Si vous aimez les grandes questions, la cosmologie vous en donne pour votre argent. L'origine et l'évolution de la vie de l'univers sont certainement de grandes questions, surtout lorsqu'elles sont posées ensemble!

Les cosmologistes ont fait beaucoup de découvertes au sujet de l'évolution de l'univers au cours de ses 14 milliards d'années d'histoire et ont retracé les origines de l'univers jusqu'à une fraction de seconde après le « temps zéro », où l'univers était rempli de « soupe » primordiale de matière et de rayonnements extrêmement chauds et denses. La lumière en est un exemple : être au milieu de cette soupe aurait été comme être au centre du Soleil, sauf que cela aurait été extrêmement plus intense.

Malgré ce progrès énorme, plusieurs mystères profonds persistent, le plus profond étant : comment l'univers est-il venu à exister – possiblement à partir du néant – au cours de cette fraction de seconde, appelée la phase Big Bang?

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L'essence de l'évolution cosmique

Les observations astronomiques indiquent que la taille de l'univers – l'espace même – a toujours été en expansion et que la matière et le rayonnement contenus dans cet espace l'ont toujours rempli de manière plus ou moins uniforme. Au fur et à mesure que l'espace prend de l'expansion, la matière et le rayonnement s'étendent de manière plus dispersée. Ils deviennent moins denses et refroidissent, permettant aux particules plus essentielles de se « condenser » en de grandes particules composites – de la même manière que la vapeur se condense en des gouttelettes lorsqu'elle refroidit. C'est l'essence de l'évolution cosmique.

Lorsque l'univers a atteint l'âge d'environ trois minutes, la soupe primordiale de particules subatomiques avait suffisamment refroidi pour permettre aux noyaux d'atomes simples de se condenser. Quelques milliers d'années plus tard, l'univers a refroidi encore davantage au point de permettre à ces noyaux atomiques de capturer des électrons, de sorte que les particules encore plus grandes, les atomes, puissent se condenser.

Avant ce moment, un photon (une particule de lumière) ne pouvait pas se déplacer très loin sans entrer en collision avec un électron ou un noyau atomique, rendant l'univers opaque, comme un brouillard dense. Après ce moment, les photons pouvaient se déplacer en grande partie librement tandis que l'univers est devenu transparent, comme il l'est aujourd'hui.

Qu'est-ce que nous dit cette image? D'abord, puisque les photons FCD ont presque exactement la même température (2,725 K), quelle que soit la direction dont ils proviennent, la matière et le rayonnement de l'univers primordial devaient être presque parfaitement uniformes en ce qui concerne leur température et donc leur densité. Deuxièmement, ils ne sont que presque parfaitement uniformes. Ces petites variations de température sur l'image WMAP (seulement 400 micro-Kelvin environ entre la plus chaude et la plus froide), selon les directions, se traduisent en de toutes petites variations dans la densité de la matière et du rayonnement à différents endroits – sur l'enveloppe sphérique et vraisemblablement dans l'ensemble de l'espace – de l'univers primordial. Nous croyons que ces légères variations de la densité étaient les déclencheurs de l'effondrement gravitationnel qui, avec le temps, a produit les étoiles, les galaxies, les amas de galaxies, les superamas et ainsi de suite, que nous voyons aujourd'hui.

D'où sont venues ces variations dans la densité? Imaginez une région microscopique de l'espace remplie de notre soupe primordiale, une fraction de seconde après le temps zéro. La matière et le rayonnement seraient remplis de fluctuations quantiques à l'échelle quantique, tout comme le « bruit » sur l'écran de votre téléviseur entre les canaux. Nous croyons que dans moins de temps qu'un clin d'œil, de telles régions microscopiques d'espace prenaient une expansion cosmique simultanée, « gelant » leurs fluctuations quantiques et les augmentant aux variations de la température à l'échelle cosmique que nous apercevons à l'image WMAP. En d'autres mots, nous croyons que les variations implicites de la densité de cette image sont en fait une vue très agrandie des fluctuations quantiques dans une région ultramicroscopique de l'univers beaucoup plus tôt dans le temps – une toute petite fraction après le temps zéro. Quelle image incroyable!

Le côté sombre du cosmos

Une grande partie de l'image de l'évolution cosmique, présentée ci-dessus et appelée cosmologie standard, est bien enracinée dans la physique fondamentale, mais ne représente qu'une partie de l'histoire. La cosmologie standard comporte des modèles détaillés, dont les prédictions concordent avec, et expliquent, beaucoup de ce que les astronomes peuvent voir. Cependant, il y a un nombre croissant d'observations qui sont profondément mystérieuses.

Par exemple, un certain nombre d'observations astronomiques indépendantes ont fourni la preuve de l'existence de vastes quantités de matière qui n'émet ni ne reflète de rayonnement électromagnétique de quelque type que ce soit (lumière visible, micro-ondes, rayons gamma, etc.) et qui ne peut donc pas être vue. Cela s'appelle la matière noire. Comment savons-nous qu'elle est là? Bien que nous ne puissions la voir, elle exerce des influences gravitationnelles très claires sur la matière et le rayonnement que nous pouvons voir.

Par exemple, la théorie de l'espace, du temps et de la gravité d'Albert Einstein, appelée relativité générale, nous dit que toute masse en gravitation (le Soleil, une galaxie, un amas de galaxies, etc.) dévie l'espace-temps autour d'elle de telle manière qu'un rayon de lumière passant à proximité est dévié. La gravité dévie la lumière. Les astronomes constatent que l'importance de la déviation autour, disons, d'un amas de galaxies typique, est beaucoup plus prononcée que ce qui peut être justifié par la masse visible dans l'amas. Il semble y avoir une grande quantité de masse invisible. L'image à droite montre une carte tridimensionnelle de la distribution de la matière noire obtenue grâce à ces observations des déviations de la lumière. Les données actuelles suggèrent qu'il y a plus de cinq fois autant de matière noire que de matière ordinaire (atomes) dans l'univers. De quoi est constituée la matière noire et peut-elle être détectée dans des laboratoires sur la Terre? Les expériences mises en place à l'échelle mondiale visent à répondre à ces questions.

Un autre mystère profond provient des observations astronomiques qui suggèrent que l'expansion cosmique de l'espace se produit à un rythme accéléré. Pourtant, dans un univers constitué uniquement de matière (noire ou autre), l'attraction gravitationnelle ralentirait l'expansion, tout comme une balle lancée dans les airs est ralentie par la force gravitationnelle de la Terre. L'accélération peut s'expliquer par la supposition que l'univers est rempli d'une forme inhabituelle d'énergie, appelée énergie sombre, qui compose 70 % de l'énergie totale de l'univers. Mais qu'est-ce que cette énergie sombre et comment s'accorde-t-elle avec le reste de la physique? À ce jour, personne ne le sait.

Revenons au Bang

Au fur et à mesure que nous retraçons l'histoire cosmique en nous approchant du temps zéro, notre connaissance de la physique fondamentale devient de moins en moins fiable. Avec le temps, les températures (et donc les énergies des particules) et les densités deviennent tellement extrêmes que nous quittons le domaine des théories éprouvées. Même alors, nous sommes en mesure de créer des modèles des stades primordiaux de l'évolution de l'univers. Le modèle le mieux connu est celui de l'inflation, qui décrit l'expansion extrêmement rapide, mentionnée ci-dessus dans notre discussion de l'image WMAP. Il existe des preuves de l'existence de la phase inflationniste, mais la physique fondamentale sous-jacente demeure incertaine.

En remontant encore plus loin, nous rencontrons des énergies et des densités que nous ne pourrons pas comprendre sans proposer une interprétation détaillée de la nature quantique de l'espace, du temps et de la gravité même : une théorie de la gravité quantique. De même que la théorie quantique est requise pour comprendre les atomes, sans une théorie de la gravité quantique, nous ne pouvons espérer répondre aux questions fondamentales concernant les origines du cosmos. Bien qu'elle n'ait duré qu'une toute petite fraction de seconde (environ 10^-43 = 0,0000000000000000000000000000000000000000001 seconde), cette période nommée ère de Planck du Big Bang contient certains des mystères les plus profonds jamais contemplés.

Pour en apprendre davantage sur les études de la cosmologie à l'Institut Perimeter et ses chercheurs, veuillez cliquer ici. 

Ressources de l'IP

Perimeter Explorations
Cette vidéo au sujet de la matière noire est disponible en ligne et aussi sous forme de trousse incluant un Guide du professeur à l'usage des éducateurs dans la salle de cours.

• The Mystery of Dark Matter (débutant) 

Conférences publiques
La sélection ci-dessous comprend les présentations multimédias de l'IP données par des scientifiques de pointe et particulièrement pertinentes à la cosmologie. Cliquez sur le lien pour obtenir une description complète de chaque conférence et choisir le format d'affichage qui vous convient.

• Einstein – Relativity and Beyond – John Moffat, Lee Smolin, John Stachel, Howard Burton (modérateur) (débutant)
• The Big Bang – Simon Singh (débutant)
• The Quantum and the Cosmos – Edward (Rocky) Kolb (débutant)
• Strange Views of Space and Time – Gary Horowitz (débutant à intermédiaire)
• Faster than the Speed of Light: Could the Laws of Physics Change? – Joao Magueijo (intermédiaire)
• Fundamental Physics in 2010 – Nima Arkani-Hamed (intermédiaire) 
• What Banged? – Neil Turok (intermédiaire)
• Einstein's Vision and the Quantum Universe – James Hartle (intermédiaire à avancé)
• The Origin of the Universe – Steven Weinberg (intermédiaire à avancé)

À l'attention des professeurs et des étudiants
Les conférences ci-dessous ont été présentées aux jeunes et aux éducateurs par des chercheurs de l'IP et des scientifiques invités lors des activités SEIJP, EinsteinPlus et autres de l'IP.

• Cosmology – Robert Brandenberger (débutant)
• Dark Matter – Mark Ackersviller, Michael Burns (débutant)
• Dark Matter – Lee Smolin (débutant)
• How the universe began – Justin Khoury (débutant)
• Resolving the Mystery of Dark Matter – James Taylor (débutant)
• What's blowing up the Universe? – Mark Wyman (débutant)

Ressources externes recommandées

• WMAP: Universe 101 – Big Bang Theory
  Une brève introduction au Big Bang et au rayonnement de fond diffus cosmique (en anglais)
• WorldWide Telescope
  Logiciel téléchargeable permettant d'afficher les images de la NASA (comme WMAP) comme dans un planétarium
• Einstein Online Spotlights: Cosmology
  Articles concernant divers aspects de la cosmologie (en anglais) (débutant)
• Ned Wright's Cosmology Tutorial
  Une introduction point par point au modèle cosmologique standard (intermédiaire)
• SNOLAB
  Quelques-unes des contributions du Canada à la recherche expérimentale de la matière noire
• Hogan, Craig J.  The Little Book of the Big Bang:  A Cosmic Primer.  Springer Publishing, 1999.  (débutant)
• Weinberg, Steven.  Les trois premières minutes de l'univers:  une approche moderne de l'origine de l'univers.  Basic Books, 1993. (intermédiaire)