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Le Big-Bang en 8 paramètres (ou plus...)

Jean-paul KNEIB, directeur de recherche du CNRS au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, dirige une équipe spécialisée dans la cosmologie observationnelle. Il est auteur de nombreuses publications dans ce domaine. Il nous a donc proposé un exposé sur les origines de l’Univers « Le Big-Bang en huit paramètres (ou davantage) … » à travers diverses étapes du développement des modèles en astronomie.

Cette conférence a eu lieu le 5 janvier 2010

- Newton. Notre vision du monde a évoluée depuis les modèles où la terre est le centre de l’Univers jusqu’au modèle héliocentrique. Une première loi, celle de Newton, nous fournit un premier paramètre, la constante gravitationnelle G qui permet de relier la force gravitationnelle entre deux corps à leurs masses et à l’inverse du carré de leur distance.

- Einstein. La relativité généralisée d’Einstein redéfinit la gravitation en reliant trois paramètres, la courbure de l’espace-temps, la constante cosmologique Λ et le tenseur masse/énergie T.

- Hubble. relie la vitesse d’éloignement des galaxies V à leur distance D par la « constante » de Hubble H : V = H0 . D. Selon la variation de H0 en fonction du temps, l’Univers sera en expansion linéaire, ou accélérée ou décélérée (alors la phase d’expansion ralentirait jusqu’à un nouveau collapse, le Big-Crunch). Des mesures récentes très précises du satellite WMAP lancé en 2001 ainsi que d’autres mesures complémentaires donnent H0 = 72 km/s/Mpc d’où un âge de l’Univers de 13,7 milliards d’années (à 1% près !).

- Le Big-Bang. Des premières secondes de l’Univers à 380 000 ans, c’est la théorie de la mécanique quantique qui explique la formation des particules et de la matière primitive. Ensuite, lors de l’époque de la recombinaison, la lumière (les photons) peut « s’échapper » et traverser « tout l’Univers » pour parvenir jusqu’à nous. De ce premier événement « visible » il reste une trace encore détectable : c’est le fond cosmologique mesurer à une température actuelle de 2,7 K.

- Friedmann. Les équations de Friedmann se déduisent directement de celles d’Einstein et déterminent la géométrie et l’évolution de l’Univers. Elles introduisent les notions de densité Ω : densité de rayonnement ΩR , densité de matière ΩM , etc.

- Matière noire. C’est Zwicky (en 1933 puis 1937) qui a émis l’hypothèse de la matière noire, qui a été ensuite confirmée par de nombreuses observations.

- Le bilan masse/énergie de l’Univers est étonnant : la masse visible (étoiles) représente 0,5 % de la masse totale, les gaz (H + He) environ 4 %. La matière noire pourrait représenter 25 %, et il reste ce qu’on appelle énergie noire ou énergie sombre qui devra représenter les 70 % restant, dont on ne peut pratiquement rien dire, mais qui est relier à la constante cosmologique introduite par Einstein. Ces avancées proviennent notamment des observations du fond cosmologique, des observations à travers les lentilles gravitationnelles, par exemple l’expérience COSMOS (qui demande à être généralisée à des observations de tout le ciel car COSMOS n’a observé que 2 millions de galaxies dans un carré de 2 x 2 degrés sur le ciel), et l’observation des supernovae de type 1a.

- Supernovae. Les supernovae de type 1a résultent de l’explosion d’étoiles toutes similaires (les naines blanches) et leur observation permet entre autres de mesurer la vitesse d’expansion de l’Univers au moment de leur explosion. On en a déduit que l’expansion de l’Univers est accélérée ! La force qui permet cette expansion et s’oppose à la gravitation est précisément reliée à cette mystérieuse énergie noire.

- Energie noire. La conférence se termine sur quelques interrogations. Tous ces modèles reposent sur des hypothèses qu’il s’agit de vérifier. Dans le domaine de la mécanique quantique, la confirmation du modèle repose sur la détection de la dernière particule encore à découvrir : le boson de Higgs. Au CERN à Genève, l’accélérateur LHC devrait apporter une réponse dans quelques années. Pour l’énergie noire, des observations avec les télescopes au sol (d’ici 2014) et dans l’espace avec JDEM ou EUCLID (vers 2020) devraient permettre d’en savoir davantage.