Chapitre 8: Implications cosmologiques

Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment la théorie générale de la relativité d'Einstein a radicalement modifié nos conceptions de l'espace, du temps et de la gravité. La théorie interprète la gravité non pas comme une force, mais comme une manifestation de la courbure de l'espace-temps, cette courbure étant causée par la présence de masse et d'énergie. Les équations de champ d'Einstein fournissent une description mathématique de la façon dont la géométrie de l'espace-temps est déterminée par la distribution de la matière et de l'énergie.

Alors que les implications de la relativité générale ont été spectaculairement confirmées à l'échelle du système solaire, certaines de ses conséquences les plus profondes émergent lorsque nous considérons l'univers dans son ensemble. Dans ce chapitre, nous explorerons comment la relativité générale, lorsqu'elle est appliquée à la cosmologie, conduit à une nouvelle image dramatique d'un univers dynamique et en évolution. Nous verrons comment les observations d'Edwin Hubble au début du XXe siècle ont fourni les premières preuves d'un univers en expansion, et comment cette idée, combinée à la relativité générale, forme la base du modèle du Big Bang en cosmologie. Nous rencontrerons également l'un des plus grands mystères de la physique moderne - la nature de l'énergie sombre, une forme mystérieuse d'énergie qui semble être responsable de l'accélération de l'expansion de l'univers.

L'Univers en Expansion et la Loi de Hubble

L'histoire de la cosmologie moderne commence au début du XXe siècle avec les travaux de l'astronome américain Edwin Hubble. En utilisant le télescope Hooker de 100 pouces à l'observatoire du Mont Wilson en Californie, Hubble a fait une série d'observations révolutionnaires qui ont transformé notre compréhension de l'univers.

Une des observations clés de Hubble concernait la nature de certaines taches floues de lumière dans le ciel nocturne appelées "nébuleuses". De nombreux astronomes pensaient que ces nébuleuses étaient des structures gazeuses relativement petites au sein de notre propre galaxie, la Voie lactée. Cependant, Hubble a pu résoudre des étoiles individuelles à l'intérieur de certaines de ces nébuleuses et, en comparant leur luminosité apparente avec celle d'étoiles similaires dans la Voie lactée, il pouvait estimer leur distance. À sa surprise, il a découvert que ces nébuleuses étaient en réalité extrêmement lointaines, bien au-delà des limites de la Voie lactée. Hubble avait découvert que l'univers était beaucoup plus vaste que ce que l'on croyait auparavant, rempli de nombreux "univers insulaires" - ce que nous appelons maintenant des galaxies.

Mais la découverte la plus profonde de Hubble est venue lorsqu'il a examiné les spectres de lumière de ces galaxies lointaines. Il a constaté que les raies spectrales des éléments connus étaient systématiquement décalées vers le rouge, un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge. Le degré de ce décalage augmentait avec la distance de la galaxie. Ce décalage vers le rouge est interprété comme un décalage Doppler, causé par le mouvement de la galaxie qui s'éloigne de nous. Plus le décalage vers le rouge est important, plus la galaxie s'éloigne rapidement.

Les observations de Hubble l'ont conduit à une conclusion remarquable : l'univers est en expansion. Les galaxies ne sont pas statiques, mais s'éloignent les unes des autres comme des raisins dans une miche de pain qui lève. De plus, la vitesse de récession d'une galaxie est proportionnelle à sa distance par rapport à nous. Cette relation est connue sous le nom de loi de Hubble :

$$v = H_0 d$$

Ici, $v$ est la vitesse de récession d'une galaxie, $d$ est sa distance par rapport à nous et $H_0$ est une constante de proportionnalité connue sous le nom de constante de Hubble. La valeur de la constante de Hubble est une mesure du taux actuel d'expansion de l'univers.

La découverte de Hubble de l'univers en expansion a été une révélation. Elle a renversé la croyance bien établie en un cosmos statique et immuable et a introduit l'idée que l'univers a une histoire - qu'il a évolué au fil du temps. Cette réalisation a marqué la naissance de la cosmologie moderne.

Le Modèle du Big Bang

La découverte de l'expansion de l'univers suggère immédiatement une question profonde : si les galaxies s'éloignent maintenant les unes des autres, étaient-elles plus proches par le passé ? En extrapolant en arrière dans le temps, il semble qu'à un moment donné dans un passé lointain, toute la matière de l'univers serait été concentrée en un point infiniment dense - une singularité. Cette idée forme la base du modèle du Big Bang en cosmologie.

Selon le modèle du Big Bang, l'univers a commencé il y a environ 13,8 milliards d'années dans un état extrêmement chaud et dense. À ce moment initial, l'univers était infiniment dense et infiniment chaud. Puis il s'est expansé et refroidi rapidement. Au fur et à mesure, il a subi une série de transitions de phase, un peu comme l'eau qui se transforme en vapeur lorsqu'elle est chauffée ou en glace lorsqu'elle est refroidie. Ces transitions ont conduit à la formation des particules et des forces fondamentales telles que nous les connaissons.

Dans les premiers stades du Big Bang, l'univers était une marmite bouillonnante d'énergie. En se dilatant et en se refroidissant, cette énergie a commencé à se condenser en matière - d'abord des quarks et des électrons, puis, à mesure que l'univers refroidissait davantage, ces quarks se sont combinés pour former des protons et des neutrons. Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'univers s'était suffisamment refroidi pour que ces protons et ces électrons se combinent pour former des atomes, principalement de l'hydrogène et de l'hélium. Cette période, appelée recombinaison, a marqué le découplage de la matière et du rayonnement. Avant ce point, les photons interagissaient constamment avec les particules chargées, rendant l'univers opaque. Après la recombinaison, les photons pouvaient se déplacer librement et l'univers est devenu transparent. Le rayonnement de fond cosmique, également connu sous le nom de bruit de fond cosmique, est le fond uniforme de rayonnement micro-onde qui remplit le ciel. Il a été détecté pour la première fois en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson. Le CMB a un spectre de corps noir thermique correspondant à une température d'environ 2,7 Kelvin, ce qui confirme le modèle du Big Bang. Les légères irrégularités dans le CMB, cartographiées en détail par le satellite COBE dans les années 1990, fournissent un instantané de l'univers au moment de la recombinaison, et sont les graines à partir desquelles toutes les structures cosmiques futures - galaxies, étoiles et planètes - se développeraient grâce à l'action de la gravité.

Le modèle du Big Bang, basé sur l'observation de l'expansion de l'univers et l'existence du CMB, fournit une description remarquablement réussie de l'histoire de l'univers. Il explique l'origine des éléments légers dans l'univers précoce grâce au processus de nucléosynthèse du Big Bang, et il fournit un cadre pour comprendre la formation des structures cosmiques.

Cependant, le modèle n'est pas sans problèmes. Le modèle standard du Big Bang repose sur plusieurs conditions initiales très spécifiques - l'univers précoce doit être extrêmement uniforme, avec une répartition précise de la matière, et il doit avoir un taux d'expansion très spécifique. Des écarts par rapport à ces conditions conduiraient à un univers très différent de celui que nous observons. Ce problème des conditions initiales est connu sous le nom de problème de la platitude et du problème de l'horizon.

De plus, le modèle standard du Big Bang prédit l'existence de certaines particules exotiques, telles que les monopôles magnétiques, qui n'ont jamais été observées. C'est ce qu'on appelle le problème du monopôle.

Ces problèmes ont été abordés dans les années 1980 par la théorie de l'inflation cosmique. Selon la théorie de l'inflation, dans l'univers très précoce, il y a eu une période d'expansion exponentielle extrêmement rapide, entraînée par un champ hypothétique appelé l'inflaton. Cette expansion rapide a lissé les irrégularités initiales, conduisant l'univers à un état plat et homogène. Elle a également dilué les particules exotiques à des niveaux non observables. L'inflation fournit une solution élégante aux problèmes du modèle standard du Big Bang et est devenue une partie intégrante de la cosmologie moderne, même si la nature physique du champ de l'inflaton reste un mystère.

Énergie noire et univers en expansion accélérée

À la fin des années 1990, l'étude des supernovae lointaines a conduit à une découverte surprenante qui révolutionnerait une fois de plus notre compréhension du cosmos. Les supernovae, les morts explosives des étoiles massives, sont extrêmement lumineuses et peuvent être observées sur de vastes distances cosmiques. Un type particulier de supernova, connue sous le nom de Type Ia, est particulièrement utile pour la cosmologie. Ces supernovae se produisent lorsqu'une naine blanche dans un système binaire accumule de la matière de son compagnon, déclenchant finalement une explosion thermonucléaire. Puisque les conditions de cette explosion sont toujours similaires, les supernovae de type Ia ont une luminosité intrinsèque très constante. En comparant cette luminosité intrinsèque avec leur luminosité apparente, les astronomes peuvent déterminer leur distance. Elles servent de "bougies standard" pour mesurer l'échelle de l'univers.

En 1998, deux équipes indépendantes d'astronomes, le Supernova Cosmology Project et le High-Z Supernova Search Team, ont utilisé les supernovae de type Ia pour mesurer l'histoire de l'expansion de l'univers. Ils s'attendaient à trouver que l'expansion de l'univers ralentissait en raison de l'attraction gravitationnelle de la matière. Au lieu de cela, ils ont découvert le contraire : l'expansion de l'univers s'accélère.

Ce résultat était choquant et inattendu. Dans les modèles cosmologiques standard, l'univers pouvait se dilater indéfiniment à un rythme décroissant, ou il pouvait éventuellement s'effondrer sur lui-même dans un "Big Crunch", mais une expansion accélérée n'était pas prévue. La seule façon d'expliquer cette accélération dans le cadre de la relativité générale était d'introduire une nouvelle composante à l'univers : l'énergie noire.

L'énergie noire est une forme hypothétique d'énergie qui imprègne tout l'espace et a une pression négative. Selon les équations de la relativité générale, la pression de la matière et de l'énergie contribue à l'effet gravitationnel. La matière normale a une pression positive, ce qui la fait se regrouper gravitationnellement. L'énergie noire, avec sa pression négative, a l'effet inverse : elle fait en sorte que l'univers se dilate plus rapidement.

Le modèle le plus simple pour l'énergie noire est la constante cosmologique, notée par la lettre grecque $\Lambda$. La constante cosmologique a été initialement introduite par Einstein comme une modification de ses équations pour permettre un univers statique. Il l'a ensuite abandonnée après la découverte de l'expansion de l'univers par Hubble, la qualifiant de sa "plus grande erreur". Cependant, dans le contexte de l'énergie noire, la constante cosmologique a fait un retour remarquable. Elle peut être interprétée comme la densité d'énergie intrinsèque du vide.

Le modèle standard actuel de la cosmologie, connu sous le nom de modèle $\Lambda$CDM (matière sombre froide avec une constante cosmologique), inclut à la fois l'énergie noire sous la forme de $\Lambda$ et la matière sombre, une forme invisible de matière qui n'interagit qu'à travers la gravité, pour expliquer la structure et l'évolution observées de l'univers. Dans ce modèle, l'énergie noire représente environ 68% de la densité totale d'énergie de l'univers, tandis que la matière sombre représente environ 27%. La matière ordinaire, tout ce que nous pouvons voir et toucher, représente moins de 5% de l'univers. Alors que le modèle $\Lambda$CDM a connu un succès remarquable dans l'explication d'un large éventail d'observations cosmologiques, la nature physique de l'énergie sombre reste l'un des mystères les plus profonds en physique. La valeur observée de la constante cosmologique est de nombreux ordres de grandeur plus petite que la valeur prédite par la théorie quantique des champs, une divergence connue sous le nom de problème de la constante cosmologique. Des modèles alternatifs d'énergie sombre, tels que la quintessence, qui propose un champ d'énergie sombre dynamique et évolutif, ont été proposés, mais distinguer entre ces modèles par des observations est difficile.

La découverte de l'énergie sombre a des implications profondes pour le destin ultime de l'univers. Dans un univers dominé par la matière, l'expansion finirait par ralentir et s'inverser, conduisant à un Big Crunch. Dans un univers avec une constante cosmologique, cependant, l'expansion continuera à accélérer, conduisant à un "Big Freeze". Dans ce scénario, les galaxies finiront par s'éloigner les unes des autres si rapidement que la lumière de l'une ne pourra plus atteindre l'autre. L'univers deviendra froid, sombre et vide.

Conclusion

L'application de la relativité générale à la cosmologie a entraîné une transformation profonde de notre compréhension de l'univers. Le cosmos statique et éternel de Newton a été remplacé par un univers dynamique et évolutif qui a commencé par un Big Bang chaud et qui s'est ensuite étendu et refroidi. La découverte de l'expansion de l'univers, du fond diffus cosmologique et de l'énergie sombre a dressé le portrait d'un univers plus étrange et plus merveilleux que nous aurions pu l'imaginer.

Cependant, ce tableau est loin d'être complet. La nature de la matière sombre et de l'énergie sombre, qui représentent ensemble 95% de l'univers, reste inconnue. La physique de l'univers très précoce, où les effets quantiques deviennent importants, est encore mal comprise. Et le destin ultime de l'univers, s'il continuera à s'étendre indéfiniment ou s'il s'effondrera finalement sur lui-même, reste une question ouverte.

Répondre à ces questions nécessitera de nouvelles observations et de nouvelles intuitions théoriques. Les futures enquêtes cosmologiques, telles que le Grand Télescope Synoptique et le satellite Euclid, cartographieront la structure de l'univers avec une précision sans précédent, fournissant de nouveaux tests de la relativité générale et de nouvelles contraintes sur la nature de l'énergie sombre. Les observatoires d'ondes gravitationnelles, tels que LIGO et Virgo, ouvriront une nouvelle fenêtre sur l'univers précoce et la physique des trous noirs. Et les développements théoriques, tels que la théorie des cordes et la gravité quantique en boucles, peuvent fournir un cadre pour unifier la relativité générale avec la mécanique quantique, une étape clé vers une théorie complète de la gravité quantique.

Un siècle après la théorie révolutionnaire d'Einstein, l'étude de l'univers continue d'être l'un des domaines les plus excitants et les plus dynamiques de toute la science. Alors que nous continuons à explorer les implications de la relativité générale pour la cosmologie, nous pouvons nous attendre à de nombreuses surprises et révélations dans les années à venir. L'histoire de l'univers, du Big Bang au futur lointain, est toujours en train d'être écrite.