Modèle cosmologique - Définition

Introduction

Un modèle cosmologique est une description mathématique de toute ou d'une partie de l'histoire d'un univers, éventuellement différent du nôtre (voir ci-dessous), basée sur une théorie physique, en général la relativité générale ou éventuellement une autre théorie relativiste de la gravitation. Les premiers modèles cosmologiques au sens donné ci-dessus datent de la naissance de la relativité générale, au début du XX^e siècle. Le premier d'entre eux fut l'univers statique d'Albert Einstein, proposé par ce dernier dès 1917, mais rapidement abandonné après la découverte de l'expansion de l'univers à la fin des années 1920.

Le terme de modèle cosmologique est en général employé dans deux contextes différents :

• Soit il s'agit d'étudier l'évolution d'un univers soumis à des lois physiques, sans prétendre reproduire la réalité observée : le modèle permet d'étudier les conséquences des hypothèses de départ.
• Soit il s'agit de proposer un scénario ayant pour but de décrire l'univers observable ainsi que l'histoire de celui-ci. Dans ce cas, le modèle est toujours basé sur une théorie physique, mais dépend d'un certain nombre de paramètres libres (les « ingrédients » du modèle), appelés en cosmologie paramètres cosmologiques. L'étude vise alors à chercher s'il existe un ou plusieurs jeux de paramètres cosmologiques qui permettent de rendre compte des phénomènes observés.

Viabilité et critères de pertinence d'un modèle cosmologique

De nos jours, tous les modèles cosmologiques viables sont basés sur le modèle du Big Bang dans lequel l'univers a connu une phase très dense et très chaude il y a environ 13,7 milliards d'années. Certaines variantes du scénario, décrivant les instants les plus reculés de cette phase dense et chaude, sont cependant envisageables et sont en compétition pour expliquer différentes observations astronomiques, en particulier celles du fond diffus cosmologique et des catalogues de galaxies.

Dans un tel modèle cosmologique, les différentes étapes du scénario doivent pouvoir être décrites par une théorie physique. Il y a essentiellement cinq critères pour distinguer un modèle cosmologique pertinent d'un mauvais modèle :

1. Tout d'abord, il faut que le modèle soit réaliste du point de vue des connaissances actuelles en physique.
2. Ensuite, il faut que le modèle soit explicatif : il doit expliquer des phénomènes déjà observés (par exemple l'expansion de l'univers et l'évolution des galaxies).
3. Enfin, il faut qu'il soit prédictif, c'est-à-dire qu'il prédise les résultats d'expériences ou d'observations non encore réalisées, ou éventuellement qu'il soit capable d'expliquer des observations que les modèles concurrents n'expliquent pas. Une autre possibilité est que le modèle s'avère être en mesure d'expliquer un phénomène qu'il n'avait pas la vocation d'expliquer au départ.
4. Pour départager deux modèles concurrents, l'on fait aussi entrer en considération le nombre d'hypothèses faites pour décrire le modèle. À pouvoir prédictif égal, on préfèrera celui qui utilise le moins d'hypothèses.
5. Enfin, on fait parfois entrer en ligne de compte un aspect qualifié d'« esthétique », au sens que les scientifiques donnent à ce terme, c'est-à-dire au sens où l'on regarde à quel point les hypothèses du modèle apparaissent simples, logiques et naturelles dans le cadre de la théorie physique où il s'insère. C'est un critère plus subjectif que les autres, souvent sujet à débats.