De la Cosmogonie à la Cosmologie Pascal Ripoche, CPPM, Luminy, Marseille

Cosmogonie et Cosmologie Qu’est-ce que l’univers ? Comment va évoluer l’univers ? D’ou vient l’univers ?

D’Aristote à Newton Aristote (384-322 av JC) Première cosmologie, identification de l’univers à un espace géométrique. Univers fini géocentrique composée de sphère céleste ; la sphère représente la perfection divine. Les étoiles sont parfaites et immuables. Copernic (1473-1543) Tycho Brahé (1546-1601) Univers fini géocentrique avec des planètes tournant autour du soleil et le soleil tournant autour de la terre. Galilée (1564-1642) Kepler (1571-1630) Système solaire héliocentrique dans un univers infini. « Tu as fixé la terre, ferme et immobile. » Bible, psaume 93

D’Aristote à Newton Newton (1642-1727) Théorie de la gravitation L’univers est l’espace euclidien infini à trois dimensions. Les astres sont mus par la gravité. Le temps est absolu. « L‘espace est de durée éternelle et de nature immuable, et ce parce qu'il est l'effet émanant d'un être éternel et immuable. Si jamais l‘espace n'avait pas existé, Dieu, à ce moment-là, n'aurait été présent nulle part...  » (Newton, De Gravitatione).

De La Relativité générale au Big-bang 1916 Einstein : Relativité générale Univers : espace-temps (espace à 4 dimensions) courbé par l’énergie et la matière. Interdépendance du temps et de l’espace. Hypothèse : Univers homogène et isotrope. La théorie est dynamique et instable (l’espace-temps évolue au cours du temps). Ajout de la Constante Cosmologique pour obtenir un Univers stable et éternel. 1924 Alexandre Friedmann : l'Univers est dynamique, en expansion, et né d'une explosion initiale. 1929 Edwin Hubble : Découverte de l’expansion de l’univers Plus les galaxies sont lointaines plus elles s’éloignent rapidement. 1933 Georges Lemaître : Théorie du Big-bang. « les résultats concernant un monde non-stationnaire contenus dans les travaux de Friedmann me semblent douteux » (Einstein).

La Relativité Générale Espace(3 dimensions)-temps(1 dimension) L’énergie et la matière courbent l’espace-temps. Courbure moyenne de l’univers  densité moyenne d’énergie dans l’univers. Densité critique Ωc de courbure nulle Ω = Ωc Courbure nulle Espace euclidien Espace ouvert, fini ou infini Somme de angles d’un triangle = 180° Ω > Ωc Courbure positive Espace sphérique Espace fermé et fini Somme de angles d’un triangle > 180° Ω < Ωc Courbure négative Espace hyperbolique fini ou infini Somme de angles d’un triangle < 180°

Mesure de la courbure Courbure nulle  Ω ≈ Ωc Avec matière uniquement

Mesure de la densité Ωtotale ≈ Ωc Etude des grandes structures Rotation de galaxies Lensing : déviation de la lumière par les amas de galaxies CMB Mesure de l’expansion grâce aux supernovae Matière noire 26% Accélération de l’expansion Matière baryonique 4% Energie noire 70% Rayonnement < 1% Ωtotale ≈ Ωc

Matière noire et énergie noire Observations indirectes uniquement Energie noire 70% Gravitationnellement répulsive Où : partout Densité : faible mais homogène constante cosmologique ? Energie du vide ? … Matière noire 26% Agglomération par gravité Où : autour des galaxies et des amas de galaxies Densité : localement forte De très nombreux modèles existent

Il était un fois notre Univers… Un début ? Big-bang : singularité mathématique sans temps ni espace Pas de théorie quantique de la relativité  pas de description de la gravité juste après le Big-bang! Une Fin? Nature de l’énergie noire? Constante Cosmologique ou énergie du vide  expansion infinie, dilution de l’univers Et sinon…

Univers fini ou infini? Dépend de la topologie de l’univers : Courbure positive  univers fini Courbure Nulle 18 topologies possibles dont 6 fermées (finies) Avec ou sans bords? Courbure négative Une infinité de topologies possibles dont certaines fermées L’hypertore : espace euclidien fini L’icosaèdre : espace hyperbolique fini

Conclusions Cosmologie moderne : Relativité générale Formation des étoiles et de galaxies Fond diffus cosmologique Expansion de l’univers Energie noire et matière noire ? Topologie de l’Univers ? Problème de la singularité initiale

Et au-delà ? Au-delà de la relativité ? Relativité quantique Une théorie plus large ? Théorie des cordes ? Dimensions supplémentaires ? Toujours plus de questions, mais une demeure :  Pourquoi l’univers ? Dieu ! Le Hasard ! Ou …