Analyse critique du modèle standard de la cosmologie

Le modèle standard de la cosmologie est le nom donné au modèle cosmologique qui s'est peu à peu imposé comme offrant la seule description réaliste de la majeure partie de l'histoire de l'univers, du Big Bang jusqu'à nos jours. Un ensemble de modèles plus ou moins élaborés ont cependant vu le jour au cours des décennies passées. Ces modèles, qualifiés de cosmologies non standard proposent ou prétendent offrir une vision radicalement différente de l'histoire et la structure à grande échelle de l'univers.

Le concept de cosmologie non standard ne doit pas être confondu avec celui de solutions exactes des équations de la relativité générale (les équations d'Einstein) décrivant un univers dans son ensemble, mais dont la description s'avère être physiquement irréaliste. l'univers de Gödel, découvert à la fin des années 1940 par Kurt Gödel, ou l'espace de Taub-NUT, découvert peu après, sont des solution exactes de la relativité générale, mais n'ayant pas la prétention de décrire l'univers. Ces solutions présentent cependant un réel intérêt, car elles mettent en évidence certains aspects de la théorie de la relativité générale qui ne transparaissent pas dans des contextes plus réalistes.

Sommaire 1 Motivation et contexte 2 Théories ayant donné lieu à une certaine activité académique 2.1 L'univers d'Einstein 2.2 Théorie de la lumière fatiguée 2.3 La théorie de l'état stationnaire 2.4 L'univers plasma 3 Modèles ayant eu un certain écho auprès du grand public 3.1 Créationnisme 4 Statut scientifique 5 Notes 6 Voir aussi

Motivation et contexte

On distingue en pratique deux types de cosmologies non standard :

• Celles qui datent d'une époque où le modèle cosmologique actuel n'était pas bien étayé par des observations, et qui offraient à l'époque une alternative plausible au scénario finalement retenu. Ces modèles ont de ce fait fait l'objet d'une certaine activité académique, avec un certain nombre d'articles publiés dans des revues scientifiques à comité de lecture. La pertinence de ces modèles a effectivement été débattue, mais ceux-ci ont peu à peu été abandonnés, s'avérant en désaccord profond avec certaines observations. La théorie de l'état stationnaire, proposé à la fin des années 1940 par Fred Hoyle, Thomas Gold et Hermann Bondi, ainsi que l'univers d'Einstein, proposé en 1917 par Albert Einstein, sont des exemples de cosmologie désormais non standard ayant donné lieu à une certaine quantité de travaux publiés dans des revues scientifiques à comité de lecture.
• Celles, postérieures, qui ont été proposées alors qu'elles n'offraient pas d'alternative intéressante au modèle standard. La plupart de ces modèles n'ont guère fait l'objet de travaux autres que ceux de leurs auteurs. Il s'agit donc d'idées qui ont toujours été extrêmement marginales au sein du milieu académique. Certaines d'entre elles ont cependant fait l'objet d'une certaine couverture médiatique et leur nom est connu auprès du grand public. Dans le monde francophone, la théorie des univers jumeaux du chercheur à la retraite Jean-Pierre Petit (inspirée de la théorie homonyme mais n'ayant pas non plus eu un fort impact scientifique d'Andrei Sakharov), ou l'instanton gravitationnel de taille nulle, d'Igor et Grichka Bogdanoff sont des exemples de modèles n'ayant pas donné lieu à une activité scientifique autre que celle de leurs auteurs respectifs, mais néanmoins popularisés par leurs auteurs par des ouvrages destinés au grand public (« On a perdu la moitié de l'univers » et « Avant le Big Bang », respectivement). Dans cette catégorie peuvent aussi se ranger diverses tentatives de discours prétendument scientifique tenu par certains religieux. Le dessein intelligent, considéré comme relevant de la pseudo-science par l'académie des sciences américaine^[1], et critiqué par le Vatican^[2], entre dans cette catégorie.

Dans un cas comme dans l'autre, on assiste à deux types de justification distinctes pour ce type de modèles :

• d'une part le fait qu'il existe (ou existerait) une tension entre le modèle standard de la cosmologie et des observations qui rendrait le premier incompatible avec ces dernières. Ces tensions sont invoquées pour justifier la nécessité de rechercher d'autres scénarios cosmologiques ;
• d'autre part un argumentaire de nature plus abstraite, lié au fait que le modèle standard de la cosmologie offre un aspect plus descriptif qu'explicatif de l'univers. Ce critère, souvent plus subjectif, peut être mis en parallèle avec l'hypothèse des épicycles de Ptolémée, qui permettait de prédire avec une grande précision les mouvements des planètes, tout en reposant sur un ensemble de concepts relativement peu convainquant d'un point de vue physique.

Théories ayant donné lieu à une certaine activité académique

L'univers d'Einstein

Le tout premier modèle cosmologique issu des équations de la relativité générale a été proposé par Albert Einstein en 1917. Il a par la suite été appelé univers d'Einstein. L'univers d'Einstein reposait sur deux hypothèses, à savoir que l'univers était statique^[3], et qu'il était homogène. Ces deux hypothèses ont mené Einstein à proposer une solution aux équations de la relativité générale décrivant un univers dit « sphérique », c'est-à-dire possédant une courbure spatiale positive, et ayant une structure par certains côté semblable à celle d'une sphère ordinaire, mais possédant une dimension de plus. Cette hypothèse a mené Einstein à proposer (voire à déduire dans le cadre de ses hypothèses de départ) l'existence d'une forme de matière ayant une action répulsive à grande distance, indispensable pour compenser l'attraction gravitationnelle de la matière ordinaire. Cette forme de matière fut appelée par Einstein constante cosmologique.

L'univers d'Einstein fut abandonné à la fin des années 1920 suite à la mise en évidence par Edwin Hubble de l'expansion de l'univers. Il semble qu'Einstein ait toujours été mal à l'aise avec l'idée que l'espace-temps puisse être dynamique, et l'hypothèse de l'expansion de l'univers n'a été acceptée par lui qu'avec une certaine réticence^[4].

Théorie de la lumière fatiguée

La théorie de la lumière fatiguée est une tentative proposée par Albert Einstein pour réconcilier son hypothèse d'univers statique avec l'observation de l'expansion de l'univers. Cette dernière étant déduite de l'observation d'un décalage vers le rouge proportionnel à la distance pour les galaxies, cette idée a été également préconisé par Fritz Zwicky dans 1929 comme explication alternative possible. Einstein avait émis l'hypothèse que la lumière puisse, pour une raison non précisée perdre de l'énergie proportionnellement à la distance parcourue, d'où le nom de « lumière fatiguée ». Si pour un photon individuel la lumière fatiguée est indistinguable de l'hypothèse de l'expansion de l'univers, elle fait des prédictions différentes dans certains contextes. En particulier, une distribution de photons présentant un spectre de corps noir garde, même si elle n'est pas à l'équilibre thermique un spectre de corps noir du fait de l'expansion de l'univers, avec une température qui décroît au cours du temps. Dans le cas de la lumière fatiguée, un spectre de corps noir est déformé au cours du temps. Le fond diffus cosmologique représente l'ensemble des photons issus de la phase dense et chaude qu'a connu l'univers primordial. Il n'interagissent pas avec la matière actuelle, du fait de la trop faible densité de celle-ci^[5]. Le fond diffus cosmologique possédait par le passé un spectre de corps noir, du fait qu'il était, alors que l'univers était très dense et très chaud, en interaction avec la matière. Depuis ces interactions ont cessé, environ 380 000 ans après le Big Bang (époque dite de la recombinaison). Il est aujourd'hui observé que le fond diffus cosmologique possède encore un spectre de corps noir (c'est même le corps noir le plus parfait connu). Ce fait observationnel, établi au début des années 1990 par le satellite COBE (et qui a valu le Prix Nobel de physique 2006 au responsable de l'instrument FIRAS ayant permis d'etablir de résultat, John C. Mather) invalide l'hypothèse de la lumière fatiguée.

La théorie de l'état stationnaire

La théorie de l'état stationnaire est un modèle proposé à la fin des années 1940 par Fred Hoyle, Thomas Gold et Hermann Bondi, supposant que l'univers est éternel et immuable. L'origine de cette idée était double : d'une part étendre le concept du principe cosmologique dans le temps, d'autre part, réconcilier des tensions qui existaient à l'époque entre l'âge de l'univers déduit de la valeur de la constante de Hubble et l'âge des plus vieilles étoiles^[6]. La théorie de l'état stationnaire stipulait que l'univers était en expansion, mais que la dilution causée par celle-ci était compensé par un phénomène de création de matière par l'intermédiaire d'un champ appelé champ C. Ainsi, l'univers serait dans cette hypothèse éternel et stationnaire.

Ce modèle fut mis en difficulté par la découverte du fond diffus cosmologique dans le courant des années 1960, le fond diffus cosmologique n'étant explicable que par le fait que l'univers ait connu une phase dense et chaude par le passé. Les tenants de l'état stationnaire essayèrent d'invoquer une possible thermalisation du rayonnement stellaire par de minuscules aiguillettes de fer, sans pour autant prouver rigoureusement qu'une abondance de fer pouvait être produite par l'évolution stellaire. Un autre problème plus général avec ce modèle réside dans son incapacité à expliquer la métallicité observée de l'univers. L'évolution stellaire prédit en effet que l'abondance d'hélium produit par l'évolution stellaire est de l'ordre de 3 à 4 fois plus grande que celle de l'ensemble des éléments plus lourds. Observationnellement, on observe qu'environ 25% de la masse de la matière baryonique de l'univers est sous forme d'hélium, et seulement 2% sous la forme d'éléments plus lourds, signe qu'il doit exister de l'hélium produit avant les premières générations d'étoiles. Enfin, l'état stationnaire ne prédit pas d'évolution des populations de galaxies en fonction de leur éloignement, contrairement aux observations récentes, qui mettent clairement en évidence une évolution de la masse, de la métallicité, du taux d'interaction et de la morphologie de ces objets.

Incapable de rendre compte de très nombreuses observations, ce modèle fut abandonné par ses auteurs eux-mêmes au profit de la théorie de l'état quasi-stationnaire. Cette théorie reste basée sur l'idée que l'univers crée au cours du temps de la matière, mais se distingue de la théorie de l'état stationnaire par le fait que l'univers n'est pas dans un état stationnaire (c'est-à-dire que sa densité moyenne n'est plus constante au cours du temps, la dilution causée par l'expansion de l'univers n'étant plus exactement contrebalancée par le phénomène de création de matière), mais a une histoire cyclique, basée sur une alternance de phases d'expansion et de contraction. Ces idées sont dénoncées par la grande majorité des cosmologues comme étant fallacieuses et erronées^[7]. En particulier, on devrait observer que des objets lointains présentent non pas un décalage vers le rouge, mais un décalage vers le bleu, signe qu'ils sont suffisamment loin pour être vus à une époque où l'univers était dans une phase de contraction.

L'univers plasma

L'univers plasma est un modèle cosmologique proposé par le Prix Nobel de physique Hannes Alfvén, dont la principale caractéristique est d'affirmer que les phénomènes de nature électromagnétique jouent un rôle d'égale importance que celle de la gravitation dans la structuration de l'univers à grande échelle. En particulier, l'observation de diverses structures filamentaires dans l'univers était présentée par Alfvén comme la preuve de l'existence de courants électriques à très grande échelle. L'univers plasma n'a pas fait l'objet de travaux de nature quantitative. Il ne fait pas non plus de prédictions, même qualitatives, sur l'expansion de l'univers (ou en tout cas la croissance linéaire du décalage vers le rouge des galaxies avec la distance), le fond diffus cosmologique, ou la nucléosynthèse primordiale.

Du fait du prestige légitime de son inventeur, l'univers plasma possède un petit nombre de supporter, essentiellement issus de la physique des plasma. Quelques articles scientifiques ont été publiés dans la revue IEEE Transactions on Plasma Science, qui ne publie pas de travaux dans d'autres domaines de l'astrophysique^[8]. Dans le monde anglo-saxon, le concept de l'univers plasma a été diffusé auprès du grand public par un livre écrit par le chercheur indépendant Eric Lerner, intitulé The Big Bang never happened (« Le Big Bang n'a jamais eu lieu »). Ce chercheur n'a cependant pas de production notablement citée par le restant de la communauté scientifique^[9], et ses travaux ne font pas l'objet de commentaires publiés. Tout au plus le cosmologue Edward L. « Ned » Wright, entre autres membre des missions COBE et WMAP lui consacre-t-il une rubrique sur sa page professionnelle décrivant les erreurs de raisonnement qu'il a trouvées dans le livre précité^[10]. Ces critiques ont fait l'objet d'une réponse de la part de Lerner^[11], sans pour autant répondre à toutes les objections soulevées par Wright.

Modèles ayant eu un certain écho auprès du grand public

Créationnisme

Le créationnisme au sens large est la thèse selon laquelle la Terre l'Univers, a été créé par un être suprême, c'est-à-dire un dieu. Usuellement, l'expression est utilisée pour qualifier la thèse selon laquelle l'univers a été créé littéralement tel que le décrit la Bible; une version modernisée, à l'apparence scientifique, ne prétend pas que l'univers a été mis en place tel qu'il est aujourd'hui en six jours, mais affirme que son évolution a été guidée. Les deux thèses sont considérées comme non scientifiques car non réfutables au sens de Karl Popper.

Statut scientifique

Les cosmologies non standard ne présentent pas les critères considérés comme essentiels à un modèle cosmologique réaliste (c'est pour cela qu'elles peuvent être considérées comme « non standard », voir Modèle cosmologique — Viabilité et critères de pertinence d'un modèle cosmologique). En particulier, aucun de ces modèles n'est suffisamment étudié par ses promoteurs pour être confronté de façon détaillée aux données observationnelles précises comme les anisotropies du fond diffus cosmologique mesurées avec une extrême précision par le satellite artificiel WMAP, ou la répartition spatiale des galaxies, révélée par des grands relevés comme le 2dF ou le SDSS. En général, ces modèles souffrent de toute façon d'un certain nombre de défauts qui rendent ce type d'analyse détaillée inutile. Un exemple trivial est l'univers d'Einstein, qui, ne prédisant pas l'expansion de l'univers, est nécessairement incompatible avec les observations cosmologiques les plus élémentaires, et ne nécessite donc pas d'être confronté à des observations précises récentes. Les tenants de ces cosmologies non standard invoquent pour leur part une incompréhension de leurs travaux par la communauté scientifique pour expliquer le peu d'intérêt suscité par leurs travaux^{[réf. nécessaire]}.

Notes

Voir aussi

• Cosmologie
• Big Bang
• Expansion de l'univers
• Modèle standard de la cosmologie

Quelques modèles cosmologiques

Atome primitif • Big Bang • Big Crunch • Big Rip • Classification de Bianchi • Cosmologie branaire • Cosmologie cordiste • Dimensions supplémentaires • Espace anti de Sitter • Espace de Sitter • Espace de Taub-NUT • Inflation cosmique • Modèle ΛCDM • Modèle cyclique • Modèle OCDM • Modèle SCDM • Modèle standard de la cosmologie • Pré Big Bang • Théorie de l'état stationnaire • Univers d'Einstein • Univers de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker • Univers de Gödel • Univers de Milne • Univers de de Sitter • Univers ekpyrotique • Univers en tore bidimensionnel • Univers fractal • Univers hésitant • Univers mixmaster • Univers phénix

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