Mise à jour le 13 Septembre 2008
 
CONFÉRENCE
"MODÈLES COSMOLOGIQUES »
OBSERVER LOCALEMENT, PENSER GLOBALEMENT "
Par Jean-Philippe UZAN
Institut d'Astrophysique de Paris  Observatoire de Paris
Organisée par l'IAP
98 bis Av Arago, Paris 14ème
 
Le mardi 9 Septembre 2008 à 19H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos
Vidéo de la conférence par le CERIMES disponible sur leur site quelques jours après (le CERIMES propose aussi toutes les vidéos des conférences IAP) :      voir : http://www.cerimes.fr/
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
Première réunion de rentrée, l'amphi est toujours aussi plein.
 
 
C'est Jean Philippe Uzan qui est chargé de débuter cette année astrophysique, il est chargé de recherches au CNRS, il a travaillé à Genève à Meudon et à Orsay avant de venir rejoindre l'IAP.
 
 
Ses thèmes de prédilection : cosmologie et les constantes fondamentales.
 
Il doit nous parler des différents modèles cosmologiques et des hypothèses correspondantes.
 
Vaste sujet qui va se révéler passionnant.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UN PEU D'HISTOIRE.
 
 
Le mot cosmos semble avoir été inventé par Pythagore, il voulait dire "parure" à l'origine, on en a déduit le mot cosmologie, donner un sens à l'Univers qui nous entoure.
 
La cosmologie englobe la cosmogonie et la cosmographie.
 
De tous temps on s'est posé la question : qu'est ce que l'Univers ou qu'appelle-t-on Univers?
 
Ce sont donc les Grecs qui ont inventé la notion de cosmos, et pour eux le monde était simple, comme on le voit sur cette image.
 
 
 
 
 
Il y a deux contraintes dans l'élaboration de modèles d'Univers :
 
·        Il faut prendre en compte les lois de la physique et
·        Il faut que ce modèle reproduise les phénomènes astronomiques connus à l'époque en question.
 
Pour les Grecs, c'est le monde de Platon  et c'est simple :
·        Aristote décide que l'Univers est sphérique et la Terre au centre, mais avec un tel modèle on n'arrive pas à expliquer les mouvements des planètes (rétrogradation de Mars par exemple), alors :
·        On adopte les systèmes d'épicycles de Ptolémée qui bien que faux explique les mouvements des planètes.
 
20 siècles se passent et Copernic arrive et met en lambeau le système Grec : le Soleil devient central.
 
Quelques temps plus tard W Herschel (le découvreur d'Uranus) pense encore une fois que même si le Soleil est au centre du système solaire, celui-ci doit quand même être au centre du monde (sacré réflexe anthropomorphique!!) et se met à compter les étoiles du ciel afin d'établir une carte de l'Univers. Il part du principe que plus une étoile est loin et moins elle est brillante. Voici ce que cela donne.
 
 
Mais on n'a à cette époque là aucune notion de distance absolue.
 
C'est seulement le célèbre mathématicien Bessel qui en 1838 mesurait sa distance et l'évaluait à 11 années lumière, on avait enfin une idée des distances mises en jeu.
 
Kant a l'idée sacrilège qu'il peut exister d'autres galaxies et ce ne sera prouvé que dans les années 1920 par l'observation.
 
 
 
LE MODÈLE COSMOLOGIQUE MODERNE.
 
 
Il est basé sur la Relativité Générale (RG), l'Univers est un espace-temps, il a une géométrie qui est déterminée par le contenu matériel de l'Univers.
 
L'Univers semble isotrope (pas de direction privilégiée).
 
Ceci défini ce que l'on appelle le principe copernicien :
 
·        Nous ne sommes pas à une place privilégiée dans l'Univers (et donc pas au centre).
·        Le modèle doit être isotrope et homogène.
·        L'Univers est en expansion (loi de Hubble).
 
Ce principe copernicien, s'appelle en cosmologie le principe cosmologique.
 
La propagation de la lumière :
 
Étant donnée la vitesse finie de la lumière, celle-ci décrit un cône dans l'espace temps : le cône de lumière.
 
Le cône de lumière crée la distinction entre passé et futur.
Le point central de départ, c'est le présent.
 
L'événement figuré par l'étoile atteindra l'observateur au bout d'un certain temps (ici deux cercles), ce phénomène peut être aussi représenté par le diagramme espace-temps de droite.
 
L'événement n'atteindra notre observateur que lorsque le cône de lumière sera à sa portée.
 
 
 
Tout ce qui est à l'extérieur du cône est hors de portée de l'observateur, à l'intérieur, ce qui se déplace moins vite que la lumière est dans le cône, le cône lui même correspondant à la vitesse limite (=c).
 
 
 
 
On peut aussi changer de point de vue, et se centrer sur l'observateur, l'image simplifiée du cône de lumière devient :
 
 
Les lumières se mélangent, de différentes galaxies situées à différentes distances.
 
Une partie seulement de l'Univers est accessible : l'Univers observable.
 
Mais au début de la création de l'Univers, la température était énorme, la matière était ionisée, or la matière ionisée interagit avec la lumière, l'Univers était opaque au début, jusque vers les 300.000 ans. (époque du CMB).
 
 
 
 
La composition de l'univers.
 
Depuis quelques années, on pense connaître le contenu de l'Univers :
 
·        La plus grande partie : Énergie noire : de nature inconnue, 70%
·        Matière noire, de nature inconnue : 25%
·        Nous, les baryons quelques 5% ou moins
·        Les neutrinos quelques 0,1%
·        Les photons : 0,01%.
 
L'énergie noire (dark energy en anglais) a été introduite à cause de la découverte relativement récente de l'accélération de l'expansion de l'Univers.
 
Ceci nous a conduit à (ré) introduire la constante cosmologique d'Albert Einstein.
Il l'avait introduite dans ses équations car elle devait contrebalancer la force de gravitation, sans laquelle l’univers (hypothèse d'un Univers statique à l'époque) s’effondrerait sur lui-même.
 
Les observations de l'époque (Univers en expansion et non pas statique) attribuèrent d'abord une valeur nulle à cette constante.
 
 
 
Et maintenant on est conduit à réintroduire cette constante cosmologique (Lambda indice E) pour rendre compte de cette accélération.
 
Il faut la rajouter dans les équations d'Einstein : voir image ci contre.
 
Mais le vide semble aussi donner une contribution semblable avec sa constante Lambda indice Q.
 
La différence entre les deux constantes (Lambda indice 0) est extrêmement infime; elle est nulle jusqu'à la soixantième décimale!!
 
C'est le problème de la constante cosmologique.
 
 
Le modèle cosmologique standard, est en accord avec les observations actuelles, si on introduit la matière sombre et la constante cosmologique, ce qui pose un certain dilemme.
 
Le modèle repose sur 4 hypothèses qui sont :
 
·        La Relativité Générale (la gravitation)
·        Le contenu de la matière (les particules standard)
·        Le principe Copernicien
·        La topologie de l'Univers.
 
Si la RG est valide il faut introduire la constante cosmologique ou de la nouvelle matière.
 
Quelles sont les solutions?
 
·        Accepter la constante cosmologique et expliquer sa valeur
·        Postuler que cette constante est nulle, et remettre en cause une des hypothèses :
o       Pas de nouvelle physique, le principe copernicien est remis en cause
o       Nouvelle physique, principe copernicien OK
 
 
 
Alors pourrait-on tester le principe copernicien?
 
Jusqu'à peu de temps on ne pouvait pas, mais
 
Au bout de 10 ans, avec les moyens actuels, on pourrait avoir une autre information d'un autre point de l'espace-temps.
 
Ce serait alors une tranche très fine de l'espace-temps.
 
 
Si z est le facteur de redfshift, pour un z=4 la différence sur z serait de 5 10-10 sur 10 ans, impossible à mesurer aujourd'hui, mais possible avec de nouveaux télescopes comme le E-ELT.
 
 
 
 
 
Si au bout de cette période le principe copernicien est validé, alors on remet en cause les lois physiques, il existe d'ailleurs une multitude de modèles pour prendre la relève comme on le voit sur la diapo ci contre.
 
 
 
Comment choisir?
 
On pourrait tester aussi la relativité Générale, par exemple avec les lentilles gravitationnelles.
 
 
 
 
 
Si après tous ces tests, on s'aperçoit qu'une nouvelle physique n'est pas nécessaire, alors il faut accepter la constante cosmologique telle qu'elle est et peut être alors se tourner vers les multi-univers.
 
 
 
CONCLUSION.
 
On ne voit qu'une toute petite partie de l'Univers.
 
 
On peut tester certains aspects, mais tous les modèles nécessitent de penser un Univers plus grand que l'Univers observable.
 
y-a-t-il une limite??
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
Bibliographie de JP Uzan (non exhaustif) :
 
Cosmologie primordiale (avec P Peter) chez Belin.
 
Les constantes fondamentales (avec R Lehoucq) chez Belin
 
 
Sites Internet :
Gravitation et cosmologie par N Deruelle, CR de sa conférence à l'IAP du 8 Nov 2005.
 
"Le siècle d'Albert Einstein"  colloque du 11 au 15 juillet 2005  à l'UNESCO   Paris
 
Sur les cônes de lumière par Th Lombry de Luxorion.
 
La limite de la vitesse de la lumière.
 
La constante cosmologique par M Lachièze-Rey présentation pdf de 15MB.
 
 
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin 
www.planetastronomy.com