucune échelle de structure supérieure ne peut s'y former.

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