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Francis Bernardeau Cosmologie Des fondements théoriques aux observations S A V

Francis Bernardeau Cosmologie Des fondements théoriques aux observations S A V O I R S A C T U E L S EDP Sciences/CNRS ÉDITIONS Illustration de couverture : Tranche de 25 mégaparsecs de côté montrant la croissance des structures dans l’univers. Cette image a été construite à partir d’une simulation numérique dite N-corps. Crédit : C. Pichon, Projet Horizon 2007. @ 2007, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtaboeuf, 91944 Les Ulis Cedex A et CNRS ÉDITIONS, 15, rue Malebranche, 75005 Paris. Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utili- sation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35. ISBN EDP Sciences 978-2-86883-954-1 ISBN CNRS ÉDITIONS 978-2-271-06564-3 À Élise. Préface La cosmologie et plus généralement l’astrophysique sont des sciences appli- quées qui ont pour objectif ultime une compréhension complète de la nature. Elles font appel aux domaines les plus avancés de la physique et, grâce aux technologies développées à la fin du vingtième siècle, il devient possible de sonder l’Univers de multiples manières et sur ses plus grandes échelles. La cosmologie observationnelle connaît ainsi un essor prodigieux en s’appuyant sur une masse de données considérable et de précision inégalée, provenant non seulement de télescopes géants, mais aussi de satellites ou de détecteurs de particules. L’étude et la compréhension de l’histoire de l’objet (< Univers D s’apparentent ainsi à une modélisation globale. Elles font appel à la théorie des champs, à la relativité générale, à la mécanique des fluides, à l’interaction de la matière et du rayonnement. La cosmologie moderne peut ainsi poser un ensemble de questions débouchant sur de nouvelles avancées en physique, voire à une remise en cause de ses bases les plus fondamentales. C’est là qu’est probablement son attrait principal dans la période exceptionnelle que nous vi- vons. L’interprétation de ce vaste ensemble de mesures, pour être cohérente, nécessite cependant des analyses statistiques rigoureuses. C’est le prix à payer pour dégager le plus clairement possible ce qui pourrait être authentiquement en rupture avec le cadre de la physique contemporaine. L’ambition du livre de Francis Bernardeau est précisément d’établir l’inventaire des concepts et des outils nécessaires à la cosmologie moderne. Au milieu des années 1960, lorsque j’ai commencé à m’intéresser à l’astro- physique, l’Univers semblait pouvoir être décrit par un modèle cosmologique sans courbure d’espace et sans constante cosmologique. Nous avions comme héritage les apports de la relativité générale et l’hypothèse de l’atome pri- mitif proposée en 1931 par Georges Lemaître. Hubble et Slipher avaient mis en évidence l’expansion de l’Univers et Chandrasekhar avait ensuite mon- tré que les éléments chimiques légers comme le lithium, le béryllium et le bore n’avaient pu être synthétisés que dans un milieu plus chaud que celui du centre des étoiles. Ils avaient fait appel à un processus instable de décroissance très rapide de la température, qui pouvait s’identifier avec la phase initiale d’un modèle d’expansion de l’Univers décrit par un Big Bang chaud. Gamow et ses élèves, en particulier Alpher, avaient tiré toutes les conséquences de cette hypothèse dans les années 1950 en proposant les premiers modèles de vi Cosmologie nucléosynthèse primordiale incluant la dynamique de l’expansion de l’Uni- vers. Ils érigèrent ainsi le premier pilier observationnel sur lequel tout modèle cosmologique doit s’appuyer. Une remarquable prédiction du modèle de Big Bang chaud était l’existence d’un rayonnement micro-onde fossile (le << Cos- mic Microwave Background )) ou CMB), relique de la période du découplage de la lumière et de la matière quand l’univers avait environ trois cent mille ans. Aussi, quand Penzias et Wilson annoncèrent en 1965 la détection de ce rayonnement fossile, notre compréhension de l’évolution cosmique de l’Univers s’appuya définitivement sur des modèles d’évolution purement thermique. Pendant les quinze années qui suivirent, les astronomes s’employèrent à mesurer le plus exactement possible la vitesse d’expansion de l’univers. Les nouvelles déterminations de la constante de Hubble furent d’ailleurs l’objet d’une belle controverse. L’existence des courbes de rotation plates pour les ga- laxies spirales, puis la détection avec les caméras CCD des premières images gravitationnelles de galaxies très lointaines au centre des amas de galaxies, confirmèrent d’une façon spectaculaire la présence d’une grande quantité de matière noire de nature inconnue. Le bilan de matière dans l’Univers commen- çait à se préciser mais ne permettait que difficilement d’atteindre la densité critique d’un modèle Einsteiri-de Sitter. À la même époque les physiciens des particules, à la suite de Guth, introduisirent et développèrent progressivement le concept d’inflation. Ce concept permettait d’engendrer un Univers plat et pouvait justifier l’existence d’une constante cosmologique. En parallèle. cer- taines observations astronomiques fournissaient les prémisses d’un modèle dit de concordance, incluant une matière noire froide et faisant intervenir une constante cosmologique non nulle conduisant à un Univers plat. Ce scénario avait aussi l’avantage de donner à l’univers un âge compatible avec celui des étoiles les plus vieilles. Les années 1990 furent marquées par plusieurs observations spectaculaires. D’abord en 1998 celle de la luminosité des supernovae mit en évidence l’ac- célération de l’expansion de l’Univers dans les derniers milliards d’années. Puis les premières mesures de l’astigmatisme cosmique (le c Cosmic Shear D) en 2000, suivies de celles des fluctuations de température du CMB en 2004 observées par le satellite WMAP, conduisirent à un modèle cosmologique re- marquablement proche du modèle de concordance. En particulier les résultats sur le CMB permirent de développer des modèles de l’évolution dynamique de l’Univers comportant un nombre accru de paramètres physiques pouvant être reliés aux observations. Ainsi, avec les études conjointes des supernovae, des lentilles gravitationnelles et du CMB, nous sommes entrés de plain-pied dans l’ère de la cosmologie de précision. I1 est maintenant possible de mesurer des paramètres cosmologiques fondamentaux comme l’indice et l’amplitude du spectre de fluctuations initiales de densité au moment de la période de recombinaison, l’abondance des diverses composantes de masse-énergie, l’évo- lution de leur équation d’état ou l’effet de la période de ré-ionisation de l’Uni- vers. L’obtention d’une précision de l’ordre du pour cent sur certains de ces Préface vii paramètres devient envisageable dans les prochaines années, mais la tâche sera ardue. I1 faut en effet des mesures sans biais observationnels sur la quasi totalité du ciel et il faut aussi être en mesure de combiner des observations de nature très variable. La période actuelle est particulièrement excitante pour les cosmologues. Les premières interprétations de ces nouvelles données semblent apporter aux théoriciens toujours plus d’énigmes de physique fondamentale, telles que l’ori- gine de l’asymétrie matière/anti-matière dans l’Univers, la nature de la ma- tière noire et maintenant l’existence quasi avérée d’une énergie noire respon- sable de l’accélération de l’univers. Celle-ci ne correspond peut-être qu’à une constante cosmologique pure, mais elle pourrait aussi se révéler d’une nature dynamique tout autre ; on ne pourrait alors en rendre compte qu’en élargis- sant les théories physiques actuelles. Des bouleversements de la physique qui décrit la nature la plus profonde de l’Univers et de son espace-temps seront probablement nécessaires pour surmonter les questionnements introduits par le modèle cosmologique. Toutefois, avant de s’aventurer sur ces futures voies de recherche, il importe de bien avoir assimilé l’ensemble des acquis de la discipline et de bien maîtriser les outils d’interprétation des observations. Le présent ouvrage réussit, remarquablement me semble-t-il, la performance de dresser un panorama complet de la cosmologie observationnelle actuelle et de fournir les outils théoriques rigoureux pour son interprétation. L’ouvrage décrit de manière complète l’origine et l’évolution des grandes structures de l’Univers telles qu’on peut les comprendre dans le cadre de la physique actuelle. I1 s’articule en particulier autour de la description des condi- tioris initiales les plus plausibles que l’on peut adopter actuellement, compte tenu des données observationnelles et de nos coniiaissaiices théoriques. Dans cette construction, la période de recombinaison constitue un temps de réfé- rence privilégié pour qui s’iiitéresse A l’observation des grandes structures de l’Univers. Cette époque est en effet directement observable au travers des ani- sotropies de température du CMB et porte encore la signature de la physique de l’Univers primordial, tout en servant de condition initiale à l’émergence des grandes structures de l’Univers telles qu’on peut les observer par ailleurs. Une grande importance est donc donnée dans cet ouvrage aux études du CMB, qui bénéficieront bientôt d’un apport de données nouvelles avec le lan- cement prochain du satellite européen PLANCK. Une large partie de l’ouvrage est ensuite consacrée à l’étude des uploads/Science et Technologie/ cosmologie-des-fondements-the-oriques-aux-observations.pdf