L’espace et le temps<strong>Scintillations</strong>Dès le début du vingtième siècle, les physiciens peuvent sondeCette question est désormais bien encadrée dans le contexte de laau début du siècle dernier de la cosmologie physique.12La révolution relativiste constitue le fondement dela cosmologie. L’idée newtonienne d’un tempséternel et d’un espace infini, absolu, est dépasséedans la relativité restreinte, en faveur d’un espacetempsà quatre dimensions dans lequel chaque référentiel1 à vitesse constante est équivalent. La nécessité derendre la gravitationnewtonienne compatibleavec la relativitérestreinte conduit aupostulat de l’équivalencelocale entremouvement accéléréet gravitation : c’est lanaissance de la relativitégénérale commethéorie relativiste de lagravitation. On abandonnealors définitivementla géométrieeuclidienne en faveurd’un espace-tempscourbe. En 1915, Einstein établit la formulation définitivede ses équations qui relient le champ gravitationnelau contenu en matière-énergie de l’espace-temps.Dans un modèle d'univers homogèneet isotrope, l'espace peut prendre troisformes. Pour l'imaginer, on peut faireune analogie à deux dimensions.En haut, courbure négative : unvoyage sur une telle surface vouséloigne de plus en plus de votre pointde départ.Au milieu, courbure positive,géométrie d’une sphère : un voyagevous ramène à votre point de départ.Sans énergie noire, un tel universfinirait par s'effondrer sur lui-même.En bas, absence de courbure : mêmesans énergie noire, l’expansion del’Univers serait sans fin. Il semble quecela soit la forme de notre univers.Etant donné le lien entre la gravitation et les propriétésstructurelles de l’espace-temps, il est naturel de chercherune solution des équations de la relativité généralequi puisse s’appliquer à l’Univers dans sa totalité.Toutefois, le développement de la cosmologie moderneest basé sur une ultérieure innovation: l’abandon del’idée d’un espace-temps statique et la naissance duconcept de l’évolution temporelle de l’Univers. Cettenouvelle conception entraîne inévitablement la notiond’un début.Le premier modèle d’univers formulé par Einsteinau début du siècle dernier est cependant statique. Il(1) Référentiel : Système d'axes de coordonnées muni d'unehorloge destinée à la mesure des distances et du temps.Les différentes conceptions de l’espacetempsdans les théories de Newton etd’Einstein. Pour Newton, l’espace etle temps sont fixes et immuables, alorsque <strong>pour</strong> Einstein l’espace est déforméet courbé par le contenu en matièreénergie,et le temps s’écoule de façondifférente selon l’observateur.est caractérisé par une densité dematière homogène et isotrope,constante dans l’espace mais aussiconstante dans le temps. Cet universest fini. Il a une géométrie sphériqueet la courbure de son espace-tempsest fixée positive. Pour rendre sonunivers stable malgré l’attraction gravitationnelle dueà la présence de la matière, Einstein introduit uneconstante arbitraire dans ses équations, qui joue le rôled’une force répulsive.Bien que le modèle d’univers d’Einstein soit désormaisdépassé, l’existence de cette constante cosmologiqueest plus que jamais d’actualité : dans le contexte dela théorie quantique des champs, elle représente lacontribution du vide quantique au contenu en matièrede l’espace-temps, et <strong>pour</strong>rait être responsable del’expansion accélérée de l’Univers. L’existence d’uneforme d’énergie inconnue, appelée énergie noire,agissant comme une force répulsive et entraînant uneexpansion accélérée dans la métrique de l’Univers, estl’un des problèmes clefs de la cosmologie actuelle.L’autre aspect du modèle cosmologique d’Einstein quireste valide et essentiel dans la cosmologie moderne,est l’homogénéité et l’isotropie de la distributionde matière. En gardant cette hypothèsede base, quelques temps après laformulation de la relativité générale,les physiciens Alexander Friedmannet Georges Lemaître envisagèrentque le rayon de courbure del’espace-temps puisse varieravec le temps. Ils dépassent lanotion d’un univers statiqueet formulent des solutionsdes équations d’Einsteind é c r i v a n t u n u n i v e r sdynamique, en expansionou en contraction, selonles valeurs des paramètresde courbure, de la densitéde matière et de la constantecosmologique. Ils jettentainsi les bases de la théorie dubig bang : celui d’un univers enexpansion, avec une singularitéinitiale : les corps célestes s’éloignentalors les uns des autres et l'Univers baignedans un rayonnement diffus, réminiscence del’époque primordiale.
Par Chiara Caprinir le mystère des origines de l'Univers.physique théorique, après la naissanceCe modèle cosmologiqueest maintenant unanimementaccepté par la communautéscientifique, grâceà trois preuves expérimentalesprincipales : la confirmationobservationnelle de laloi de Hubble, qui établit queles galaxies s’éloignent entreelles avec une vitesse proportionnelleà leur distance ; la mesure dufond diffus cosmologique, le rayonnementélectromagnétique émis environ380 000 ans après le big bang,témoin de l’époque initiale de l’évolutionde l’Univers, quand la matière demeurait encoredans l’état ionisée ; et la mesure des abondances deséléments légers tels que l’hélium, qui, selon la théoriede la nucléosynthèse, se seraient formés quelques minutesaprès le big bang.Bien que nous comprenions maintenant que l'Universémerge, une seconde après le big bang, d’un état denseet chaud, et rentre, à partir de ce moment là, dans lapériode d’expansion connue, il subsiste de grandspoints d'interrogations, essentiellement concentréssur la phase initiale. Cette époque est le champ derecherche de la cosmologie quantique, où la physique del’infiniment grand et celle de l’infiniment petit sont enconnexion. Ces recherches ont conduit à des nouvellesthéories, dont l’inflation, qui recueille maintenantun large consensus grâce à ses prédictions précisesetmesurables sur les anisotropies en température dufond diffus cosmologique. Mais une descriptionsatisfaisante de la phase initiale de l’histoire del’Univers ne <strong>pour</strong>ra s’obtenir qu’en faisantappel à une théorie des interactionsdes particules élémentaires etultimement de la gravitationquantique qui est encore en voiede développement. Le mystèredes origines demeure.Vue d’artiste de l’évolution de l’Univers depuis le big bang jusqu’àprésent. La première phase d’expansion accélérée, appelée inflation,a généré les minuscules fluctuations en densité de matière qui sesont après transformées en galaxies et amas de galaxies. Les mêmefluctuations sont visibles dans le fond diffus cosmologique sous formede fluctuations en température, mesurées aujourd’hui par le satelliteWMap. A présent, l’Univers se trouve dans une phase d’expansionaccélérée due à la présence de l’énergie noire.Le modèle du big bangModèle cosmologique selon lequel l’Univers émerged’un état initial dense et chaud avant une phased’expansion que nous observons encore aujourd’hui.Ce terme fut inventé dans les années 1950,au cours d’un programme de la BBC, parapparencedu perpétuelChiara Caprini est chercheur CNRSà l'Institut de physique théorique du <strong>CEA</strong><strong>Saclay</strong>. Son domaine de recherche est lacosmologie théorique, principalement les champsmagnétiques primordiaux et le fond diffus d'ondesgravitationnelles.l’astrophysicien Fred Hoyle <strong>pour</strong> désigner avecironie* le concept «d’explosion originelle»introduit dans le modèle cosmologique développédans les années 1920 par les physiciensGeorges Lemaître et Alexander Friedmann.Depuis la découverte du fond diffus cosmologiqueen 1964, le modèle du big bang est unanimementaccepté par la communauté scientifique. Ce modèlen’explique pas l’origine de l’état initial de l’Univers,mais décrit son évolution depuis ce moment.*Comment oser traiter BB par le mépris ? (NDLR)n° 79 juin 200913