Cosmologie

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 Ne doit pas être confondu avec Cosmogonie.

Carte du fond diffus cosmologique, objet d'étude important de la cosmologie moderne, obtenue par reconstruction des observations du satellite WMAP.

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

Depuis le XVIII^e siècle, la cosmologie s'est émancipée de la métaphysique et de la théologie : la distinction entre cosmologie scientifique, l'objet de cet article, et cosmologie religieuse est abordée dans le paragraphe suivant. Les autres paragraphes traitent de l'angle moderne de la cosmologie scientifique.

La notion d'univers a évolué au cours de l'Histoire. Alors que la Terre était généralement considérée comme un point fixe (théorie géocentrique, défendue entre autres par Aristote et Ptolémée), la Renaissance a vu émerger l'idée que notre planète n'occupait pas de position privilégiée dans l'univers (principe copernicien), et n'en était certainement pas au centre. C'est à partir du XVII^e siècle que les premiers instruments d'observation astronomiques ont fait leur apparition (lunette astronomique de Galilée, puis télescope d'Isaac Newton), permettant d'arpenter le cosmos, et de réfléchir à sa structure, puis, à partir du XX^e 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 de l'orbitation de la Terre, au XVIII^e 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, et sont échafaudées de façon à être des théories satisfaisantes les plus compatibles avec les observations à une époque donnée. 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 au profit de l'héliocentrisme, découverte des échelles de distance interstellaires, de la structure de la Voie lactée, et de l'expansion de l'univers). Les modifications moins drastiques d'une théorie donnée sont plus fréquentes (ajouts de l'inflation cosmique, de la matière noire et de l'énergie noire au modèle standard de la cosmologie, par exemple).

Les cosmologies religieuses, quant à elles, sont le fruit 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 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, 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 de vue symbolique et non littéral. Aussi, les textes fondamentaux peuvent être ajustés dans le temps. C'est l'objet de l'exégèse de trouver les mots justes pour passer des textes anciens à leur traduction et interprétation dans le contexte contemporain. Ainsi, on peut constater que certains passages cosmologiques de la Bible, si controversés au XVII^e 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, notre galaxie, la Voie lactée n'étant qu'une galaxie 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 de leur cosmologie religieuse, au point de réclamer l'enseignement 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 est également abordée en philosophie par la cosmogonie. Elle développe plusieurs concepts cosmologiques, par exemple dans la philosophie de Kant.

Histoire des cosmologies scientifiques

La cosmologie scientifique établie à un instant donné dépend de façon importante de ce que l'on connaît de l'univers. Avant le XIX^e siècle, l'univers connu était essentiellement réduit au seul système solaire, et la cosmologie portait donc uniquement sur la formation de celui-ci. Ce n'est qu'à partir de la première moitié du XIX^e 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 XX^e 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. 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.

Tenter de définir les conditions nécessaires et suffisantes permettant de mettre en œuvre le Big-Bang est hors du cadre de la science. Fait le lien entre une cosmologie à explication philosophique, indiquant la présence initiale de l'Être comme élément déclencheur et une nouvelle approche cosmologique scientifique nécessite une nouvelle synthèse.

La cosmologie moderne

Quelques ordres de grandeur

Distances

La Terre est une planète de taille relativement modeste (environ 6 370 km de rayon), en orbite autour d'une étoile, le Soleil. La distance Terre-Soleil est utilisée pour définir l'unité astronomique, soit environ 150 millions de kilomètres. 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-Neptune. La plupart des étoiles visibles à l'œil nu dans le ciel nocturne 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 Galaxie a un rayon environ 2 fois plus grand que cette distance, pour un diamètre d'environ 100 000 années-lumière. Ces dimensions en font une galaxie typique de l'univers.

Si l'on excepte les galaxies naines qui existent en nombre dans le voisinage de notre galaxie, la galaxie massive la plus proche de nous est la galaxie d'Andromède, dont la distance est légèrement 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 appelé Groupe local, large de quelques millions d'années-lumière. Il existe d'autres structures plus grandes dans l'univers, appelées amas de galaxies et superamas. 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. Les superamas sont les plus grosses structures existant dans l'univers, toutefois leur taille ne dépasse pas 200 à 300 millions d'années-lumière.

La taille de l'univers observable est, elle, estimée à 43 milliards d'années-lumière^[1].

On estime à :

• 10 millions le nombre de superamas situés dans l'univers observable;
• 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 de la Terre est d'environ 5 tonnes par mètre cube. Étant donné sa taille, sa masse est d'environ 6×10²⁴ kg. Le Soleil, qui est une étoile typique, est environ 300 000 fois plus massif, soit 2×10³⁰ kg. Pour les objets plus gros (galaxies, amas de galaxies), il est de coutume d'utiliser la masse solaire comme unité de masse, le kilogramme 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 les composent. On est à peu près certain aujourd'hui qu'en plus de la matière 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'interagit 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 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 quelque 10¹⁵ masses solaires. Rapportés à leur taille, les superamas sont des objets extrêmement peu denses : quelques dizaines d'atomes par mètre cube seulement. La masse de l'univers observable est estimée à 1,4×10²⁴ masses solaires^[2].

Durées

La période de révolution de la Terre autour du Soleil est d'une année (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 nucléaire 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. L'univers lui-même tel que nous le connaissons n'est pas éternel. Il est issu d'une phase extrêmement dense et chaude, le Big Bang, qui s'est produit il y a environ 13,7 milliards d'années.

Apports de la relativité générale

La cosmologie a pour but de décrire l'univers et sa formation, 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 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 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. 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. C'est là l'idée fondatrice du Big Bang, dont le modèle a émergé au milieu du XX^e 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 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, 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 de son expansion, et la donnée de son contenu matériel déterminé pour partie par l'observation directe, pour partie par un ensemble d'éléments théoriques et observationnels. 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 spatiale est nulle (c'est-à-dire que la géométrie à grande échelle 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, 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, et appelée génériquement énergie noire, entrant pour 70 % dans la composition du contenu matériel de l'univers

À ceci s'ajoute le rayonnement électromagnétique, principalement sous la forme d'un fond homogène de photons issus de la phase dense et chaude de l'histoire de l'univers, le fond diffus cosmologique. 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'ondes 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 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 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 plus lointain détectable à l'heure actuelle (le fond diffus cosmologique) ayant été émis environ 380 000 ans plus tard. Un certain nombre de scénarii 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, à l'heure actuelle, non plus connu avec certitude, mais, un grand nombre d'éléments laissent penser que l'expansion de l'univers se poursuivra indéfiniment (voir accélération de l'expansion de l'univers). Une autre question non résolue est celle de la topologie de l'univers, c'est-à-dire sa structure à très grande échelle, où diverses idées ont été proposées (voir l'article Topologie de l'Univers).

Références et sources

Notes

Voir aussi

• Astronomie et Histoire de l'astronomie
• Astrophysique
• Big Bang
• Cosmologie non standard
• Expansion de l'Univers
• Frise chronologique du Big Bang
• Modèle standard de la cosmologie
• Révolution copernicienne, géocentrisme, héliocentrisme
• Table des constantes astrophysiques
• Univers

Liens externes

• Programme national de cosmologie (coordination officielle de la recherche cosmologique en France)
• (en) Ned Wright: Cosmology tutorial and FAQ
• Bases de cosmologie sur le site français de la mission Planck
• Sites grand public sur la cosmologie
• La cosmologie, laboratoire pour l'infiniment petit sur Futura-Sciences
• Vulgarisation des principaux aspects de la cosmologie

Bibliographie

• Ouvrages grand public sur la cosmologie
• Ouvrages spécialisés sur la cosmologie

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