Panorama d
422 pages
Français

Panorama d'Astronomie contemporaine - Du Big Bang aux exoplanètes

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Description

Ouvrage de référence, ce panorama d’astronomie propose un parcours descriptif de l’Univers et de son l’évolution en répondant à ces questions :

  • Quelle est la nature de l’Univers, énergie, particules, rayonnements, galaxies, étoiles, planètes, satellites et petits corps ?
  • Quelles sont les grandes questions astronomiques actuelles : Big Bang, matière et énergie noires, ondes gravitationnelles, trous noirs, exoplanètes, etc. ?
  • Le système solaire est-il stable à long terme ?
  • La Terre est-elle la seule planète où la vie s’est développée ?
  • Sera-t-il possible d’entrer un jour en contact avec d’éventuelles, peut-être probables, civilisations extraterrestres ?

La présentation en couleur est richement illustrée par plus de 200 images venant des télescopes au sol ou des sondes spatiales.

Extrait du sommaire

1e partie : Univers : Paradoxe de Cheseaux-Olbers - Big Bang - Expansion de l’Univers - FDC : fond diffus cosmologique - Premières étoiles - Matière noire - Énergie noire

2e partie : Quasars - Galaxies - Voie lactée - Amas globulaires - Matière interstellaire

3e partie : Etoiles - Corps noir - Amas d’étoiles - Soleil - Neutrinos solaires - Nébuleuses planétaires - Naines blanches - Supernovæ - Origine des éléments chimiques - Etoiles à neutrons - Pulsars - Trous noirs stellaires - Ondes gravitationnelles - Etoiles doubles, variables, pulsantes

4e partie : Système solaire - Planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Lune) - Éclipses de Soleil et de Lune - Changements climatiques - Niveau des océans - Petit âge glaciaire - Bombardement cosmique - Mars - Astéroïdes - Planètes géantes (Jupiter et Saturne : les géantes gazeuses ; Uranus et Neptune : les géantes de glaces) - Pluton - Comètes - Mission Rosetta

5e partie : Exoplanètes - Vie extraterrestre - Civilisations extraterrestres

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Informations

Publié par
Date de parution 01 décembre 2020
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EAN13 9782340044326
Langue Français
Poids de l'ouvrage 243 Mo

Informations légales : prix de location à la page €. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Exrait

PANORAMA
D’ASTRONOMIE
CONTEMPORAINE
Du Big Bang aux exoplanètes
Gilbert Burki
G.Burki
PANORAMA D’ASTRONOMIE CONTEMPORAINEPANORAMA
D’ASTRONOMIE
CONTEMPORAINE
Du Big Bang aux exoplanètes
Gilbert BurkiGilbert Burki est professeur honoraire à l’Université de Genève. Son domaine de
recherche est la physique stellaire et il s’est plus particulièrement intéressé à tous les
phénomènes variables qui, de fait, concernent tous les constituants de l’Univers.
Il a notamment été Directeur de l’Observatoire de Genève, Vice-Président de la
Commission de Recherche de l’Université de Genève, Président de l’Observatoire
FXB de St-Luc, membre du Comité de la Fondation des Stations de Haute Altitude
du Jungraujoch et du Gornergrat, membre du Scientifc and Technical Committee de
l’European Southern Observatory, Président de la Commission Vitesses Radiales de
l’Union Astronomique Internationale.
En plus de ses activités de chercheur et d’enseignant, il s’est beaucoup impliqué dans la
vulgarisation scientifque, par exemple en donnant pendant treize ans un cours
d’astronomie ouvert au public à l’Université de Genève et en œuvrant comme coordinateur
suisse romand lors de l’Année Mondiale de l’Astronomie en 2009.
L’auteur remercie ses nombreux collègues de l’Observatoire de Genève et d’autres endroits de par
le monde pour leurs compétences et pour les riches heures passées en leur compagnie.
ISBN 9782340-042469
© Ellipses Édition Marketing S.A., 2020
32, rue Bargue 75740 Paris cedex 15






À GranivalCe qui est admirable,
ce n’est pas que le champ des étoiles soit si vaste,
c’est que l’homme l’ait mesuré.
Anatole France
Ce qui est incompréhensible,
c’est que le monde soit compréhensible.
Albert Einstein
Tous deux prix Nobel en 1921, de littérature et de physique.Avant-propos
L’Astronomie est une science La structure de l’Univers
à la fois historique et très moderne est hiérarchisée
De plus, elle pose des questions qui préoccupent l’huma- La structure de l’Univers est hiérarchisée : les galaxies
nité et sont de nature autant philosophique que purement sont groupées en amas ; les étoiles, constituantes
princiscientifque : pales des galaxies, se forment en général par groupes avec
de plus des étoiles doubles ou multiples très fréquentes; Quelle est la nature des constituants de l’Univers, ֹ
les planètes, sous-produit de la formation des étoiles, énergie, particules, rayonnements, galaxies, étoiles,
forment des systèmes planétaires. Les parties princi-planètes, satellites et petits corps ?
pales de cet ouvrage correspondent à une description
Quelles sont les grandes lois physico-chimiques qui ֹ naturelle de cette hiérarchie cosmique.
gouvernent l’évolution de notre Univers en expansion ?
Dans l’Univers, rien n’est immuablement fxé, l’évolution
Quelles sont les grandes questions astronomiques ֹ dynamique ou physique des astres est partout présente :
actuelles, parfois vertigineuses: B ig Bang, matière et
L’Univers est en expansion et les galaxies s’éloignent énergie noires, ondes gravitationnelles, trous noirs, ֹ
les unes des autres.exoplanètes, etc. ?
Les galaxies se transforment par le mouvement du Que signife la densité équivalente d’un trou noir ֹ ֹ
gaz et des étoiles.stellaire, qui est de l’ordre du milliard de tonnes par
centimètre cube ? Les étoiles évoluent et transforment progressivement ֹ
la composition chimique globale de l’Univers.Comment évoluent les étoiles, en particulier notre ֹ
Soleil ? Les planètes connaissent des migrations orbitales.ֹ
Quelles sont les relations multiples de la Terre avec ֹ Les petits corps des systèmes planétaires se percutent ֹ
le Soleil et notre environnement astronomique proche entre eux et collisionnent les planètes.
ou lointain ?
Le système solaire est-il stable à long terme ?ֹ
L’astronomie est une science Quelles sont les causes et les spécifcités des change-ֹ
ments climatiques naturels terrestres, mis à part les efets essentiellement pluridisciplinaire
des activités humaines ?
La connaissance de notre Univers fait appel aux lois de La Terre est-elle la seule planète où la vie s’est ֹ
la physique, de la chimie et des mathématiques. Mais le développée ?
champ d’investigation est beaucoup plus large et il faut
Quels sont les autres sites potentiels pour l’appari-ֹ s’adresser en particulier à :
tion de la vie ?
La géophysique pour comprendre la structure des ֹ Sera-t-il possible d’entrer un jour en contact avec ֹ planètes.
d’éventuelles, peut-être probables, civilisations
La technologie au sens le plus large pour développer extraterrestres ? ֹ
les instruments requis.
Que fut l’évolution des connaissances astronomiques, ֹ
L’informatique pour gérer les immenses bases de soutenue par l’imagination humaine et les développe- ֹ
données, conduire les observations et développer les ments technologiques ?
modèles théoriques.
En résumé, quel fut notre passé, quel est notre présent
L’astronautique pour piloter les sondes spatiales et les ֹ et quel sera notre futur, en limitant la discussion plus
satellites astronomiques.particulièrement aux thèmes astronomiques ?
Avant-propos 5L’exobiologie pour tenter de comprendre le dévelop- erronée ne signife pas que globalement la connaissance ֹ
pement de la vie. correcte ne progresse pas. On entend parfois dire que
les résultats scientifques sont à prendre avec prudence La sociologie pour aborder le sujet complexe des ֹ
puisque certaines interprétations passées se sont révélées éventuelles civilisations extraterrestres, en essayant
d’évifausses. Pour les plus extrémistes de cette tendance, ce ter le piège de l’anthropocentrisme. Il faudrait inventer
serait même la preuve que la science est un leurre. La le terme d’exosociologie.
prudence est certes de mise, mais la base solide de la
connaissance scientifque progresse, même très
rapideUn tel programme est sans doute très ambitieux. Mais ment. Par exemple, si des détails de l’évolution du Soleil
la beauté de l’objectif - quelle est notre place dans l’Uni- peuvent encore être précisés, sa réalité objective ne sera
vers, dans le temps et dans l’espace ? - mérite de prendre pas abandonnée : il s’est formé il y a 4,57 milliards
quelques risques ! Une condition est toutefois impérative, d’années, il évolue actuellement en fusionnant des noyaux
il faut rester modeste. Heureusement, notre statut insigni- d’hydrogène dans son cœur et deviendra une naine
fant dans l’immense Univers nous aide à le rester. Mais blanche dans 8,8 milliards d’années. Tels sont les résu-l
ele chemin parcouru depuis quelques siècles est tellement tats des travaux astronomiques du XX siècle. On peut
extraordinaire qu’il nous incite à continuer le chemine- être certain qu’ils ne seront pas remis en cause, même
ment, parfois tortueux, vers une meilleure connaissance si dans les siècles passés on pensait que le Soleil
n’évode notre environnement spatial. luait pas, ou que sa durée de vie n’était que de quelques
milliers d’années.Une des particularités de l’astronomie est la position
purement observatrice de ceux qui étudient le cosmos. Le À l’image des autres sciences, l’astronomie a connu un
ephysicien ou le chimiste mettent en place des expériences développement fantastique au cours duX X siècle. Deux
de laboratoire dans lesquelles ils peuvent intervenir pour découvertes peuvent être mentionnées, sur des sujets à
en modifer le déroulement. L’astronome n’a pas le loisir, première vue non connectés : l’accélération de
l’expanet c’est heureux, de changer les processus évolutifs de sion de l’Univers par Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt et
ses sujets d’études. Toutefois, depuis que l’astronomie Adam Riess en 1998, et la première exoplanète découverte
est devenue l’astrophysique, des instruments de haute autour d’une étoile de type solaire par Michel Mayor et
technologie ont été mis au point. L’astronome moderne Didier Queloz en 1995. Il y a toutefois une relation entre
« derrière » son télescope ne met plus l’œil à l’oculaire. Il l’Univers à grande échelle et les planètes. C’est
l’évolucontrôle les mesures avec tous les moyens techniques à sa tion chimique globale, qui transforme progressivement
disposition (optique, mécanique, électronique, informa- les éléments chimiques légers (hydrogène et hélium)
tique) qui sont des intermédiaires entre l’espace étudié en éléments plus lourds (carbone, azote, oxygène, etc.).
et son cerveau. Il est donc aussi dans un laboratoire La constitution des planètes dépend donc
impérativescientifque en étant très actif, mais reste un observa- ment de cette évolution. La Terre n’existerait pas si ces
teur non interventionniste sur le lieu de l’expérience, éléments lourds n’avaient pas été synthétisés par les
distant parfois de plusieurs milliards d’années-lumière. réactions nucléaires dans le cœur des étoiles qui ont
précédé le Soleil et sont aujourd’hui éteintes. Comme La justesse de l’interprétation des mesures astronomiques
l’a écrit Hubert Reeves avec une formule percutante, est validée par des tests qui confrontent les données
« nous sommes des poussières d’étoiles ».obtenues avec les prédictions théoriques. Par exemple,
l’évolution d’une étoile est décrite par des modèles
réalisés grâce aux ordinateurs qui digèrent les lois
physiMais les astronomes co-chimiques codées dans des programmes
informatiques. Les observations sont alors les juges-arbitres : des siècles antérieurs avaient
il faut qu’elles soient toutes en accord avec les
prédictions des modèles, qui seront jugés corrects tant que de déjà marqué l’histoire
nouvelles observations ne viendront pas les contredire.
Les étapes principales sont évoquées au fl des chapitres
Si un désaccord intervient, il faudra alors améliorer le
de cet ouvrage. Mentionnons ici en particulier, mais ce
modèle pour tenter de retrouver la bonne description
n’est qu’un extrait, pour les années d’avant 1950 :
du phénomène étudié. L’astronomie est ainsi évolutive
L’héliocentrisme et les orbites planétaires dans le et connaît des avancées permanentes. ֹ
système solaire par Nicolas Copernic en 1543, Johannes
Comme les autres sciences, l’astronomie progresse sur la
Kepler en 1618, et Isaac Newton en 1687.
reconnaissance de ses imprécisions ou erreurs passées.
Les découvertes de Galilée, dès 1609 avec ses premières ֹ C’est ce qui distingue une science d’un dogme immuable
lunettes astronomiques : les quatre satellites principaux ou religieux. Mais reconnaître qu’une interprétation était
6 de Jupiter, les phases de Vénus, les montagnes lunaires, peuvent être très diférentes de celles connues sur Terre.
les étoiles de la Voie lactée invisibles à l’œil nu et le suivi Elles peuvent même ne pas être reproductibles en
laborades taches solaires. toire. Trois exemples:
Les dimensions du système solaire et en particulier la ֹ La densité de la matière interstellaire, gaz ou poussières,
détermination expérimentale de la distance Terre-Soleil, est plus faible de plusieurs ordres de grandeur que les vides
depuis l’Antiquité grecque jusqu’à la mesure de la paral- les plus poussés obtenus par les technologies de pointe.
laxe de Mars en 1672 par Jean Richer et Jean-Dominique Dans la Voie lactée, notre Galaxie, il n’y a en moyenne
Cassini. qu’environ une particule de gaz interstellaire par
centi19mètre cube ; en comparaison, il y a 2,5·10 molécules La découverte d’Uranus en 1781, première planète ֹ
3de gaz par cm dans l’atmosphère terrestre au niveau invisible à l’œil nu, par William Herschel.
de la mer et les meilleurs vides obtenus en laboratoire Les théories de la relativité restreinte (1905) et générale ֹ
donnent « encore » plusieurs milliers de molécules par (1915) par Albert Einstein.
3cm . Pour les poussières interstellaires, dont la taille est
La découverte des galaxies, nommées auparavant ֹ de l’ordre du micromètre, il n’y en a en moyenne qu’une
« nébuleuses », dans les années 1920, en particulier par dans un volume cubique de 100 mètres de côté, soit mille
Edwin P. Hubble. 3 −6poussières par km ou 10 poussières par mètre cube ; en
L’expansion de l’Univers et la théorie du Big Bang comparaison, les normes pour un espace public non-fu -ֹ
par Edwin P. Hubble (1929) et Georges Lemaître (1927). meur « propre » tolèrent 8 millions de particules fnes
solides par mètre cube. Le disque de la Voie lactée est La compréhension de la source de rayonnement des ֹ
en moyenne un modèle de propreté.étoiles, clé de leur évolution, en particulier par Hans Bethe
et Carl Friedrich von Weizsäcker dans les années 1930. La densité des astres compacts approche celle de la
L’existence d’une extinction interstellaire par matière des protons et des neutrons formant les noyaux ֹ
atomiques. Mais la matière macroscopique, d’un corps Robert J. Trumpler en 1930.
humain par exemple, est formée d’atomes et de molécules
dans lesquelles ces noyaux sont éloignés les uns des autres
Toutes ces découvertes, et les autres non mention- par les nuages électroniques ; la densité globale est alors
nées ici, témoignent de l’extraordinaire sagacité de nos de l’ordre d’un gramme par centimètre cube. Dans une
ancêtres astronomes. Ce n’est bien sûr pas une surprise, étoile à neutrons, les vides ont été « supprimés » et les
nous savons que l’imagination humaine n’a pas attendu neutrons se « touchent » ; la densité globale
macroscoele XX siècle pour être productive. Mais cela montre pique est alors de l’ordre du milliard de tonnes par
centiqu’à presque toutes les époques, il s’est trouvé des êtres mètre cube. Un volume macroscopique formé d’une telle
humains capables de pousser l’analyse aux limites de matière ne peut pas être créé en laboratoire.
leurs possibilités observationnelles.
L’espace entre les étoiles est parcouru par du rayonnement
eLe XX siècle a aussi été celui où les observations astrono- électromagnétique très énergétique, X ou gamma. Les
miques ont pu se réaliser dans des longueurs d’onde du astres sont soumis en permanence aux efets de ces
rayonrayonnement hors du domaine visible et pour la plupart nements destructeurs pour les molécules. Nous sommes
inaccessibles depuis la surface terrestre en raison de heureusement protégés par l’atmosphère terrestre qui
l’opacité sélective de l’atmosphère. De nouvelles fenêtres absorbe ces rayonnements. C’est une condition
impéraobservationnelles se sont alors ouvertes sur le cosmos. Il tive pour notre survie.
est même étonnant qu’autant de connaissances aient été
Le cosmos permet d’étudier ces conditions extrêmes obtenues auparavant grâce au seul rayonnement visible
inconnues sur Terre. Àn ouveau, c’est la confrontation par l’œil humain, alors que cette bande spectrale,
partieldes prédictions théoriques et des observations qui permet lement accessible par les télescopes au sol, ne représente
de fxer les paramètres des modèles, en particulier ceux qu’une très petite partie de l’ensemble du spectre
électrodes astres compacts.magnétique. Les premiers travaux hors du spectre visible
sont ceux de Karl Jansky en 1933, dans le domaine radio
depuis le sol. Quant aux rayonnements infrarouges, Un mot sur l’organisation internationale de l’astronomie.
ultraviolet, X et gamma des sources astronomiques, il a Ce point est important car il permet de s’assurer que
fallu attendre les années1 950 et 1960 pour qu’ils soient les découvertes sont validées par la communauté des
mesurés, par des ballons stratosphériques, des fusées, chercheurs professionnels. L’Union astronomique
interpuis des satellites. nationale (UAI) regroupe 13’530 membres provenant de
er96 pays (le 1 juin 2019). Cette Union a été fondée en Une des difcultés pour interpréter les mesures astrono -
e1919 et a donc fêté son 100 anniversaire en 2019. Elle miques est que les conditions physiques dans l’Univers
Avant-propos 7eest en particulier chargée de la nomenclature des très La 6 partie, Compléments, regroupe onze chapitres qui
nombreux astres, galaxies, étoiles, planètes, comètes et présentent des informations générales utiles à la
compréastéroïdes. C’est un travail indispensable pour que les hension des cinq premières parties.
astronomes puissent s’y retrouver dans la jungle des objets
L’Annexe comprend trois tables complémentaires, la
en parlant le même langage. C’est ainsi que, par exemple :
liste des notes additionnelles, un résumé des données
Les constellations ont des noms, des coordonnées et des et paramètres physico-chimiques ou astronomiques, et
surfaces sur le ciel qui sont ofciellement admis, alors quelques informations mathématiques ou physiques pour
que les diverses civilisations avaient utilisé des défni- aider le lecteur à comprendre certaines parties du livre.
tions qui leur étaient propres.
Pluton, découverte en 1930 par Clyde W. Taumbaugh, Ce livre a été conçu pour pouvoir être lu à plusieurs
eétait la 9 planète du système solaire jusqu’en 2006. En se niveaux :
basant sur une défnition claire pour classifer les planètes,
l’UAI a « déclassé » Pluton en planète naine. Les membres Images
de l’UAI ont voté selon les statuts de l’Union pour cette De nombreuses images avec des légendes détaillées
nouvelle classifcation. Comme toujours en démocratie, permettent au lecteur « pressé » ou peu averti de la chose
il n’y a pas eu unanimité et des opposants sont toujours astronomique de se faire une idée très générale des
résulà l’œuvre. Mais ils devraient se consoler puisque Pluton, tats essentiels. C’est l’avantage de l’astronomie actuelle
qui était la plus petite planète du système solaire, est que d’être une science facilement illustrable par des
maintenant la plus grosse des planètes naines… images souvent exceptionnelles.
Mais l’UAI n’est pas chargée que des tâches de
nomenclaTexte principalture. Ses neuf Divisions, restructurées en 2012, sont
chargées des travaux de défnitions fondamentales et Il donne la description générale, soutenue par très peu
indispensables à la bonne marche de l’astronomie : d’équations, de surcroît très simples. Par exemple, si
2Astronomie fondamentale ; Instruments, technologies l’équation E = m∙c est citée, c’est qu’elle est
incontouret données ; Éducation, communication et héritage ; nable et fait presque partie de la culture générale. Sa
Phénomènes à hautes énergies et physique fondamentale; célébrité est telle qu’elle est même imprimée sur des
Soleil et héliosphère ; Systèmes planétaires et bioastro- tee-shirts !
nomie ; Étoiles et physique stellaire ; Matière interstellaire
et Univers local ; Galaxies et cosmologie. Les thèmes de Notes
ces Divisions recouvrent ceux abordés dans le panorama
Elles contiennent des éléments plus compliqués ou plus
de l’astronome contemporaine présenté ici.
techniques, et s’adressent au lecteur qui veut
approUne des Divisions de l’UAI se consacre à l’éducation et à la fondir certains aspects de la présentation. En principe,
communication. Les astronomes ont toujours été à l’avant- si le lecteur admet leur contenu sans en comprendre tous
garde sur ces thèmes qui font le lien entre les scientifques les fondements, il peut comprendre le texte principal
et le public, soit les citoyens contribuables. Il est certain sans une lecture complète de ces notes. Elles ne sont
que la vulgarisation astronomique est plus aisée que celle pas dans le livre lui-même mais accessibles sur le site
dans d’autres domaines en raison des fortes préoccupa- internet des éditions Ellipses. La liste de ces notes est
tions des êtres humains sur le « contenu du ciel » et grâce donnée dans l’annexe.
aux images extraordinaires disponibles pour illustrer les Le texte et les notes contiennent des renvois à d’autres
explications. Mais il est heureux que la grande majorité chapitres qui décrivent plus en détail les éléments
des astronomes consacrent, avec plaisir, une partie de leur évoqués. Ces renvois sont notés en caractères gras.
temps pour des activités éducatives ou d’information. Par
Certains thèmes sont développés beaucoup plus que ailleurs, si les astronomes ont parfois la tête dans les étoiles,
d’autres. C’est qu’une attention particulière a été portée ils ont souvent les pieds sur Terre: l es crédits de recherche
sur des sujets « chauds » de la recherche astronomique sont généralement difciles à obtenir et c’est une bonne
actuelle. Ces sujets sont essentiellement le Big Bang, stratégie que d’informer le public, dont les décideurs font
l’expansion de l’Univers, le Soleil, les supernovae, les partie, sur les avancées majeures de leurs recherches !
astres compacts (naines blanches, étoiles à neutrons,
trous noirs stellaires), les ondes gravitationnelles et les
Hormis l’avant-propos et la conclusion, ce livre comprend exoplanètes. Pour des raisons bien compréhensibles,
six parties – Univers, galaxies et matière interstellaire, le sujet de la Terre est aussi présenté en détail, avec en
étoiles, planètes et système solaire, exoplanètes et vie particulier l’historique de la détermination de la distance
extraterrestre, compléments – et une annexe.
8 Terre-Soleil, le système Terre-Lune, le jour et l’année Pour terminer cet avant-propos, il faut préciser que ce
terrestres, les changements climatiques naturels et le panorama d’astronomie contemporaine présente les
bombardement cosmique. résultats considérés comme essentiels par l’auteur. Mais
à l’évidence, ce panorama ne saurait être exhaustif. Il ne
Lors de la relecture fnale de cet ouvrage est tombée
refète que la vision d’un astronome particulier et d’autres
l’annonce de l’attribution du prix Nobel de physique 2019.
auraient peut-être porté leur propos aussi sur d’autres Les astrophysiciens récompensés sont d’une part James
thèmes, probablement présentés de façon diférente.Peebles pour ses « découvertes théoriques en
cosmologie » et d’autre part Michel Mayor et Didier Queloz
pour leur « découverte d’une planète en orbite autour Quelle est notre place dans l’Univers, de quoi est-il fait,
d’une étoile de type solaire ». Cette annonce a conforté et sommes-nous seuls dans cet immense espace ? Telles
l’auteur que le sous-titre choisi pour cet ouvrage - du Big sont les vastes questions abordées ici, avec sufsamment
Bang aux exoplanètes - était en pleine actualité. de clarté et de modestie je l’espère.
Avant-propos 9UNiVerS
Figure 1.0. Le rayonnement cosmologique.
Quel serait l’aspect de notre ciel si nos yeux pouvaient voir le observé actuellement, 13,8 milliards d’années après son émission,
rayonnement dans le domaine des micro-ondes ? Cette image en correspond à celui d’un corps noir dont la température est de
donne une impression. Le profl des montagnes avec la pointe bien 2,726 °K. De très faibles variations de température, inférieures au
connue du Cervin a été superposé au fond difus cosmologique dix-millième de degré, sont mesurées. Elles sont révélées par les
mesuré par le satellite PLANCK de l’Agence spatiale européenne. couleurs sur l’image.
Ce rayonnement, émis alors que l’Univers avait un âge de Crédit : adapté de European Space Agency / PLANCK Collaboration.
380 000 ans, est une des preuves du Big Bang. Le rayonnement
PArtie 1Un être humain est une partie du tout que nous appelons l’Univers,
une partie limitée dans le temps et dans l’espace.
Albert Einstein
Il existe deux chemins pour parvenir à la vérité.
J’ai décidé de les suivre tous les deux.
Georges Lemaître, scientifque et prêtre catholique
L’histoire de l’astronomie est faite d’horizons qui s’éloignent.
Edwin Powell Hubble1.1. Paradoxe de Cheseaux-Olbers
Le ciel est noir, la nuit, « à côté » des étoiles et des galaxies
Parmi les tests cosmologiques fondamentaux, on peut d’autres, l’Anglais Tomas Digges en 1576, le Germanique
citer, entre autres, la mise en évidence de l’expansion Johannes Kepler en 1610, l’Anglais Edmond Halley en
de l’Univers révélée dans les années 1920 par la loi de 1720, et le jeune astronome suisse Jean Philippe Loys de
Hubble-Lemaître, puis plus tard par l’observation du Cheseaux en 1743.
fondd ifus cosmologique (FDC) et la compréhension Ce dernier précisa mathématiquement le paradoxe
de la nucléosynthèse cosmologique (cf. Premières en imaginant les étoiles placées dans des coquilles
minutes) des éléments chimiques. Mais le test le plus concentriques autour de l’observateur. Il obtint que le
simple, que chacun peut réaliser à l’œil nu par une nuit rayonnement reçu sur Terre devait alors être 180 00 fois
claire et sans Lune, est l’observation que le ciel est noir plus intense que celui du Soleil, compte tenu des
à côté des étoiles (fgure 1.1). Cette observation primaire hypothèses de départ. Les diverses explications
propoest en plus primordiale et son explication a des fonde- sées par les auteurs cités ont été la fnitude de l’Univers
ments cosmologiques profonds. en âge ou en taille, l’opacité partielle de l’espace pour le
Si l’Univers était statique, infni, transparent et unifor- rayonnement, la structure non-uniforme de l’Univers
mément rempli d’étoiles qui ne s’éteignent jamais, le ciel et l’âge fni des étoiles.
devrait être partout brillant car toute direction d’obser- Les connaissances cosmologiques apportent
l’explicavation devrait rencontrer un point lumineux, étoile ou tion de ce paradoxe. La théorie de la relativité générale
galaxie. Or, ce n’est pas le cas et une des hypothèses au (Einstein, 1915) prédit un Univers non statique, ce qui
moins n’est donc pas remplie. L’énoncé de ce paradoxe
est confrmé par l’observation de son expansion (Hubble,
est en général attribué à l’Allemand Heinrich Olbers qui
1929). Cette expansion conduit à une origine, le Big
le décrivit en 1823. Mais il avait déjà été mentionné par
Bang, qui remonte à 13,8 milliards d’années ; l’Univers
Figure 1.1. La constellation
Scorpius avec la Voie lactée.
L’étoile jaune et brillante est
Antarès (α Scorpii). Le fait que le
ciel est noir « à côté » des étoiles
est de nature cosmologique !
Crédit : A. Fujii / Space Telescope
archives.
1.1. Paradoxe de Cheseaux-Olbers 13a donc un âge fni et n’est pas statique. Le calcul de la Background. De plus, à l’époque de l’émission du FDC,
luminosité reçue via des coquilles statiques n’est donc quand l’Univers avait 380 000 ans, sa température était de
pas valable. De plus, les étoiles ont une durée de « vie » 3 000 °K, soit grossièrement l’équivalent de la
tempérafnie et nombreuses sont celles qui se sont éteintes (mais ture de surface des étoiles. Le ciel d’alors était uniform-é
d’autres se sont formées). Par ailleurs, l’extinction inters- ment brillant. Le paradoxe de Cheseaux-Olbers n’a donc
tellaire joue également un rôle en difusant et absorbant de sens que pour un Univers évolué, comme actuellement.
les rayonnements stellaires. Enfn, la lumière des galaxies, Par ailleurs, le fait que la vitesse de la lumière c a une
et donc des étoiles qui les composent, dans un Univers valeur fnie joue aussi un rôle. Si elle était infnie, nous
en expansion subit un décalage spectral vers les grandes recevrions immédiatement et à tout instant la lumière de
longueurs d’onde. La lumière observée transporte donc tous les objets, et le ciel serait brillant. La valeur de c est
une énergie décroissante avec la distance des objets. très grande, mais elle n’est pas infnie. La conséquence est
Il faut toutefois remarquer que si le ciel est noir dans énorme : nous pouvons voir des objets qui ont des âges
le domaine visible du rayonnement, il ne l’est pas aux diférents, d’autant plus jeunes qu’ils sont plus distants.
plus grandes longueurs d’onde, ainsi que le montre le Il est dès lors possible de reconstruire l’histoire de
l’évofond difus cosmologique (FDC) plus connu sous son lution de l’Univers.
appellation en anglais de CMB pour Cosmic Microwave
1.2. Big Bang
La quête ultime des origines
galaxies proches en fonction de leur distance. C’est la
fameuselo i de Hubble-Lemaître, caractérisant
l’expansion actuelle de l’Univers.
Le Big Bang marque, pour simplifer, l’origine de notre
Univers « actuel ». Il est daté maintenant avec une grande
précision et l’âge de 13,8 milliards d’années est adopté
dans cet ouvrage, déterminé par les données récentes des
satellites PLANCK et WMAP. Pour être plus précis, le
Big Bang n’est pas réellement l’instant initial, explosif,
de l’Univers car ce qui s’est passé auparavant n’est pas
connu. Il caractérise un instant avec une densité et une Figure 1.2. Albert Einstein, Georges Lemaître et Edwin Hubble.
température si élevée que les lois de la physique actuelle Les théoriciens sont au tableau noir, l’observateur est au foyer primaire du
télescope du Mont Palomar. ne sont plus vraiment applicables. L’âge du Big Bang ne
marque donc « que » celui de l’Univers « actuel », en
Le Big Bang est un modèle utilisé pour décrire l’origine partie descriptible, encore que les théories sous-jacentes
et l’évolution de l’Univers. Il a été proposé en 1927 par le soient très incertaines au cours des toutes premières
Belge Georges Lemaître à partir de la relativité générale périodes (tableau 1.1). Toutefois, ces périodes sont si
d’Albert Einstein formulée en 1915. Un élément fond-a courtes que l’âge du Big Bang n’est pas vraiment remis
mental en lien avec les conséquences du Big Bang est en cause.
la mise en évidence observationnelle de l’expansion
Lors du Big Bang, que nous appellerons quand même
de l’Univers par Edwin Hubble en 1929 (fgure 1.2).
origine malgré les réserves évoquées ci-dessus, tout le
Il a établi une loi reliant la vitesse d’éloignement des
contenu de l’Univers était concentré en un « point » où la
14 Universf
f
température et l’énergie des particules étaient « quasi-in- l’énergie : E = (3/2)·kT où k est la constante de Boltzmann c
fnies ». Cet instant étant impossible à décrire, nous (cf .Annexe). C’est une approximation utile pour donner
dirons que la densité et la température étaient « extrê- des ordres de grandeurs, mais la physique du milieu est
mement élevées, juste après le Big Bang ». Depuis lors, beaucoup plus complexe.
l’Univers est en expansion ; sa température moyenne
Les seules particules mentionnées dans le tableau sont les
ainsi que l’énergie des particules n’ont fait que décroître quarks, ainsi que les protons, les neutrons, les électrons
jusqu’à aujourd’hui. et leurs antiparticules. Ces particules sont la base
essenCe sont les expériences de physique des particules qui tielle des éléments chimiques (fgure 6.3) dont le premier,
permettent de tester les propriétés de la matière et des l’atome d’hydrogène, a été créé en combinant un proton
rayonnements aux très hautes énergies. Mais les valeurs et un électron quand la température est descendue à
extrêmes qui régnaient dans l’Univers au moment du environ 3 000 °K, avec l’émission du FDC (fond difus
Big Bang sont (actuellement) inaccessibles à l’expéri- cosmologique) à l’âge de 380 000 ans. Mais le monde
mentation. Le grand accélérateur de particules LHC des particules élémentaires est très vaste ; elles sont
du CERN (cf.P remières minutes) a atteint la limite nombreuses et peuplaient les premières époques. De
13de 10 eV (électronvolt, voir Annexe) en 2017, corres- multiples formations et désintégrations existaient dans
17pondant à la température de ~10 °K. Ces valeurs sont la « soupe » primordiale. Ces interactions ont joué un
encore inférieures d’au moins 15 ordres de grandeurs rôle, dont il faut tenir compte pour décrire en détail l’évo -
aux conditions initiales données par le Big Bang. lution de l’Univers se refroidissant. Cet aspect fond-a
mental ne sera toutefois pas évoqué dans cet ouvrage, La relation entre l’énergie cinétique E des particules c qui ne contient que le descriptif qualitatif des époques,
et la température T utilisée dans le tableau 1.1 est
ou ères, initiales.
basée sur celle d’un gaz parfait avec équipartition de
Tempér. Énergie Redshift
Époque Événements Temps
[°K] [eV] z
–43 32 28 32Ère de Planck I , I , I et I sont uniées < 10 s > 10 > 10 > 10FO EL FA GR
–43 –35 32 27 28 23 32 27Grande unifcation Découplage de I 10 -10 s 10 -10 10 -10 10 -10GR
–35 –9 27 25 23 21 27 15Ère des quarks 10 -10 s 10 -10 10 -10 10 -10
–35 –33Ination 10 -10 s
–30découplage de I 10 sFO
–12I et I se découplent 10 sEL FA
+ – –9 0 25 10 21 6 15 10Ère des hadrons Formation des p , anti-p (p ), n, anti-n 10 -10 s 10 -10 10 -10 10 -10
– + 0 2 10 9 6 5 10 5Ère des leptons Formation des e , e 10 -10 s 10 -10 10 -10 10 -10
2 6 9 3 5 –1 5 3Ère des photons 10 s-10 a 10 -10 10 -10 10 -10
2 3Nucléosynthèse cosmologique 10 -10 s
–1FDC (CMB) 380 000 a 3 000 4·10 1’100
6 10 3 –1 –3 3Ère de la matière Étoiles et galaxies 10 -10 a 10 -10 10 -10 10 -0,3
6 8Ages sombres 10 -5·10 a
8 8Réionisation 5·10 -9·10 a
8Premières étoiles 9·10 a
10 –3Ère du vide L’Univers s’est dilaté > 10 a < 10 < 10 < 0,3
10 –4Aujourd’hui 1,38·10 a 2,726 3,5·10 0
Tableau 1.1. Époques de l’évolution de l’Univers depuis le Big Bang.
Notations.
Interactions fondamentales : nucléaire forte (I ), électromagnétique (I ), nucléaire faible (I ) et gravitation (I ).FO EL FA GR
+ – – +Particules : quarks, proton (p ), antiproton (p ), neutron (n), antineutron (anti-n), électron (e ) et antiélectron ou positron (e ).
FDC : fond difus cosmologique (Cosmic Microwave Background, CMB).Tableau 1.1.Unités de temps : sconde (s) ou année (a).
Unité d’énergie des particules : électronvolt (eV).
Le redshift z est défni dans le chapitre Vitesses radiales.
Référence : adapté du livre Cosmologie et Relativité Générale d’Alice Gasparini, Presses polytechniques et universitaires romandes (2018).
1.2. Big Bang 15
042469_BURKI_tableaux.indd 1042469_BURKI_tableaux.indd 1 29/10/2020 16:4329/10/2020 16:43La loi d’équivalence entre masse et énergie (voir l’encadré l’énergie des particules, les quatre interactions connues
à la fn du chapitre) permet d’établir la succession des aujourd’hui sont ensuite apparues successivement par
particules créées dans l’Univers se refroidissant. Par découplages des autres, d’abord l’interaction
gravitaexemple, une paire électron-positron peut être créée tionnelle, puis, lors de l’ère des quarks, l’interaction
par un photon si son énergie est supérieure à celle de nucléaire forte, et enfn les interactions nucléaire faible
l’énergie de masse de la paire, soit 2·0,511 MeV. L’énergie et électromagnétique.
d’un tel photon (1,022 MeV) correspond à une longueur
−12d’onde de 1,213·10 m, situé dans le domaine des rayons –43 –35Grande Unifcation (10 -10 s)
gamma-X (cf.R ayonnement). Le milieu était alors très
Juste après le temps de Planck, l’interaction gravitation-chaud, avec une température supérieure au milliard
nelle s’est découplée des trois autres interactions fonda-de °K et des vitesses très élevées des particules créées.
mentales. Des ondes gravitationnelles cosmologiques
Les valeurs du redshif z (cf. Vitesses radiales et
pourraient avoir été émises, à l’image du FDC
électromaExpansion de l’Univers I) aux diférentes époques sont
gnétique émis lors de la formation des atomes
d’hydroégalement données dans le tableau. Formellement, le
gène, quand l’Univers avait 380 000 ans. Par analogie,
redshif n’a un sens que si un décalage du rayonnement
cette émission d’ondes gravitationnelles serait un « fond
vers les grandes longueurs d’onde peut être observé.
difus gravitationnel », encore à découvrir, et qui
apporCette condition est satisfaite dans le cas des galaxies,
terait des confrmations sur la justesse du modèle du
pour lesquelles des études de leur spectre (distribution
Big Bang, encore très incertain aux origines. Ce serait
de leur rayonnement électromagnétique en fonction
aussi un moyen extraordinaire d’observer les premières
de la longueur d’onde) sont réalisées, soit pour un âge
phases de l’évolution, en remontant dans le temps d’une
de l’Univers supérieur à environ un milliard d’années.
étape supplémentaire.
Les valeurs pour les époques antérieures, pour lesquelles
La théorie de la grande unifcation porte sur l’Univers aucun spectre classique n’est produit, sont obtenues via
après le découplage de la gravitation. C’est donc un des modèles d’Univers. Le redshif est alors une
extenmodèle de physique des particules avec les trois interac-sion de la défnition standard ; c’est la valeur qui serait
tions fondamentales, nucléaire forte, nucléaire faible et obtenue si des spectres existaient.
électromagnétique, alors qu’elles étaient encore unifées.
Les époques principales de l’évolution de l’Univers sont
Cette théorie porte aussi le nom de Grand Unifed Teory
décrites ci-dessous.
(GUT).
–43Ère de Planck (âge t < 10 s) –35 –9Ère des quarks (10 -10 s)
Aucune théorie globale ne décrit l’Univers avant le temps
Cette ère, comme les précédentes, est encore inaccessible –43de Planck, t = 10 s. Mais une propriété importante est
aux instruments actuels. Elle est caractérisée par
l’infaadmise : toutes les particules élémentaires existantes –35 –33tion, entre 10 et 10 s, par le découplage de
l’inteétaient en équilibre thermique, c’est-à-dire qu’elles –30raction nucléaire forte à 10 s, et par le découplage
avaient la même énergie moyenne et qu’elles
interagisdes interactions nucléaire faible et électromagnétique
saient entre elles. Même les neutrinos interagissaient avec –12à 10 s. Depuis ce dernier instant, les quatre
interacles autres particules en raison de la très haute densité du
tions fondamentales sont celles connues aujourd’hui.
milieu, alors que dans les conditions « normales » (même
À cette époque, les protons et les neutrons (nucléons)
au cœur des étoiles) leurs interactions sont
extrêmene pouvaient pas exister en raison de la violence des
ment rares. La conséquence est que toutes les propriétés
chocs résultant de la très haute température, donc de
antérieures au temps de Planck ont été efacées, d’où
leur énergie cinétique. Cette ère comportait en
partinotre ignorance sur ces premiers instants.
culier les quarks, constituants des futurs nucléons
Il est admis qu’avant le temps de Planck, les interactions (cf .Éléments chimiques) ; leur énergie de masse vaut
nucléaires fortes, électromagnétique, nucléaire faible 2,01 MeV (quark u) et 4,79 MeV (quark d). À ce stade,
et gravitationnelle étaient unifées, selon une théorie l’Univers était constitué de photons, de leptons (voir
globale encore à établir. Ce sont les quatre interactions ci-dessous), entre autres des électrons et des neutrinos,
fondamentales de la physique, décrites dans l’encadré à et des quarks libres, pas encore contraints de former les
la fn du chapitre. La théorie de cet état primordial avec nucléons, ce qui est le cas aujourd’hui suite à la
diminules quatre interactions fondamentales unifées est la tion de la densité des particules.
Téorie du tout (en anglais, Teory of Everything, TOE).
Suite à la baisse de la température de l’Univers, ou de
16 Univers–9 0 positrons. Ce n’est pas le cas, l’Univers ne contient que Ère des hadrons (10 -10 s)
des électrons. C’est à nouveau une brisure de symétrie
La diminution de la densité des particules a produit le qui est évoquée, favorisant les électrons au détriment
confnement des quarks en hadrons (protons et neutrons des positrons. Un fait notable doit gouverner
l’explicaentre autres, ainsi que leurs antiparticules) par l’inte- tion de ces brisures de symétrie : quelles que soient leurs
raction nucléaire forte. Les rencontres entre parti- natures, mal comprises, les nombres de protons et
d’éleccules et antiparticules ont produit leur annihilation et trons sont les mêmes, l’Univers actuel étant globalement
l’émission de rayonnement, mais avec aussi la réaction électriquement neutre !
inverse. Il s’est alors établi un équilibre qui maintenait
« stable » la population de ces particules. À partir de
2 6–7 Ère des photons (10 s-10 ans)l’âge de 10 s, l’Univers contenait des neutrons et des
protons (nucléons des futurs noyaux atomiques), des 2À l’âge d’environ 10 s, la température avait baissé jusqu’à
électrons, des neutrinos ainsi que leurs antiparticules. une valeur permettant aux protons et neutrons libres de
Ces particules étaient libres (et en interaction), et leur fusionner pour former des noyaux atomiques. C’est de
énergie était encore trop grande pour que des noyaux début de la période de la nucléosynthèse cosmologique,
atomiques puissent se former. avec la création de noyaux de deutérium, d’hélium 3, de
–6 tritium, d’hélium 4 (2 protons et 2 neutrons), de béryl-À l’âge de 10 s, l’énergie n’était plus sufsante pour
lium 7 et de lithium 7. La création cosmologique de créer des paires protons-antiprotons et
neutrons-antineul’hélium 4 est très importante pour l’évolution chimique trons. A priori, il devrait donc y avoir le même nombre
ultérieure de l’Univers via les étoiles. Une quantité en de nucléons et d’antinucléons. Ce n’est pas le cas :
l’obsermasse de 25 % d’hélium a été fabriquée par la nucléo-vation montre que l’Univers est constitué de matière
synthèse cosmologique durant une courte période, entre avec une absence d’antimatière, sauf celle produite par
les âges d’environ 10 et 1 000 s.des réactions spécifques et locales de particules. Cette
absence d’antimatière résulte d’un phénomène nommé La nucléosynthèse cosmologique a été limitée dans le
brisure de symétrie, qui n’est pas totalement expliqué temps. Avant ~10 s, la température et donc l’énergie des
actuellement. Mais c’est un fait fondamental car, sans particules étaient trop élevées pour que la fusion nucléaire
cela, il y aurait autant de particules que d’antiparticules soit possible (vitesse des particules trop grandes). Après
dans l’Univers, avec des productions de rayonnement lors ~1 000 s, elles étaient devenues trop faibles pour vaincre le
des rencontres d’annihilation. La recherche de galaxies barrage coulombien (les protons ont la même charge, il y a
d’antimatière, ou de régions constituées uniquement donc répulsion). Dans l’Univers primordial comme dans
d’antimatière, n’a pas abouti. Jusqu’à preuve du contraire, le cœur des étoiles, pour que la fusion des protons soit
le gaz, les étoiles et les galaxies de notre Univers ne sont efcace, il faut une température du milieu comprise de
constitués que de matière, et non d’antimatière. 6 9façon simplifée entre environ 10 et 10 °K. Il est
important de souligner que la composition chimique globale
0 2 est en parfait accord avec les prédictions théoriques de la Ère des leptons (10 -10 s)
nucléosynthèse cosmologique. C’est un des tests
cosmoÀ l’âge de 1 s, la densité était devenue trop faible pour
logiques majeurs, qui tient aussi compte, comme un
maintenir un taux élevé de collisions des neutrinos avec
« correctif» , de l’évaluation de la quantité des mêmes
le processus création-annihilation ; ils se sont
découéléments chimiques produits dans les étoiles au cours
plés des autres particules en créant un « fond difus de
des milliards d’années de l’évolution de l’Univers.
neutrinos », à l’image du FDC et du fond difus
gravitaÀ l’âge d’environ 70 000 ans, correspondant à un tionnel (voir ci-dessus). Étant donné la très faible
probabiredshif z d’environ 4 000, le contenu énergétique était lité d’interaction des neutrinos avec les autres particules,
réparti de façon environ égale entre le rayonnement et il est peu probable que ce fond difus de neutrinos soit
la matière (cf. Évolution de l’Univers I).mis en évidence prochainement. L’observation des fonds
difus gravitationnels et de neutrinos est un des enjeux À l’âge de 380 000 ans (T = 30 00 °K, z = 1 100) l’énergie
majeurs de la cosmologie observationnelle pour le futur, des particules avait assez baissé pour que les premiers
à moyen ou long terme. atomes, ceux de l’hydrogène, se forment par combinaison
des protons et des électrons. C’est l’époque de l’émis-Les électrons et les positrons font partie de la classe de
sion du FDC qui constitue un autre des tests cosmo-particules des leptons. La création des électrons s’est
logiques fondamentaux. La formation des atomes a arrêtée quand l’énergie du milieu est devenue inférieure
produit un découplage entre rayonnement et matière. à 1,02 MeV, soit l’énergie de masse d’un électron plus
Avant leur formation, les photons se déplaçaient dans d’un positron. Comme pour les hadrons (voir ci-dessus),
un milieu ionisé (cf .Éléments chimiques) et étaient on devrait alors avoir le même nombre d’électrons et de
1.2. Big Bang 17∆
continuellement difusés par les interactions électro- efondrement des nuages de gaz à un âge situé à environ
magnétiques ; le milieu était opaque. Après la formation 500 millions d’années. Les plus massives d’entre elles
des atomes, qui sont électriquement neutres, les photons ont produit du rayonnement très énergétique (UV et X)
du rayonnement électromagnétique ont pu se déplacer qui a ionisé le gaz environnant. C’est l’époque de la
dans un milieu devenu transparent. C’est la raison pour réionisation. En conséquence, l’Univers était
complèlaquelle le FDC est observable, encore actuellement. tement ionisé avant l’émission du FDC, il a ensuite été
neutre pendant les âges sombres, puis a été réionisé par
la première génération d’étoiles.6 10Ère de la matière (10 -10 ans)
Les fuctuations observées aujourd’hui dans le FDC 10Ère du vide (> 10 ans)sont la trace des diférences de densité de la matière
à l’époque de son émission. Depuis lors, la matière a Au-delà d’un âge de 10 milliards jusqu’à aujourd’hui, la
évolué indépendamment du rayonnement. Ces régions poursuite de la dilatation de l’Univers a fait baisser sa
de surdensité ont attiré gravitationnellement la matière densité moyenne jusqu’à sa valeur actuelle (cf.Év olution
environnante, produisant une augmentation du contraste de l’Univers I). Cette époque récente est parfois appelée
en densité, à l’origine des grandes structures de matière ère du vide. Sa température globale moyenne est donnée
et des galaxies (cf.D istribution des galaxies). Dans ce par l’observation de l’évolution du FDC, soit
actuellecadre, la matière noire, si elle existe, a forcément joué ment de 2,726 °K ou –270,424 °C. Mais il s’agit bien sûr
un rôle, en accord avec ses propriétés supposées. d’une température globale, hors des régions occupées
par les étoiles et le gaz dans les galaxies.Entre la combinaison des protons et des électrons en
atomes d’hydrogène, symbolisée par l’émission du FDC, Cette description des ères de l’Univers repose sur des
et la formation des premières étoiles, l’Univers était notions complexes de physique. Il est heureux dans ce
sombre ; c’est l’époque des âges sombres qui s’est étendue contexte que toute cette histoire, au sens noble du terme,
6 8d’environ 10 à 5·10 ans. se résume par la simple question du chapitre précédent :
pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?Les premières étoiles, constituées quasi
uniquement d’hydrogène et d’hélium, se sont formées par
Équivalence masse-énergie
2Selon la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein donnée en eV/c : par exemple la masse du proton au repos,
–27 2de 1905, tout système immobile de masse m possède une 1,672·10 kg, vaut 938,272 MeV/c en termes d’énergie
énergie de masse E donnée par la fameuse relation donnant de masse.
l’équivalence masse-énergie :
Cette équation est sans doute l’une des plus connues, même
2E = m·c si son sens profond est parfois (souven?t) i gnoré. Elle a
révolutionné notre vision de la physique, et du monde, car où c est la vitesse de la lumière dans le vide,
–1 elle met en relation une énergie (à gauche) avec une masse c = 299 792 458 m·s .
2 16 2 –2(à droite). Le terme c est très grand (9·10 m ·s ), l’énergie
–1Avec m en kg et c en m·s , E est en joule. équivalente contenue dans un gramme de matière est donc
énorme. À toute variation ∆m de la masse du système au Pour les particules, E est en général donnée en électronvolt
repos, correspond une variation ∆E de son énergie, et (eV), avec :
2réciproquement, selon l’expression : ∆E = m·c . C’est –191 eV = 1,602177·10 J
la raison de la puissance phénoménale dégagée par les
En raison de l’équivalence entre masse et énergie décrite bombes nucléaires, par conversion de masse en énergie.
par cette équation, la masse des particules est souvent
18 UniversInteractions fondamentales
L’interaction nucléaire forte, notée ici I , est responsable L’interaction gravitationnelle ou gravitation, notée ici FO
de la cohésion des noyaux atomiques. Elle est la cause de I , produit l’attraction des corps ayant une masse. Elle
GR
la radioactivité α et joue un rôle important dans la fusion gouverne la structure et les mouvements des corps célestes
–2nucléaire au cœur des étoiles. Elle décroît avec la distance d (et de l’Univers !). Sa variation est en d et sa portée est
–7 –15comme d avec un rayon d’action de 2,5·10 m. infnie.
–2L’interaction électromagnétique, notée ici I , est la cause Les intensités relatives par rapport à I sont d’environ 10 EL FO
–14 –39de l’électricité, du magnétisme et des rayonnements pour I , 10 pour I et 10 pour I . Pour les évaluer, il
EL FA GR
(lumière). C’est la base de l’« observabilité » de l’Univers faut calculer l’interaction entre deux mêmes particules, par
(rayonnements) et de la chimie (réactions). Sa variation exemple deux protons, placées à des distances identiques et
–2est en d et sa portée est infnie. déterminer pour chaque interaction une grandeur appelée
la constante de couplage. Les intensités sont données à titre L’interaction nucléaire faible, notée ici I , est la cause de la FA indicatif pour montrer la gamme énorme des intensités radioactivité β. Elle permet donc la datation par la méthode
39(facteur 10 par exemple entre I et I ). Pour calculer
FO GRdu carbone 14 (cf.O rigine des éléments chimiques) et
la force à partir de l’intensité, il faut ensuite tenir compte joue aussi un rôle dans la fusion nucléaire au cœur des
du type de particules et de leur distance.–5 –7étoiles, comme I . Sa variation est en d à d avec un
FO
–18rayon d’action de 10 m.
1.3. Premières minutes
L’établissement des caractéristiques fondamentales du Monde
–43De nombreux événements fondateurs ont façonné notre Juste après le temps de Planck (10 s), la gravitation
Univers actuel au cours des premières minutes après le s’est séparée des trois autres interactions fondamen -
Big Bang. Trois sont évoqués dans ce chapitre, l’inf-a tales. C’est alors que nos lois de la physique permettent
–34tion à environ 10 s, la transformation du champ de de mieux comprendre les phénomènes à l’œuvre. La
–12Higgs à 10 s et la nucléosynthèse cosmologique, ou gravitation peut être décrite par la relativité générale, et
primordiale, autour de 100 s. les trois autres interactions par la mécanique quantique.
–35Entre les âges de l’Univers après le Big Bang de 10 à
–3310 s, il est postulé que sa taille aurait brusquement
30Infation augmenté d’un facteur supérieur à 10 . Cette
phénoménale dilatation, évoquée en particulier par l’Américain La toute première phase de l’histoire de l’Univers, après
Alan Guth en 1979, a été baptisée le modèle de l’infa-le Big Bang, est connue sous le nom d’ère de Planck, au
tion cosmique. Un tel facteur de dilatation brutale est peu cours de laquelle les quatre interactions fondamentales
commun et à vrai dire difcile à imaginer !de la physique (interaction nucléaire forte,
électromagnétisme, interaction nucléaire faible et gravitation, La fgure 1.3 donne une représentation de l’évolution
cf.Bi g Bang) étaient unifées. La physique actuelle ne du rayon de l’Univers observable, sans infation (modèle
permet pas de décrire cette phase de façon totalement « standard ») ou avec la très brève époque
infationsatisfaisante, faute d’avoir une théorie globale, qui inclut naire. L’échelle du rayon de l’Univers observable est très
simultanément, en particulier, la relativité générale et la approximative, les divers modèles d’infation donnant
physique quantique. des valeurs diférentes ; il ne faut retenir que l’aspect
qualitatif de cette fgure. Il est à remarquer qu’à la fn
1.3. Premières minutes 19–33de l’infation, soit à l’âge de 10 s, le rayon de l’Uni- auraient été à l’origine des premiers grumeaux
gravitavers observable était de l’ordre du mètre… Cela donne tionnels, eux-mêmes étant les précurseurs des étoiles et
une idée de la physique complexe et non intuitive qui des galaxies (cf. Distribution des galaxies).
est sous-jacente à l’hypothèse de l’infation ! L’absence de monopôles magnétiques. Les charges ֹ
électriques existent sous forme de monopôles (la charge
d’un électron par exemple), mais on ne rencontre dans
la nature que des dipôles magnétiques (un aimant par
exemple). Toutefois, certains modèles d’Univers prédisent
la formation de monopôles magnétiques qui auraient pu
infuencer l’expansion. C’est par l’étude de ce sujet que
Alan Guth en est venu à postuler l’infation.
Que représente une dilatation brutale de l’Univers par
30un facteur d’au moins 10 ? Imaginons qu’une molécule
–10d’eau, dont la taille est de 0,3 nanomètres (3·10 m),
se dilate jusqu’à occuper instantanément tout l’espace
qui nous sépare du centre galactique, distant de
2026 500 années-lumière (3·10 m) ! Ce n’est qu’un exemple
Figure 1.3. Évolution du rayon de l’Univers observable.
illustratif de l’importance de ce facteur de dilatation: i l
La représentation très schématique montre l’évolution, sans infation
n’y avait pas de molécule d’eau, ni de galaxie, à l’époque (modèle « standard ») ou avec infation.
de l’infation.Crédit : adapté de physicsoftheuniverse.com.
Pour appréhender l’importance de ce facteur de
dilataCe postulat de l’infation cosmique brutale et considé- tion, on peut aussi le comparer à la suite de l’évolution
rable apporte une explication à plusieurs faits observa- de l’Univers. En efet, entre le moment de l’émission du
tionnels (cf .Expansion de l’Univers I) : FDC (âge de 380 000 ans) et l’époque actuelle (âge de
L’homogénéité et l’isotropie de l’Univers observable à 13,8 milliards d’années), l’Univers ne s’est dilaté « que » ֹ
grande échelle. Ce sont les conditions du principe cosmo- d’un facteur 1 100.
logique, soutenues par l’uniformité presque parfaite de Il faut préciser que le concept d’infation est, comme
la température du FDC, avec des écarts inférieurs au dix le Big Bang, une hypothèse had hoc. C’est la meilleure
millième de degré. Le postulat de l’infation en donne à ce jour car elle donne une description théorique qui
une explication : valide les observations et c’est celle qui est adoptée par la
– Sans l’infation, des régions éloignées de l’Univers majorité des spécialistes du domaine. Mais une opinion
n’auraient pas eu le temps de se thermaliser de façon majoritaire n’est pas une certitude de vérité en matière
homogène. L’échange d’« information» s e fait au mieux scientifque ! De plus, il n’est pas interdit de changer
à la vitesse de la lumière et ces régions étaient trop d’avis, c’est même parfois un signe de lucidité. Dans ce
éloignées, même juste après le Big Bang, pour avoir contexte et sans prendre position, on peut noter qu’un
été en contact (la vitesse de la lumière est élevée, mais des opposants actuels à l’infation est l’Américain Paul
–35la distance qu’elle parcourt en 10 s, âge postulé du Steinhardt, alors qu’il fut parmi les auteurs des premiers
début de l’infation, est infme). modèles infationnaires.
– Avec l’infation, l’Univers tout entier était contenu À la suite de l’infation, l’Univers se dilatant et se
refroiinitialement dans une toute petite région qui a donc dissant va se peupler de toutes sortes de particules
eu le temps de se thermaliser et de devenir homogène fondamentales, dont les plus connues sont l’électron,
et isotrope. Ensuite, l’infation a fait gonfer rapide- les neutrinos, les quarks et les bosons ; les autres
partiment l’Univers, éloignant les unes des autres les struc- cules importantes pour le propos de cet ouvrage sont le
tures préalablement mises en place. proton et le neutron, qui forment les noyaux des atomes
(cf .Éléments chimiques) et qui sont composés de quarks.La platitude de la géométrie de l’espace-temps (le ֹ
paramètre de courbure k est proche de zéro). Les
prédictions théoriques d’une expansion forte et rapide sont
précisément qu’elle favorise une telle géométrie. De Champ et boson de Higgs
plus, les fuctuations quantiques d’énergie présentent
Le champ et le boson de Higgs font partie des sujets bien avant le début de l’infation auraient été fortement lissées
difciles à expliquer simplement. Mais leur existence durant cette phase ; leurs résidus à la sortie de l’infation
est fondamentale et il faut en dire quelques mots. Pour
20 Universprésenter le boson et le contexte de sa découverte, 130 fois celle du proton, correspondant à une énergie
quelques phrases sont empruntées à Anne Rosencher, de 125 GeV (cf.A nnexe) selon la relation d’équivalence
publiées dans le journal Marianne du 8 octobre 2015 : masse-énergie.
« On attribue au physicien Léon Lederman la dénomi- Le LHC du CERN illustre l’envergure des expériences de
nation de particule de Dieu pour le boson de Higgs. physique des particules qu’il faut mettre en place pour
Mais il aurait démenti une telle attribution mystique, étudier les constituants ultimes de la matière. C’est un
ayant seulement parlé de goddamn particle (fchue tunnel circulaire de 27 kilomètres de longueur se trouvant
particule). Pour Bruno Mansoulié, c’est le Higgs qui sous terre à la profondeur moyenne de 100m ètres, dans
permet la création de matière. Dans ce sens-là, oui, la région franco-suisse proche de Genève.
la référence divine se comprend. Pour le reste, c’est à La découverte du boson de Higgs ne nous donne pas
chacun selon sa foi ». seulement des indications sur l’origine de la masse des
L’Univers est partout rempli d’une entité (terme utilisé objets de l’Univers, mais elle confrme la validité du
faute de mieux) invisible et quelque peu mystérieuse, modèle standard utilisé en physique des particules. C’est
non précisée ici, le champ de Higgs. Le terme de champ une étape importante qui a été franchie dans la
comprén’est pas utilisé qu’en agriculture ! C’est aussi la donnée, hension des premières phases de l’Univers dans le cadre
pour chaque point de l’espace-temps, de la valeur d’une de la théorie du Big Bang, ainsi que sur la constitution
entité ou grandeur physique. Un exemple bien connu intime de notre matière.
de champ est la carte des pressions ou des
températures d’un bulletin météorologique : ces deux paramètres
prennent, en chaque point et à chaque instant, des valeurs Nucléosynthèse cosmologique
spécifques.
Depuis le Big Bang, l’Univers s’est dilaté et il s’est refroidi.
–12C’est à l’âge de 10 s que le champ de Higgs s’est modifé ; A chaque niveau d’énergie atteint durant ce
refroidisseen terme technique, il a subi une transition de phase. ment se sont créées des particules de masse
corresponDès lors, l’interaction des particules élémentaires avec dante, selon le principe d’équivalence masse-énergie
ce champ leur a conféré une masse, à l’exception des 2donné par la relation E = m·c , où E est l’énergie, m la
photons et des gluons qui restent de masse nulle. C’est le masse et c la vitesse de la lumière.
mécanisme BEH de Brout-Englert-Higgs, faisant
interGlobalement, l’évolution de l’Univers en expansion venir le champ de Higgs, qui permet d’expliquer comment
(cf .Loi de Hubble-Lemaître) et son refroidissement les fermions (quarks et électrons par exemple) et les
sont décrits par plusieurs époques (cf.Bi g Bang), carac-bosons dont celui de Higgs acquièrent de la masse, mais il
térisées par les particules principales qui sont créées, n’explique pas à lui seul la masse des particules
non-élésoit celles qui formeront les noyaux atomiques, puis les mentaires comme les protons et neutrons, constitués de
atomes. Sont à mentionner :gluons en plus de quarks.
L’ère des quarks (énergie de masse de quelques MeV), ֹ Le boson de Higgs est la manifestation de l’excitation du
–35 –9entre 10 et 10 s. Les quarks sont les briques des champ de Higgs. C’est une particule neutre, massive et
protons et des neutrons.sans spin. En général, il n’existe pas de bosons de Higgs
–9autour de nous. Il faut efectuer des chocs entre des parti- L’ère des hadrons, entre 10 et 1 s. Les hadrons ֹ
cules (au LHC on a utilisé des protons) pour exciter le comprennent en particulier les protons (énergie de masse
champ de Higgs et fabriquer ainsi des bosons de Higgs. de 938,27 MeV) et les neutrons (939,57 MeV) ainsi que
En général, ils se dissipent rapidement, car leur durée de leurs antiparticules. Les protons et les neutrons, formés
–23vie est extrêmement courte (10 s), ce qui ne facilite pas de trois quarks, sont les constituants (nucléons) des
les expériences. Ce qui est observé, ce sont les produits noyaux atomiques.
de désintégration de ces particules. L’ère des leptons, entre 1 et 100 s. Les leptons ֹ
comprennent en particulier les électrons et leurs antipar-La prédiction théorique du boson de Higgs remonte à
ticules, les positrons (énergie de masse de 510,99 keV).1964. Elle est due aux Belges Robert Brout et François
Englert, et au Britannique Peter Higgs, les deux derniers Les atomes de notre matière sont formés d’un noyau,
ayant obtenu le prix Nobel de physique en 2013 pour constitué de protons et de neutrons, et d’électrons en
cette prédiction (Robert Brout est décédé en 2011). La orbite autour du noyau. Durant les phases chaudes
découverte du boson a été réalisée en 2012 avec le Large initiales de l’Univers, les premiers noyaux atomiques
Hadron Collider (LHC) du Centre Européen de Physique ont été créés. Mais la température était alors trop élevée
des Particules (CERN). Le degré de confance de l’exis- pour que des atomes (noyau plus électrons) puissent
tence de ce boson est de 99,99997 %. Sa masse est de exister. Il faudra attendre l’âge de 3800 00 ans et une
1.3. Premières minutes 21température de 3 000 °K pour que l’atome d’hydrogène,
constitué d’un proton (noyau) et d’un électron se forme
et que soit alors émis le rayonnement du FDC.
Les noyaux des éléments chimiques les plus légers ont été
créés par association de protons et de neutrons durant les
15 premières minutes de l’Univers. La fgure 1.4 présente
une description schématique des processus de
formation des noyaux d’hydrogène (proton), de deutérium,
d’hélium 3, de tritium, d’hélium 4 (hélium « habituel »),
de béryllium et de lithium.
Il est à noter que le béryllium 7 est instable et qu’il se
désintègre spontanément en lithium 7. Sur Terre, on
connaît surtout le béryllium 9, qui est stable, constitué
de 4 protons et de 5 neutrons.
À l’âge de 15 min, alors que la température de
l’Univers était de 400 millions de °K, les briques de base de
la matière, les noyaux atomiques légers, étaient créées
dans les proportions suivantes, en masse : 75 %
d’hydrogène (protons), 25 % d’hélium (2 protons) et des traces
Figure 1.4. Nucléosynthèse cosmologique.de deutérium, tritium, béryllium et lithium.
Représentation schématique de la fusion des noyaux d’éléments
Tous les noyaux des autres éléments chimiques (carbone, chimiques produits par les réactions nucléaires lors de la
azote, oxygène, néon, fer, etc.) seront créés bien plus tard, nucléosynthèse primordiale ayant suivi de Big Bang.
au cœur des étoiles, ou lors de la fusion de paires d’étoiles
à neutrons et des explosions de supernovae (cf.O rigine
des éléments chimiques).
1.4. Loi de Hubble-Lemaître
Elle décrit l’expansion de l’Univers actuel
Cette loi fondamentale de la cosmologie était connue et internationalement, sur une telle extension de sa
jusqu’en 2018 sous le nom de loi de Hubble. Toutefois, dénomination. Cette résolution a été acceptée par 78 %
l’Union astronomique internationale (UAI) a voté une des votants, avec 20 % de votes opposés et 2 %
d’abstenrésolution lors de son Assemblée Générale d’août 2018 tions. Le nom ofciel de la loi de Hubble est maintenant
tenue à Vienne. Cette Résolution B4 propose que le nom la loi de Hubble-Lemaître.
de cette loi devienne la loi de Hubble-Lemaître pour En 1929, l’astronome américain Edwin Hubble a mesuré
rendre hommage aux travaux fondateurs de l’astrophy- la vitesse radiale des galaxies proches. Il en a déduit
sicien belge Georges Lemaître (cf.Bi g Bang), contem- une loi, aussi fondamentale que surprenante à l’époque.
porains de ceux de l’Américain Edwin Hubble. Étant Toutes les galaxies s’éloignent de nous, avec une vitesse
donné la « célébrité » de cette loi, la présidence de l’UAI augmentant avec leur distance. Cette loi s’exprime très
a décidé d’organiser un vote auprès de ses membres (plus simplement :
de treize mille astronomes professionnels provenant de
V = H ·dpresque cent pays) pour prendre position, ofciellement 0
22 Univers–6où V est la vitesse radiale et d la distance. L’indice « 0 » (10 m) en un siècle. C’est dix fois moins que
l’épaissur H se rapporte au fait que sa détermination est locale seur d’un cheveu ! Cela semble négligeable, mais l’efet
et donc valable uniquement pour l’Univers proche, au de l’expansion cumulé sur des milliards d’années devient
temps actuel t . Une des surprises est venue du fait qu’il mesurable.0
y a une relation linéaire entre ces deux grandeurs, de
pente égale à H .0
L’expression plus générale, valable à tout instant t dans
l’évolution, est (cf. Expansion de l’Univers I) :
V(t) = H(t)·r(t)
où :
H(t) est la « constante » de Hubble au temps t.ֹ
r(t) est la distance entre deux objets (galaxies) au ֹ
temps t.
V(t) est la vitesse radiale au temps t, donnée par ֹ
V(t) = dr(t)/dt, où dr(t) et dt sont les variations de
la distance r(t) et du temps t ; le rapport de ces deux
grandeurs est la défnition de la vitesse instantanée V(t)
entre les objets (cf. Annexe).
La fgure 1.5A montre la loi originale de Hubble, datant
de 1929, décrivant le taux d’expansion de l’Univers, basée
sur la mesure de la vitesse radiale V et sur la
détermination de la distance d d’une trentaine de galaxies proches,
distantes de moins de 6,5 millions d’al. Les ronds noirs
et la courbe continue sont basés sur les galaxies
individuelles, les cercles et la courbe traitillée sont basés sur
Figure 1.5. La loi de Hubble-Lemaître.des groupes (moyennes).
A. La loi originale de 1929, décrivant le taux d’expansion de l’Univers. La
–1 –1 –1 –1Hubble a obtenu la valeur H = 500 km·s ·Mpc pente de la droite vaut H = 500 km·s ·Mpc .0 0
–1avec : V en km·s et d en Mpc (mégaparsec) B. La version moderne, portant sur une portion beaucoup plus profonde
6 6 de l’Univers que la version originale. La pente de la courbe moyenne où : 1 Mpc = 10 parsec (pc) = 3,26·10 années-lumière.
–1 –1donne H = 67,7 km·s ·Mpc .0
Mais, depuis lors, la valeur de H a été revue à la baisse. Crédits : image historique fgurant dans de multiples sources ; fgure adaptée de 0
W.L. Freedman (Carnegie Institution of Washington) et al.Grâce aux observations modernes, permettant par
diverses techniques de mesurer la vitesse radiale et la
La valeur obtenue par Hubble était notoirement trop distance de galaxies beaucoup plus distantes, il a été
grande en raison des incertitudes afectant ses mesures possible de déterminer la constante de Hubble H avec 0
et de la faible extension en distance de son échantillon une grande précision. La fgure 1.5B présente la version
de galaxies. Mais la loi décrivant l’expansion de l’Univers moderne de la loi de Hubble-Lemaître, établie sur une
était là, ouvrant une voie royale aux travaux cosmolo-portion de l’Univers 200 fois plus étendue que celle
accesgiques. Il faut souligner le point fondamenta: l la vitesse sible à Hubble. La valeur déterminée pour H vaut environ 0
d’éloignement des galaxies par rapport à nous augmente 70 par cette méthode. Pour les raisons évoquées
ci-desproportionnellement à leur distance. Cette constatation sous, la valeur
est aussi vraie entre les galaxies, en principe partout.
–1 –1H = 67,7 km·s ·Mpc 0 Cela signife que l’Univers se dilate de façon homogène.
sera adoptée dans cet ouvrage, compatible avec un âge de Pour dériver sa loi, Hubble a tiré parti du rayonnement
l’Univers de 13,8 milliards d’années. Cette valeur signife lumineux provenant des galaxies pour mesurer leur
que le taux d’expansion augmente chaque seconde de vitesse et leur distance via la luminosité de certaines
67,7 km les côtés de chaque cube d’Univers mesurant étoiles :
1 million de parsec de côtés, soit 3,26 millions d’al, soit
La mesure des vitesses radiales a été faite par voie 19 ֹ 3,09·10 km.
spectroscopique, en utilisant l’efet Doppler bien connu en
Il est intéressant d’exprimer H avec d’autres unités : 0 physique. Quand un objet émetteur de lumière s’éloigne
–1 –17,0 µm·siècle ·km . Cela signife que chaque kilomètre de l’observateur, son rayonnement est déplacé vers les
d’Univers s’allonge actuellement de 7,0 micromètres µm grandes longueurs d’onde. Si au contraire l’objet se
1.4. Loi de Hubble-Lemaître 23rapproche, son rayonnement est déplacé vers les courtes Le débat sur la valeur de H continue actuellement, même 0
longueurs d’onde. On parle souvent de décalage vers le si les diférences sont maintenant de seulement quelques
–1 –1rouge des galaxies, mais cela n’est correct que pour des km·s ·Mpc . Trois résultats récents (en 2018), basés sur
observations efectuées dans le domaine visible de la des méthodes diférentes, peuvent être mentionnés :
lumière. Les spectrographes modernes les plus
perfor67,74 ± 0,46 via le FDC par le satellite PLANCK en 2015
mants, utilisés par exemple pour la détection des exopla- 73,2 ± 1,7 via les supernovae
nètes (aussi nommées planètes extrasolaires), atteignent 71,9 + 2,4/–3,0 via les lentilles gravitationnelles
des précisions fantastiques, de quelques centimètres par
Il est à noter que les résultats de l’analyse de 2018 du seconde. À l’époque de Hubble, la précision obtenue sur
consortium PLANCK donnent une valeur encore plus les galaxies était de quelques dizaines de kilomètres par
petite, de 67,4 ± 0,5. Pour savoir quelle méthode donne seconde.
le meilleur résultat, il faut discuter les diverses sources
Pour les distances des galaxies, Hubble s’est basé sur ֹ d’erreurs dans les observations, dans les calculs et dans eune autre loi établie au début du XX siècle par
l’Améla méthode. Ce n’est pas le lieu ici de le faire et la valeur
ricaine Henrietta Leavitt, la relation période-luminosité
–1 –1H = 67,7 km·s ·Mpcdes étoiles céphéides (cf.É toiles pulsantes). Ces étoiles 0
ont une luminosité qui varie dans le temps avec une sera adoptée dans cet ouvrage, pour les calculs présentés.
période stable, de quelques jours à quelques dizaines Remarquons que H est en fait l’inverse d’un temps,
de jours, qui est proportionnelle à leur luminosité puisque c’est le rapport d’une vitesse et d’une distance.
absolue (cf.M agnitudes). C’est l’énorme avantage de On peut donc aussi écrire, par transformation de Mpc
cette relation : la détermination de cette période, chose en km :
aisée, permet de calculer la luminosité absolue de l’étoile.
–18 –1 –11 –1H = 2,19·10 s = 6,92·10 an0Ensuite, la distance d de l’étoile, et donc aussi celle de
sa galaxie, est calculée par la relation simple donnant la Cette valeur de H , donnée par le FDC, a l’avantage 0
dilution du rayonnement avec la distance : la luminosité de résulter d’une analyse homogène avec les
prédicapparente l (reçue sur Terre) et la luminosité absolueL tions du contenu en matière-énergie, soit 5 % de matière
(émise par l’étoile) sont reliées par l’expression bien baryonique, 26 % de matière noire et 69 % d’énergie
2connue, l = L/d . noire (cf .Expansion de l’Univers I et II). Ces diverses
valeurs donnent un âge de l’Univers, ou plutôt du Big Cette mise en évidence de l’expansion de l’Univers est en
Bang, de 13,792 milliards d’années. Pour simplifer l’écri-accord avec les prédictions de la théorie de la relativité
ture et pour tenir compte des imprécisions, la valeur générale d’Einstein établie en 1915, même si ce dernier
de 13,8 milliards d’années pour l’âge du Big Bang sera a refusé dans un premier temps d’admettre que
l’Uniadoptée dans cet ouvrage. Il est important de noter que vers pouvait ne pas être statique. Par ailleurs,
l’expanles résultats généraux présentés dans la suite ne changent sion est décrite par H seulement pour l’Univers « local ». 0
pas qualitativement si une valeur de H diférente de 0Les objets lointains sont observés tels qu’ils étaient à un
quelques % était adoptée. Mais cette remarque ne signife âge plus précoce. Comme la vitesse d’expansion n’a pas
pas que la détermination de la vraie valeur de H soit sans 0été constante dans le temps, la valeur de H a varié au
importance pour les études cosmologiques précises du cours de l’histoire.
contenu et de l’évolution de l’Univers.
24 Univers1.5. Expansion de l’Univers I :
le modèle « standard » (ΛCDM)
Modéliser l’évolution de l’Univers…
Les astronomes ne manquent pas d’ambition !
La description de l’évolution et de l’expansion de l’Uni- Big Bang. L’origine de cette énergie reste inconnue ou
vers porte sur un siècle d’histoire de l’astrophysique, tout au moins mystérieuse, à moins de faire appel à un
depuis l’établissement de la loi de Hubble-Lemaître « avant Big Bang ».
en 1929 jusqu’à la mise en évidence de l’accélération de Les constituants de l’Univers en masse-énergie sont la ֹ
l’expansion de l’Univers en 1998. Font partie de cette matière baryonique, soit essentiellement celle des atomes,
histoire les divers modèles décrivant l’expansion et en la matière noire (non-baryonique), le rayonnement et
premier lieu le modèle ΛCDM dit « modèle standard » l’énergie noire. La masse m et l’énergie E sont
équivaqui inclut l’énergie noire et la matière noire. Une autre 2lentes selon la fameuse relation d’Einstein E= mc . La
théorie, basée sur l’invariance d’échelle du vide et matière noire et l’énergie noire ont été introduites de
qui ne postule pas l’existence de ces deux grandeurs, façon had hoc pour expliquer les efets évolutifs observés.
est présentée dans le chapitre suivant (modèle SIVT, Mais, si leurs efets sont connus et mesurables, elles sont
cf.E xpansion de l’Univers II). Ces travaux ont complè- de nature inconnue. Dans l’Univers actuel, les
proportement transformé notre vision de l’Univers. Il a fallu tions globales en masse-énergie sont :
admettre des conclusions scientifques bouleversant les
5 % p our la matière baryonique, dont seulement idées préconçues par des implications philosophiques
environ 6 % est visible.qui touchent aux concepts de création et d’évolution.
26 % pour la matière noire (non-baryonique)
Ce chapitre est très technique dans son descriptif détaillé, 0,008 % pour le rayonnement
mais les faits essentiels peuvent être énoncés en termes 69 % pour l’énergie noire
simples. C’est pourquoi le chapitre est séparé en deux
Donc, 95 % du contenu en masse-énergie est de nature parties :
inconnue ! De plus, la part visible n’est que d’environ
1. Un résumé des faits essentiels contenant les points 0,3 % (5 % × 6 %).
cosmologiques principaux décrivant l’évolution de
Pour décrire l’évolution de l’Univers, il faut tenir compte l’Univers.
du fait que les efets relatifs de ces constituants ont varié
2. Un descriptif détaillé mais avec toutefois très peu au cours de son histoire.
d’équations mathématiques. Le lecteur intéressé pourra
La matière noire, si elle existe, se distingue de la ֹ trouver ces dernières dans les notes complémentaires
matière baryonique par son insensibilité à l’interaction accessibles sur le site des éditions Ellipses.
électromagnétique, qui produit entre autres le
rayonnement. Par contre, elle interagit aussi par la gravitation.
Elle est postulée mais son existence réelle et sa nature Résumé des faits essentiels doivent encore être démontrées.
Les faits énoncés ci-dessous concernent les époques L’énergie noire emplit l’Univers dans son ensemble. ֹ
post-nucléosynthèse cosmologique (âge de l’Univers Elle est dotée d’une pression répulsive qui s’oppose aux
supérieur à 1 000 s), et a fortiori post-infation: efets contractant de la gravitation. Elle est décrite par les
efets observés, mais son origine et sa nature ne sont pas L’Univers est en expansion permanente depuis le Big ֹ
précisées. En revanche, une notion équivalente, l’énergie Bang, il y a 13,8 milliards d’années.
du vide, n’est pas contestée et est prise en compte dans
Le Big Bang a produit un « élan » initial en injec-ֹ les modèles récents décrivant l’Univers (voir l’encadré
tant ou transformant une énergie quasi-incommensu -
à la fn du chapitre). Ils ne font pas appel
spécifquerable. La densité énergétique et la température étaient
ment à l’énergie noire, mais lui donnent une
explicaénormes au temps zéro de notre Univers « actuel », post
tion physique via les propriétés du vide.
1.5. Expansion de l’Univers I : le modèle « standard » (ΛCDM) 25La gravitation de la matière produit un frein à le’ xpan- l’énergie par unité de volume, reste constante), alors ֹ
sion, mais pas une contraction. En terme physique, on que la densité de matière, qui tend à freiner l’expan -
dit qu’elle induit une décélération, soit une diminution sion de l’Univers, diminue puisqu’il se dilate. Donc, au
de la vitesse d’expansion. Si la matière était la seule à cours de son histoire, la quantité d’énergie du vide (ou
agir, l’Univers fnirait par se contracter, dans quelques noire) augmente, alors que la quantité de matière reste
dizaines de milliards d’années. Ce ne sera pas le cas, en constante. C’est par là que l’accélération de
l’expanraison de l’efet de l’énergie du vide. sion de l’Univers, qui a commencé il y a 5 à 7 milliards
d’années, est expliquée : depuis cette époque, l’efet répul-L’énergie du vide, qui est répulsive, favorise lex’ pansion ; ֹ
sif de l’énergie du vide domine de plus en plus l’efet du en quelque sorte, elle s’oppose à la gravitation, en
produifrein gravitationnel à l’expansion.sant une accélération, soit une augmentation de la vitesse
d’expansion. Son efet relatif augmente avec le temps. Les modèles d’évolution de l’Univers, pris comme un ֹ
tout, adoptent le principe cosmologique : à très grande Le rayonnement a joué un rôle dans l’expansion de ֹ
échelle, il est isotrope et homogène. Une des consé-l’Univers lors des premiers 100 000 ans environ. Le rôle
quences est que nous n’occupons pas une position privi-du rayonnement est maintenant négligeable en termes
légiée dans l’Univers.de densité d’énergie.
La vitesse de la lumière c étant fnie et constante ֹ La courbure de l’espace-temps est un élément potentiel-ֹ
dans le vide, il est possible de remonter dans le temps lement important. Par les propriétés géométriques
relatià mesure que des objets de plus en plus lointains sont vistes de l’Univers, une densité d’énergie est associée à
observés. Le temps écoulé depuis l’émission du rayon-cette courbure, qui s’ajoute aux autres densités
d’énernement est le lookback time ou temps de regard en arrière gie (matière et vide) et qui infuence l’évolution selon sa
t (cf .Vitesses radiales).lbtvaleur. Une grandeur importante est défnie, la densité
critique ρ : Avec un âge de l’Univers de 13,8 milliards d’années, les c
2ρ (t) = A·H (t) galaxies ne sont pas observables au-delà d’un lookback c
où A est une constante valant 3/(8πG) time ayant cette durée limite, alors que sa taille est
supérieure à 13,8 milliards d’années-lumière en raison avec H la « constante » de Hubble (voir ci-dessous) et G
de son expansion. Cela constitue donc un horizon obser-la constante de la gravitation.
vationnel, qui recule de 300 000 km chaque seconde
Si la densité d’énergie de la matière ρ est égale à ρ , m c (valeur de c).
la courbure de l’Univers est nulle et sa géométrie est
L’Univers actuel a un âge fni et seule une partie est ֹ « plate » ou euclidienne, comme notre environnement
observable. Mais nous ne savons pas s’il est fni ou infni. terrestre habituel.
De plus, l’Univers étant en expansion avec un horizon
À l’époque actuelle, la valeur de H(t ) ≡ H donne 0 0 qui recule, nul ne sait si ses limites observables seront un
–26 –3ρ (t ) = 10 kg·m , valeur quasi-identique aux estima-c 0 jour futur et lointain confrontées aux bornes de l’Un-i
tions de ρ (t ). Les conséquences sont importantes :m 0 vers, pour autant qu’elles existent.
– La courbure de l’Univers actuel est nulle ou quasi-nulle Une grandeur sans dimension est défnie, le facteur ֹ
et sa géométrie peut être traitée dans le cas euclidien. d’échelle R(t) qui lie la distance entre deux objets, des
C’est une grande simplifcation conceptuelle puisque galaxies par exemple, r(t) au temps t, et r(t ) l’époque 0
c’est notre géométrie « de tous les jours ». actuelle t :0
– L’expansion de l’Univers devrait se poursuivre indéfni- r(t) = R(t)·r(t )0
ment et de façon accélérée par l’efet répulsif et devenu Le facteur d’échelle exprime la dilatation de l’Univers,
dominant de l’énergie du vide. supposé homogène, entre le temps t et l’époque actuelle.
Les densités d’énergie associées au rayonnement et à la Le facteur d’échelle au temps t vaut évidemment R(t ) = 1 ֹ 0 0
courbure étant négligeables, la description de l’expansion puisque l’époque actuelle sert de normalisation.
de l’Univers est essentiellement basée sur les contribu- Une relation simple lie le facteur d’échelle à la variation
tions de la matière (baryonique et noire) et de l’énergie de la température dans l’Univers en expansion :
du vide. L’efet gravitationnel contractant de la matière
R(t )/R(t) = T(t)/T(t) où t est l’époque actuelle.0 0 0a dominé durant environ la première moitié de l’âge de
l’Univers ; depuis lors, c’est l’efet répulsif de l’énergie Si le temps t est dans le passé, alors R(t ) > R(t) puisqu’il 0
du vide qui prévaut, de plus en plus. y a expansion, et T(t) >T (t). L’Univers s’est refroidi 0
continûment depuis le Big Bang, à mesure qu’il se Ce qui doit être précisé pour mieux comprendre les ֹ
9dilatait. Actuellement (t = 13,8·10 ans), la tempéra-efets observés, c’est que la densité d’énergie répulsive 0
ture est T(t) = 2,726 °K (cf. FDC). Lors de l’émission du vide reste constante (il faut préciser: l a densité, donc 0
26 Universde ce rayonnement, à t = 380 000 ans, la température Avec la loi de Hubble-Lemaître, V = H d, on peut ֹ 0
était de T(t)= 3 000 °K. On a alors pour cet exemple que calculer la distance d correspondant à une galaxie dont c
R(t )/R(t) = 1 100 : l’Univers s’est dilaté d’un facteur1 100 la vitesse serait égale à la vitesse de la lumière c : d = c/H 0 c 0
depuis l’émission de ce rayonnement ; en parallèle, = 14,5 milliards d’années-lumière. Toute galaxie située
sa température a diminué du même facteur en degré au-delà de cette distance aurait une vitesse supérieure à c.
absolu (°K). Or, la physique nous dit que la vitesse d’un corps massif
ne peut pas dépasser c. Deux éléments expliquent ce Ces deux rapports des facteurs d’échelle et des tempé-ֹ
paradoxe. Le premier est que H a varié au cours de l’his-ratures sont de plus liés au redshif z d’une source,
obsertoire de l’Univers (voir ci-dessus) ; le calcul de d fait avec cvée actuellement mais telle qu’elle était au temps t :
H est donc trop simpliste. Mais l’explication complète 0
R(t )/R(t) = z + 10 est contenue dans le fondement même de l’expansion
de l’Univers : les vitesses de « fuite» d es galaxies sont Le redshif est lié à la vitesse radiale V entre la source du
l’expression de la dilatation de l’espace lui-même, dont la rayonnement et l’observateur. Il se calcule directement
vitesse peut être supérieure à c. L’époque de l’infation en par la mesure de V via les propriétés spectroscopiques
est un autre symbole, avec une dilatation de l’espace d’un du rayonnement. Pour les petites valeurs de V (galaxies
30 −35 −33facteur supérieur à 10 entre les âges de 10 et 10 s.proches), l’expression de z est très simple : z = V/c. Pour
les galaxies lointaines, l’expression est plus compliquée,
mais calculable sans peine.
Descriptif détailléLe taux actuel d’expansion de l’Univers est décrit par ֹ
la loi de Hubble-Lemaître : Big Bang et énergie
V = H ·d0 L’Univers est en expansion continue depuis le Big Bang,
où V est la vitesse radiale et d la distance des galaxies obser- qui a produit un « élan » initial en injectant ou
transfor−1 −1vées. H est une constante qui vaut H = 67,7 km·s ·Mpc . mant une énergie quasi-incommensurable. L’origine de 0 0
C’est en fait l’inverse d’un temps et il peut s’exprimer cette énergie reste mystérieuse, à moins de faire appel à un
−18 −1 −11 −1autrement : H = 2,19·10 s = 6,92·10 an . « avant Big Bang », ce qui ne fait que reporter la question. 0
Selon le modèle du Big Bang, la densité énergétique et Le taux d’expansion de l’Univers a varié au cours ֹ
la température étaient énormes au temps zéro de notre du temps, la valeur de H étant celle de H(t ), où t est 0 0 0
Univers « actuel » (post Big Bang). Le terme d’explosion l’époque actuelle. L’expression générale de H pour toute
est souvent utilisé, mais si le terme est imagé, il n’est valeur du temps t, soit H(t), est :
pas vraiment correct. Il faut plutôt parler d’un contenu
H(t) = (t)/R(t) énergétique de type quantique, lié aux propriétés du
vide, des particules et du rayonnement, dont la nature où (t) est la variation temporelle du facteur d’échelleR (t)
et l’origine sont mal comprises, mais nécessaires pour au temps t. H(t) est donc donné par le rapport entre la
décrire l’évolution ultérieure. C’est un postulat imposé variation temporelle du facteur d’échelle et ce facteur
lui-même. qui cache encore notre incompréhension partielle. Les
suites du Big Bang sont une expansion et un
refroidisseEn terme mathématique (cf.A nnexe), (t) est la dérivée
ment de l’Univers qui perdurent jusqu’à aujourd’hui. Le
temporelle de R(t) : (t) = dR(t)/dt. Pour illustrer cette
taux d’expansion a varié au cours de la longue histoire,
propriété par un exemple bien connu, la vitesse v
instanselon l’importance relative et variable de ses constituants tanée d’un corps est donnée par le rapport de la
variaessentiels, la matière baryonique (visible ou cachée), tion dx de sa distance x parcourue durant un intervalle
la matière noire, le rayonnement, l’énergie du vide ou
de temps dt : v = dx/dt
énergie noire et la courbure de l’espace-temps.
Au temps actuel t , H ≡ H(t ) = (t ), puisque par défni-0 0 0 0 Une estimation « brutale » (et sans doute imparfaite) du tion R(t ) = 1. H exprime bien le taux actuel d’expansion 0 0 contenu énergétique total de l’Univers observable peut
donné par la variation temporelle du facteur d’échelle.
être calculée, de la façon suivante:
Les variations de R(t), (t) et H(t) au cours de l’histoire ֹ
La masse totale des étoiles de la Voie lactée est de ֹ sont représentées sur la fgure 1.7. La vitesse d’expansion
9 41~50·10 M , soit ~10 kg.a progressivement diminué depuis le Big Bang jusqu’à
Il y a environ 2 000 milliards de galaxies dans l’Uni-l’âge de ~7,7 milliards d’années. L’énergie du vide est ֹ
vers observable, donc la masse totale des étoiles est de ensuite devenue l’efet dominant et l’Univers se dilate
53~2·10 kg (en prenant la même masse moyenne d’étoiles de plus en plus vite depuis lors.
pour toutes les galaxies) ; c’est la matière baryonique
visible de l’Univers.
1.5. Expansion de l’Univers I : le modèle « standard » (ΛCDM) 27La matière visible ne représente qu’environ 0,3 % du liée à l’énergie noire, ou énergie du vide, dont les efets ֹ
contenu en masse-énergie (voir ci-dessous). répulsifs s’opposent à ceux de la gravité. Un descriptif
des propriétés du vide est donné dans l’encadré à la fn Le contenu énergétique de l’Univers observable est ֹ
72 du chapitre.alors donné par l’équivalence masse-énergie, soit ~6·10
joules. C’est une énergie, évidemment, considérable ; À ce jour, les descriptions cosmologiques basées sur la
30elle représente 10 fois l’énergie lumineuse émise par théorie du Big Bang sont confrontées à une difculté
le Soleil en un milliard d’années. conceptuelle majeure. Cette théorie suppose en efet
un instant initial, un temps cosmologique zéro, dont la Remarquons toutefois que si l’Univers est infni (voir à la
physique est très complexe et encore mal comprise, en fn du chapitre), cette valeur est fortement sous-estimée.
raison de la brièveté et des énergies extrêmes qui
caractérisent ce moment primordial.
Éléments historiques
La découverte de l’existence des galaxies dans les Matière, rayonnement et énergie
années 1920, puis des quasars dans les années 1960, a
Parmi les données qui permettent de décrire l’évolution permis de sonder les profondeurs de l’Univers. Notre
de l’Univers, la quantité de matière (connue ou de nature Galaxie, la Voie lactée, a ainsi été rangée parmi les
inconnue), le rayonnement et l’énergie noire répulsive quelques 2 000 milliards de galaxies peuplant
l’Uni(contenue dans la constante cosmologique) sont essen-vers et l’étude de sa structure et de son évolution a fait
tiels. L’efet de courbure de l’espace-temps est négligé, d’elle la « banlieue proche » de notre système solaire. Le
puisque l’Univers est plat ou quasi plat (voir ci-dessous).Soleil est l’une des quelques 200 à 400 milliards d’étoiles
de la Voie lactée, liées gravitationnellement en un vaste La fgure 1.6 donne une description synthétique des
ensemble dynamique, de plus associé à de la matière quantités relatives de ces divers constituants, en tenant
interstellaire. compte de l’équivalence masse-énergie. Deux chifres
sont particulièrement importants :En 1915, soit à la même époque que la découverte de
l’existence des galaxies, Albert Einstein a publié ses travaux La partie de nature connue, la matière baryonique, ֹ
fondateurs de la théorie de la relativité générale. Depuis ne représente que 5 % du contenu en masse-énergie de
un siècle, les observations de plus en plus détaillées sur le l’Univers.
mouvement global d’expansion des galaxies ont été inter- La partie visible, donc identifée, ne représente que ֹ prétées dans le cadre de cette théorie. C’est le domaine
0,3 % de ce contenu. Elle constitue essentiellement les
de la cosmologie, qui cherche à interpréter l’évolution
étoiles et le gaz des galaxies.
de l’Univers dans son ensemble. Divers modèles ont été
Que l’essentiel des constituants de l’Univers soit inconnu proposés, en particulier par le Néerlandais Willem de
est absolument insatisfaisant! À partir de ce constat, il Sitter en 1917 pour un Univers en expansion ne
contey a deux solutions :nant que de l’énergie mais vide de matière, et par le
Russe Alexander Friedmann en 1922 et le Belge Georges – chercher à identifer la matière noire et l’énergie noire,
Lemaître en 1927 pour un Univers de densité uniforme ce qui est en cours par de nombreuses expériences,
de matière ; ces derniers ont montré qu’un tel Univers sans résultat pour l’instant,
devait soit se contracter, soit se dilater. ou
Einstein, quant à lui, cherchait une solution
station– trouver une nouvelle description théorique de
l’évolunaire, « perturbé » qu’il était à l’idée que l’Univers actuel
tion qui explique ce que sont la matière noire et
l’énersoit diférent de son état dans le passé. C’est la raison
gie noire, ou qui n’en a plus besoin.
pour laquelle il a introduit « arbitrairement » dans ses
Les valeurs exactes des proportions données dans la équations un terme supplémentaire appelé la constante
fgure 1.6 sont encore soumises à discussion. Dans cet cosmologique, notée Λ, afn de stabiliser l’Univers. Suite à
ouvrage, les proportions globales suivantes en densité la découverte observationnelle de l’expansion par Edwin
d’énergie sont adoptées pour l’Univers actuel (cf.F DC) :Hubble en 1929, Einstein a regretté cet ajout. Mais cette
constante, vue diféremment, fait maintenant partie du 5 % pour la matière baryonique
modèle standard de l’évolution de l’Univers. Ce terme, 26 % pour la matière noire (non-baryonique)
caractérisant l’énergie répulsive du vide, est nécessaire 0,008 % pour le rayonnement
pour expliquer le taux d’expansion observé, d’autant 69 % pour l’énergie noire
plus depuis que l’accélération de son expansion a été
mise en évidence en 1998. La constante cosmologique est
28 UniversFigure 1.6. Proportions des divers constituants de l’Univers actuel.
Ces valeurs sont essentiellement basées sur les mesures La matière noire, non baryonique (26 % du contenu en
très précises du FDC obtenues par le satellite PLANCK masse-énergie ; ~84 % de la matière). Elle interagit aussi
de l’Agence spatiale européenne (ESA) entre 2009 et 2013. gravitationnellement, mais ne subit pas l’interaction
Cette mission faisait suite à celles de deux autres satel- électromagnétique ; elle n’émet donc pas de
rayonnelites qui avaient les mêmes objectifs, COBE (Cosmic ment. Les études dynamiques des étoiles dans les galaxies
Background Explorer, 1989-1993, cf.C orps noir) et et des galaxies dans les amas de galaxies donnent
l’estiWMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy, 2001-2010). mation d de la proportion de matière noire, soit 84 %
Les résultats de WMAP ont donné des proportions légère- de la matière.
ment diférentes de celles de PLANCK : 5 % de matière La masse volumique (ou densité, cf. Annexe) de la
baryonique, 24 % de matière noire, 71 % d’énergie noire. matière, baryonique ou noire, varie fortement selon
L’efet de la courbure n’est pas inclus dans ce contenu car les dimensions du volume considéré dans l’Univers :
l’Univers est plat. −9 −3 −21 –310 kg·m pour le système solaire, 10 kg·m pour la
−23 –3Voici un descriptif plus détaillé de ces constituants et Voie lactée, 10 kg·m pour le Groupe local de galaxies
−24 –3de leurs proportions. (les 60 galaxies les plus proches), 10 kg·m pour les
−26 –3superamas de galaxies, et environ 10 kg·m pour La matière (31 % du contenu en masse-énergie),
constil’Univers. Cette dernière masse volumique correspond tuée de matière « baryonique », soit pour simplifer celle
globalement à environ celle d’un atome d’hydrogène
qui constitue les atomes de notre matière habituelle, et
3par m ; l’Univers actuel contient donc en moyenne très
de matière noire.
peu de matière (en densité, mais pas en masse totale !).
La matière baryonique (5 % du contenu en masse-énergie ; De plus, la matière baryonique visible, donc identifée,
~16 % de la matière). Seule une petite fraction de cette ne représente qu’environ 1 % de la totalité de la matière
matière est directement détectable, par le rayonnement (baryonique et noire).
des étoiles et de la matière interstellaire des galaxies,
Le rayonnement. Les galaxies sont lumineuses par leurs
y compris la Voie lactée elle-même. Selon les études
étoiles, par leur gaz interstellaire et par divers rayon-récentes, la matière baryonique, se répartit globalement
nements produits par les mouvements de ce gaz (dans ainsi :
l’environnement de leurs trous noirs massifs centraux par
– 6 % de matière visible (étoiles et galaxies), avec des exemple, cf.Q uasars). La densité d’énergie actuelle du
variations pouvant atteindre un facteur deux environ rayonnement ne représente qu’environ 0,026 % de celle
selon les lieux et les estimations. de la matière (baryonique et noire) ou 0,008 % du total.
– 31 % de matière extragalactique suspectée (flaments L’énergie noire ou énergie du vide. C’est le constituant
cosmiques, gaz dans les amas de galaxies, gaz énergétique majeur de l’Univers. Sa nature est inconnue
intergalactique). mais son efet répulsif doit être postulé pour expliquer
– 63 % de matière non détectée. les caractéristiques de l’expansion. Selon les
évaluations récentes, sa densité d’énergie actuelle représente Pour simplifer, nous parlerons dans la suite de 6 % de
le 69 % du total.matière baryonique visible et de 94 % de matière
baryonique cachée.
1.5. Expansion de l’Univers I : le modèle « standard » (ΛCDM) 29Ω

abusivement ces chifres en disant que les modèles sont Équation des omégas
à 99 % faux. Car, si la nature physique du contenu en
Une façon élégante et compacte de décrire les propor- masse-énergie de l’Univers est inconnue à plus de 99 %,
tions relatives des constituants de l’Univers, utilisées les efets de ses divers constituants sont sans doute
correcpour les modèles d’expansion, est d’écrire l’« équation tement décrits. C’est aussi l’endroit de remarquer que ce
des omégas » : « problème » est à l’origine des nombreux travaux actuels
Ω + Ω + Ω – Ω = 1 pour tenter d’identifer le contenu de la matière baryo-m r Λ k
nique cachée, de la matière noire et de l’énergie noire.où les Ω sont les paramètres de densité d’énergie pour
l’époque actuelle (t = t ) :0
2 ModèlesΩ = 8πGρ /(3H ) : efet de la matière (baryonique m m 0
et noire), de densité d’énergie ρ Les faits principaux que doivent expliquer les modèles m
2Ω = 8πGρ /(3H ) : efet du rayonnement, de densité cosmologiques sont en particulier :r r 0
d’énergie ρr – L’expansion de l’Univers, qui n’a pas cessé depuis le 2Ω = Λ/(3H ) : efet de l’énergie du vide via la constante Λ 0 Big Bang.
cosmologique Λ
2 2 – L’existence et la structure du FDC.Ω = kc /H : efet de la courbure k de l’espace-tempsk 0
– La distribution des galaxies à grande échelle.où G est la constante de la gravitation, c la vitesse de la
– L’abondance des éléments chimiques résultant lumière et H la constante de Hubble0
de la nucléosynthèse cosmologique primordiale
Des simplifcations, liées aux observations, peuvent être
(cf .Premières minutes).
apportées :
– L’accélération de l’expansion de l’Univers dont les
– L’efet du rayonnement est négligeable → Ω << 1.r efets sont détectables depuis 5 à 7 milliards d’années.
– La courbure k est très proche de zéro (k = 0) → << 1. k Le modèle ΛCDM (prononcer « lambda-C-D-M ») donne
En termes géométriques, l’Univers est plat, ou
quasiune description de l’expansion « lente », progressive,
plat (cf .Courbure).
continue et actuellement accélérée de l’Univers qui a suivi
La discussion peut donc se limiter à l’évaluation des le Big Bang. L’infation cosmique, autre phase
d’expancontributions respectives de la matière ( , efet de frein sion, a été traitée dans un autre chapitre ; elle a été primor-m
−35 −33à l’expansion) et de l’énergie du vide (Ω , efet opposé) diale (entre les âges de 10 et 10 s après le Big Bang) Λ
30dans l’équation simplifée : et brutale (facteur de dilatation supérieur à ~10 ).
Ω + Ω = 1 Le modèle ΛCDM tient compte de la constante cosmolo-m Λ
gique Λ, associée à l’énergie noire (ou énergie du vide), Les valeurs données par le satellite PLANCK pour
l’Uniet de la matière noire (CDM pour Cold Dark Matter). vers actuel, mentionnées ci-dessus, sont :
Ce modèle est considéré comme le modèle standard de
Ω = 0,31 : matière baryonique, visible ou cachée (0,05), m la cosmologie du Big Bang, car ses prédictions sont en
et la matière noire (0,26). bon accord avec les faits observationnels. Le
CanadoΩ = 0,69 : énergie noire, caractéristique de l’énergie Λ Américain James Peebles est considéré comme en étant
du vide. l’un des fondateurs. Il a obtenu le prix Nobel de physique
–1 –1Avec les valeurs de Ω et de H (67,7 km·s ·Mpc en 2019 pour ses « découvertes théoriques en cosmo-Λ 0
–18 –1 –35 –2 logie physique ».= 2,19·10 s ), on a Λ = ~10 s .
La conclusion actuelle est que 95 % (0,26 + 0,69) du Mais le modèle ΛCDM reste insatisfaisant sur un
contenu en masse-énergie de l’Univers est de nature encore point fondamental: l ’énergie noire et la matière noire
essentiellement inconnue (matière noire et énergie noire), sont postulées mais de nature inconnue, alors qu’elles
représentent 95 % du contenu en matière-énergie de à quoi il faut ajouter que 94% d e la matière baryonique
l’Univers…est cachée (soit 4,7 % du contenu total en masse-énergie).
Tout ce que nous «v oyons » de l’Univers ne représente Un des modèles alternatifs, basé sur l’invariance d’échelle
donc que 0,3 % de son contenu en masse-énergie ! du vide (SIVT, e) st présenté dans le chapitre suivant. Il
ne fait appel ni à l’énergie noire, ni à la matière noire. Dans ces conditions, il est remarquable mais étonnant (ou
Le modèle SIVT remplacera-t-il le modèle ΛCDM ? C e trop ambitieux ?) de pouvoir tenir autant de propos sur
sont les tests observationnels et théoriques qui le diront.le plan cosmologique. Mais il ne faudrait pas extrapoler
30 UniversΩ
Le tempsLe principe cosmologique
Le temps est noté t, l’époque actuelle est notée t . Le Cette notion est prise en compte pour développer les 0
temps relatif est t/t.modèles d’Univers. Selon ce principe, l’Univers à très 0
grande échelle est isotrope (il a le même aspect dans toutes
les directions) et homogène (il a les mêmes propriétés Le facteur d’échelle R(t)
dans toutes ses régions). La conséquence est que nous
Cette grandeur décrit l’évolution des distances dans
n’occupons pas une position privilégiée. Les
considél’Univers, par rapport aux distances actuelles (en t ) : par 0rations présentées ci-dessus sur la masse volumique à
exemple, si R(t) vaut 0,45, cela signife qu’à l’époque t,
diférentes échelles indiquent que le principe
cosmololes distances valaient 45 % de leurs valeurs actuelles.
gique n’est respecté qu’à très grande échelle, en
consiLa distance r(t) entre deux objets dans l’Univers en dérant des volumes supérieurs à la centaine de millions
expansion peut être décomposée en un produit de deux d’années-lumière de rayon. En particulier, le principe
termes :n’est pas satisfait dans une galaxie , ou dans un amas de
galaxies. Mais l’adoption de ce principe est nécessaire, r(t) = R(t)·r(t )0
et justifée, pour « simplifer » la description de
l’évoluoù r(t ) est la distance à l’époque actuelle t (c’est donc 0 0tion de l’Univers pris comme un tout.
une constante), et R(t) est le facteur d’échelle, grandeur
sans dimension et variable avec le temps. À l’époque
Redshift et lookback time actuelle, on a donc par défnition :
L’interprétation des diverses observations dans le cadre R(t ) = 10
des modèles d’Univers nécessite que la relation entre le
De plus, l’Univers a été et sera en expansion perma-lookback time t et le redshif z des galaxies soit bien lbt
nente. Donc :connue :
Le passé est caractérisé par R(t) < 1 et le futur par R(t) >1 .Le redshif z est lié à la vitesse radiale V entre la source ֹ
du rayonnement et l’observateur et se calcule
directement via les propriétés spectroscopiques du rayonne- Relations entre R(t), λ(t), T(t) avec z
ment. Pour les petites valeurs de V (galaxies proches), Les variations du facteur d’échelle R, de la longueur
l’expression de z est très simple : z = V/c. Pour les galaxies d’onde λ du rayonnement d’une source et de la
tempélointaines, l’expression est plus compliquée, mais calcu- rature T avec le redshif z sont données par la relation:
lable sans peine (cf. Vitesses radiales).
z + 1 = R(t )/R(t) = λ(t )/λ(t) = T(t)/T(t)0 0 0Le lookback time t est la diférence de temps entre ֹ lbt –1Puisque R(t ) = 1 par défnition, on a : R(t) = (z + 1)l’âge actuel de l’Univers et l’âge qu’il avait lors de l’émis- 0
sion du rayonnement par la source observée. La mesure du redshif z d’une source donne donc
directement le degré de dilatation de l’Univers lors de l’émis-Aux grandes distances, ce sont ces paramètres, z et t , lbt
sion de son rayonnement, avec R = 0 au Big Bang et R = 1 qui sont utilisés au lieu des distances et des vitesses
à l’époque actuelle.(voir ci-dessous). La relation biunivoque entre t et lbt
z est donnée pour les valeurs actuelles adoptées :
−1 −1H = 67,7 km·s ·Mpc , Ω (t ) = 0,31 et = 0,69. Les 0 m 0 Λ La « constante » de Hubble H(t)
couples (z ↔t ) sont par exemple :lbt Elle donne le taux d’expansion de l’Univers :
(0,1 ↔1,345), (0,5 ↔5,195), (1,0 ↔7,935), (2,0 ↔10,51),
H(t) = (t)/R(t) = (z + 1)·(t)
(4,0 ↔12,25), (6,0 ↔12,86), (8,0 ↔13,154)
où (t) = dR(t)/dt est la rapidité de la variation de R(t)
Des valeurs de t sont données pour diverses galaxies lbt au cours du temps (fonction mathématique «d érivée »,
dans les chapitres Vitesses radiales, Premières étoiles,
cf. Annexe).
Énergie noire, Amas de galaxies et Quasars.
À l’époque actuelle t :0
H ≡ H(t ) = (t )/R(t ) = (t ) = dR(t )/dtPrécisions sur quelques paramètres utilisés 0 0 0 0 0 0
H exprime bien le taux de dilatation actuel, avec sa Ce résumé permet de mieux comprendre les discus- 0
−1 −1valeur de 67,7 km·s ·Mpc .sions qui suivent.
1.5. Expansion de l’Univers I : le modèle « standard » (ΛCDM) 31(décélération, puis accélération) se « compensent assez Courbure de l’Univers et densité critique
bien », et qu’un taux d’expansion constant avec la valeur
Les analyses montrent que la géométrie de l’Univers actuelle H donne un âge correct, tout au moins au 0actuel (en t ) est plate ou quasi-plate. Cela signife que 0 premier ordre. Cela ne signife évidemment pas que les
la valeur du paramètre de courbure k est proche de zéro particularités de l’évolution sont peu importantes ; des
et donc que la courbure de l’espace-temps est nulle ou prix Nobel de physique ont récompensé les études
détailpresque. Les conséquences sont les suivantes : lées, en particulier ceux de 2011 sur la mise en évidence
– La géométrie à grande échelle est celle que nous de l’accélération de l’expansion de l’Univers et de 2019
connaissons dans la vie de tous les jours (géométrie pour le modèle ΛCDM.
euclidienne). En termes simples, dans cette géométrie,
la somme des angles d’un triangle vaut toujours 180°. Vitesse de la lumière, vitesse
−26 –3– La densité actuelle de la matière, ρ (t ) = ~10 kg·m m 0 d’expansion et Univers observable(voir ci-dessus), est proche de la valeur critique actuelle
ρ (t ) qui prédit la platitude de l’espace-temps. La vitesse de la lumière c est fnie et constante dans le c 0
vide, quelle que soit la vitesse de la source et de l’observa-– L’Univers continuera de se dilater au rythme variable
teur. De plus, tout corps matériel ne peut pas se déplacer décrit dans ce chapitre. Le fait que sa géométrie soit
à une vitesse supérieure à c. C’est un des fondements euclidienne semble être un bienfait hasardeux (ou
de la physique moderne, particulièrement important pas ?), qui facilite les interprétations géométriques
en cosmologie. Cette propriété remarquable permet conceptuellement plus simples dans ce cas.
de remonter dans le temps à mesure que des objets de
L’évaluation correcte du futur de l’Univers doit donc tenir plus en plus lointains sont observés. Plus la galaxie
compte de tous ses constituants principaux en masse observée est lointaine, plus elle était jeune au moment
et en énergie, évalués aussi précisément que possible : de l’émission de sa lumière. Mais depuis l’émission de
matière baryonique (visible ou cachée), matière noire la lumière, l’Univers s’est dilaté. Avec un âge de
l’Uniet énergie noire (voir ci-dessus). Les contributions de la vers de 13,8 milliards d’années, les galaxies ne sont
courbure de l’espace-temps et du rayonnement peuvent pas observables au-delà d’un « lookback time » ayant
être négligées dans l’Univers actuel. cette durée limite, alors que la taille de l’Univers est
supérieure à 13,8 milliards d’années-lumière en raison
de son expansion. Cette valeur extrême du lookback La « constante » de Hubble
time constitue donc un horizon qui limite l’observabi-et l’âge de l’Univers
lité des galaxies très lointaines. L’Univers observable est
En toute rigueur, l’âge de l’Univers doit être dérivé constitué par l’ensemble des galaxies qui ont eu le temps
à partir de son taux d’expansion actuel défni par la de nous faire parvenir leur lumière. C’est une évidence,
constante de Hubble H , mais en tenant compte en plus mais il est important de la mentionner : l’âge de l’Univers 0
de toute son histoire puisque l’expansion n’a pas été augmentant (évidemment) sans cesse, l’horizon recule
constante et que H a varié. Après l’infation, elle doit de 300 000 km chaque seconde (distance parcourue par
avoir commencé par ralentir sous l’efet de la gravité, la lumière à la vitesse c pendant une seconde).
puis elle a accéléré sous l’efet répulsif de l’énergie noire,
L’Univers s’est dilaté, par exemple, d’environ 1 100 fois
selon les observations.
depuis l’émission du FDC, caractérisé par un redshif z
Un ordre de grandeur de l’âge de l’Univers peut être ayant cette valeur. La mesure du taux de cette expansion
obtenu de façon très simple, voire simpliste, en suppo- par la vitesse radiale V des galaxies peut sembler poser un
sant que le taux d’expansion est resté le même tout au problème aux très grandes distances. En efet, avec la loi
long de l’histoire : H(t) = constante = H . Pour cela, il de Hubble-Lemaître, V = H d, qui indique que la vitesse 0 0
faut d’abord remarquer que la constante de Hubble a augmente avec la distance, on peut calculer la distance d c
comme grandeur l’inverse d’un temps : correspondant à une galaxie dont la vitesse serait égale
−1 −1−1 −1 −18 −1 −11 −1 à la vitesse de la lumière c. Avec H = 67,7 km·s ·Mpc , 0H = 67,7 km·s ·Mpc = 2,19·10 s = 6,92·10 an0
on obtient d = c/H = 14,5 milliards d’années-lumière : c 0
Avec cette valeur, l’approximation de l’âge actuel de toute galaxie située au-delà de cette distance aurait une
l’Univers est : vitesse supérieure à c, ce qui semble a priori impossible
puisque c ne peut pas être dépassée.t = 1/H ≈ 14,4 milliards d’années0 0
L’explication de ce paradoxe (vitesses observées Cette valeur est très proche de celle adoptée
actuellepouvant dépasser c) est contenue dans le fondement ment, calculée via un modèle complet, soit 13,8 milliards
même de l’expansion de l’Univers exprimé par la loi de d’années. Cela signife que les variations de l’expansion
32 UniversΩ
Hubble-Lemaître : les vitesses de « fuite » des galaxies sont Cette équation se simplife si ρ (t) = 0 et k = 0 (cf. Cas r
l’expression de la dilatation de l’espace lui-même, dont simplifé).
la vitesse peut être supérieure à c. L’époque de l’infation
L’équation complète peut s’exprimer avec les variations
en est le symbole, avec une dilatation de l’espace d’un
des densités d’énergie par rapport à l’époque actuelle :30 −35 −33facteur supérieur à 10 entre les âges de 10 et 10 s.
3 4ρ (t) = ρ (t )/R (t) et ρ (t) = ρ (t )/R (t)Cette notion n’est pas évidente à réaliser simplement m m 0 r r 0
car elle est contre-intuitive. Ce qu’il faut comprendre, La variation de ρ correspond à une dilatation du volume m
–3ou admettre, c’est que la théorie de la relativité générale de l’Univers, donc bien en R . Celle de ρ est plus forte, r
–4décrit la géométrie de l’espace en expansion, caracté- en R , en raison de la perte d’énergie par l’allongement
risée de façon très simple par le terme actuel H. Pour se 0 des longueurs d’onde du rayonnement dans l’Univers en
convaincre que cette théorie n’est pas prise en défaut, il expansion ; l’observation actuelle du FDC en est la preuve.
faut imaginer que deux galaxies proches l’une de l’autre
La première équation cosmologique devient alors :
et dont les vitesses radiales mesurées depuis la Terre
2H (t) = X + X + X + Xdépasseraient c, ont des vitesses relatives qui sont très m r Λ k
avec :inférieures à c.
3X (t) = c /R (t) contribution de la matièrem m
4X (t) = c /R (t) contribution du rayonnementr rFuite de l’horizon et distances
X = Λ/3 c ontribution de l’énergie noire (ou Λ
Une autre remarque permet de mieux appréhender notre énergie du vide)
compréhension de l’Univers en expansion, en lien avec 2X (t) = –c /R (t) contribution de la courburek k
les notions d’horizon et d’Univers observable. L’Univers
où c , c , Λ et c sont des constantes. On a en particu-m r kobservable actuel a son horizon à 13,8 milliards d’al. Lors
lier que c = (8πG/3)·ρ (t ).m m 0de l’émission du FDC, il était environ 1 100 fois plus petit
qu’aujourd’hui. De même, la portion de notre Univers Deux cas extrêmes peuvent être qualitativement discutés,
observable actuel, ramenée à cette époque, était alors en rappelant que H(t) décrit le taux d’expansion de
l’Uniaussi 1 100 fois plus petite, soit de 12,5m illions d’al de vers, H(t) = (dR(t)/dt)/R(t) = (t)/R(t) :
« rayon ». Or, à cette époque, avec un âge de 380 000 ans,
– Si R(t) tend vers zéro, on est aux premiers instants
l’horizon était de 380 000 al. En conséquence, la portion
de l’Univers. Le terme X devient alors le plus grand rqui a produit notre Univers observable actuel était environ –4puisqu’il varie comme R . À cette époque, c’est le
33 fois plus grande que l’Univers observable à l’âge de
rayonnement qui dominait.
380 000 ans. Cela signife que l’horizon, qui dépend de c,
– Si R(t) tend vers l’infni, c’est le futur lointain de l’Uni-recule plus vite « en proportion » que l’expansion de
vers qui est décrit. Les trois termes X (variation en l’Univers, qui dépend du taux d’expansion donné par la m
–3 –4 –2R ), X (en R ) et X (en R ) tendent vers zéro. La r k« constante » de Hubble H. Un autre exemple du calcul
contribution de l’énergie du vide dominera pour de la variation des distances est donné avec la fgure 1.7.
gouverner l’expansion.
C’est bien ce qui est qualitativement observé ou prédit. Les diverses contributions
En particulier, l’énergie du vide ou énergie noire
(répulà l’évolution de l’Univers sive) a commencé à dominer l’efet gravitationnel de la
Ces contributions sont contenues dans une expression matière (frein à l’expansion) il y a 5 à 7m illiards d’années.
appelée la première équation cosmologique :
2 2 2H (t) = (8πG/3)·ρ (t) + (8πG/3)·ρ (t) + Λ/3 – (c /R (t))·k Époques particulièresm r
où : Les contributions relatives des divers constituants de
l’Univers à son expansion ont varié au cours du temps. G est la constante de la gravitation
Il y a eu dans l’histoire des périodes particulières ou −10 3 –1 –28πG/3 est une constante, qui vaut 5,591·10 m ·kg ·s
certaines contributions étaient équivalentes.c est la vitesse de la lumière
ρ (t) est la densité d’énergie de la matière (variable Époque d’équivalence t entre matière et rayonnement.m mr
avec t) Elle est donnée par l’égalité des densités d’énergie de la
ρ (t) est la densité d’énergie du rayonnement (variable r matière ρ (t) et du rayonnement ρ (t). Avec les valeurs m ravec t)
Ω (t ) = 0,31, (t ) = 0,000 08 données par le satellite m 0 r 0−35 –2Λ est la constante cosmologique (10 s )
PLANCK (voir ci-dessus), on a que z = ~4 000, corres-mrk est le paramètre de courbure de l’espace-temps
pondant à un âge de l’Univers d’environ 40 000 ans, soit
R est le facteur d’échelle (variable avec t)
« peu » après le Big Bang.
1.5. Expansion de l’Univers I : le modèle « standard » (ΛCDM) 33Ω
Époque d’équivalence t entre matière et vide (énergie noire). Ce temps t est diférent du temps t . La raison peut mv min mv
sembler contre-intuitive mais elle est logique : les contri-Elle est donnée par l’égalité des densités d’énergie de la
butions respectives de la matière et de l’énergie de vide
matière ρ (t) et du vide ρ (t).m Λ varient diféremment avec z, donc avec le temps. Elles
Avec les valeurs Ω (t ) = 0,31, (t ) = 0,69 données m 0 Λ 0 sont égales à z = 0,31, correspondant à t , et leur somme mv
par le satellite PLANCK (voir ci-dessus), on a que présente un minimum à z = 0,64, correspondant à t .min
z = ~0,31, correspondant à un âge de l’Univers mv
d’environ 10,2 milliards d’années ans, soit il y a «
seuleCas simplifé, mais justifément » 3,6 milliards d’années.
En négligeant, en accord avec les observations (voir Époque du minimum t de la variation (t) du facteur min
ci-dessus), les contributions de la courbure, k = 0, et du d’échelle R(t).
rayonnement, ρ (t) = 0, la première équation cosmolo-m
L’Univers ayant connu une décélération (domination de gique devient :
la gravitation) suivie par une accélération (domination de
2H (t) = (8πG/3)·ρ (t) + Λ/3ml’énergie du vide), la variation du facteur d’échelle a passé
par un minimum. Mais l’expansion a été continue : R(t) a Cette équation exprime de façon très synthétique
l’évocontinué de croître, par contre sa vitesse (t) a diminué lution de l’Univers :
jusqu’à un temps t , puis a augmenté à nouveau jusqu’à min À gauche, le carré du taux d’expansion H(t) = (t)/R(t).
aujourd’hui. Ce descriptif schématique ne tient évidem -
À droite, la densité d’énergie de la matière, y compris
ment pas compte de la phase primordiale de l’infation
la matière noire, par ρ (t) et la densité d’énergie noire, −35 −33 m(entre les âges de 10 et 10 s).
ou du vide, par Λ. Point important : la densité ρ (t) m
Le calcul de l’époque de ce minimum donne R = 0,61, diminue au cours du temps puisque l’Univers est en min
valeur correspondant à z = 0,64, t = 6,13 et âge t = 7,67 expansion et que la quantité de matière reste la même, lbt
(les deux derniers termes en milliards d’années). alors que la densité Λ reste constante. La somme des
deux contributions est toujours positive, puisqu’elle La valeur de R est indiquée sur la fgure 1.7. La valeur min
est égale au carré de H(t).correspondante du lookback time t est en parfait accord lbt
avec la fourchette observationnelle de 5 à 7m illiards
d’années.
Figure 1.7. La variation du taux d’expansion de l’Univers.
En haut à gauche : variation de R(t) = dR(t)/dt avec le lookback time t .lbt
En haut à droite : variation de R(t) avec le redshift z.
En bas à gauche : variation du facteur d’échelle R(t) en fonction de l’âge de l’Univers.
En bas à droite : variation de la « constante » de Hubble H(t) = R(t)/R(t) en fonction de
l’âge t de l’Univers.
34 UniversCette évolution est présentée sur la fgure 1.7 par quatre lumière. Prenons comme exemple la Voie lactée et la
graphiques, qui contiennent les comportements du galaxie elliptique M87, séparées par une distance actuelle
facteur d’échelle R, de sa vitesse de variation  et de la de r(t ) = 53 millions d’al. Quand l’Univers avait un âge 0
« constante » de Hubble H : de t = 10 milliards d’années, il y a donc 3,8 milliards
d’années, R(t) valait 0,75. Les deux galaxies étaient alors (t) = dR(t)/dt en fonction du lookback time t lbt
distantes de r(t) = R(t)·r(t ) = 39,8 millions d’al. Pour (t) en fonction du redshif z 0
t = 5 milliards d’années, la distance était de 24 milliards R(t) en fonction de l’âge t
d’al. Mais ce calcul ne décrit que l’efet cosmologique de H(t) = (t)/R(t) en fonction de l’âge t
dilatation des distances. Le calcul de la vraie distance
Quelques remarques tirées de ces fgures : doit aussi tenir compte des mouvements spatiaux
indivi(t) = dR(t)/dt est la vitesse de variation du facteur duels des galaxies. Ceux-ci sont toutefois d’importance ֹ
d’échelle. Cette grandeur est donc la mieux adaptée pour négligeable en regard de l’efet cosmologique pour des
mettre en évidence les deux phases principales de l’évolu- galaxies séparées par plus de 10 millions d’al.
tion (hormis celle de l’infation très proche du Big Bang) :
la phase ancienne de décélération au cours de laquelle la L’Univers est-il fni ou infni ?
gravitation de la matière (baryonique et noire) dominait,
C’est une des questions populaires favorites posées aux et celle plus récente d’accélération dominée par l’énergie
cosmologistes. Aucune donnée scientifque ne permet de noire. Le basculement entre ces deux périodes est
interrépondre à cette question. Nous savons maintenant que :venu, selon le modèle utilisé ici, pour un lookback time
t d’environ 6 milliards d’années, correspondant à un lbt L’Univers actuel a un âge fni, de 13,8 milliards ֹ
redshif z d’environ 0,65. De façon plus générale, il est d’années, avec un « point de départ » défni par la théorie
admis que l’efet répulsif de l’énergie noire a commencé du Big Bang.
à dominer l’efet de frein à l’expansion de la matière il y
Seule une partie est observable.ֹ a 5 à 7 milliards d’années.
Il est géométriquement plat, ou euclidien ; son expan-ֹ Pout t = 0, soit au temps actuel t , on a la valeur ֹ lbt 0 sion devrait donc se poursuivre indéfniment et de façon −11 −1(t ) = 6,92·10 an . Cette valeur est celle de 0 accélérée par l’efet dominant et répulsif de l’énergie −1 −1H = 67,7 km·s ·Mpc en transformant les Mpc en km 0 noire.
(cf .La constante de Hubble). On a donc bien (t ) = H .0 0
Mais tous ces résultats fantastiques et très récents pour
H(t) n’a fait que décroître avec l’âge de l’Univers. ֹ certains ne disent rien sur la taille fnie ou infnie de
C’est le résultat de sa défnition, H = /R, et on peut s’en
l’Univers. À mesure que le temps s’écoule, l’Univers convaincre avec les deux fgures de gauche donnant  et R.
observable s’accroît, de 300 000 km chaque seconde. Ses
La fgure R vs.t permet de calculer comment a évolué ֹ limites seront-elles confrontées un jour aux bornes de
la distance entre deux galaxies depuis l’émission de leur l’Univers ? Nul ne le sait !
L’énergie du vide
Il est postulé dans les modèles d’Univers que le vide est d’autant plus courte que l’énergie soustraite pour les
possède une énergie répulsive, nommée énergie du vide créer est grande et, en raison de leur nature même, ces
ou aussi énergie noire. Cette propriété est nécessaire pour fuctuations ne sont pas directement observables.
expliquer le comportement de l’Univers à grande échelle, Un système quantique possède donc une quantité d’énergie
actuellement en expansion accélérée. minimum, impossible à extraire, et cet état est appelé le
Mais la question fondamentale est: d e quoi est faite vide dans la physique moderne.
l’énergie du vide, qui représente actuellement 69 % du La question est ensuite de savoir si, à grande échelle, cette
contenu en masse-énergie de l’Univers ? La réponse énergie quantique du vide peut être la cause de l’efet
n’est pas intuitive, car le vide constitue pour le commun répulsif général qui gouverne l’Univers actuel. Cette
interdes mortels l’absence de matière et d’énergie. Une des rogation est un des thèmes majeurs des études actuelles
réponses possibles vient de la mécanique quantique, qui et futures dans les domaines de la cosmologie et de la
régit le monde des particules et des atomes. À l’échelle physique des particules. Une possibilité à vrai dire assez
atomique, le vide n’existe pas, car il est le siège d’une agita- vertigineuse est que notre Univers lui-même ait surgi
tion continue par laquelle particules et antiparticules se
du vide et qu’il y retourne. Un tel postulat n’est pas vide
forment et se désintègrent perpétuellement dans des temps de sens…
extrêmement courts. La durée d’apparition des particules
1.5. Expansion de l’Univers I : le modèle « standard » (ΛCDM) 351.6. Expansion de l’Univers II : un modèle alternatif
(Invariance d’échelle du vide, SIVT)
Il n’y a plus besoin d’évoquer la présence
d’énergie noire ou de matière noire
Le modèle ΛCDM (cf.E xpansion de l’Univers I) est – Dans le cas de l’expansion de l’Univers (sens de la
souvent considéré comme le modèle cosmologique vitesse opposé à celui de la gravitation), cette force
« standard ». Mais d’autres modèles ont été développés, additionnelle s’oppose à l’attraction gravifque qui
qui sont des variantes de ΛCDM ou qui s’en diféren- freine l’expansion; e lle produit donc une
accéléracient plus signifcativement. Une description de toutes tion de l’expansion.
ces démarches n’est pas faite dans cet ouvrage. Mais – Par contre, dans le cas de la chute libre d’un corps
quelques détails sont donnés dans ce chapitre sur un soumis à la gravitation (sens de la vitesse identique à
travail récent, de nature encore exploratoire mais promet- celui de la gravitation), il se produit une légère
accéléteuse. Ce modèle est celui de l’astronome suisse André ration du mouvement de chute.
Maeder, basé sur le concept d’invariance d’échelle du
– À l’échelle réduite, sur Terre par exemple, cette force
vide (fgure 1.8).
est imperceptible. Mais à l’échelle des galaxies, des
amas de galaxies et de l’Univers dans son ensemble,
elle joue un rôle notable et introduit une
modifcation des équations qui permet de se passer des efets
postulés de l’énergie noire et de la matière noire,
que personne n’a réussi à ce jour à observer
directement ou à recréer.
Une douzaine de tests observationnels ont été réalisés par
André Maeder. Tous confrment que les efets de l’inva-Figure 1.8. André Maeder, auteur du modèle SIVT.
riance d’échelle du vide sont compatibles avec les carac-Ce modèle est basé sur l’« invariance d’échelle du vide » pour expliquer
l’expansion de l’Univers. Il ne fait appel ni à la matière noire, ni à l’énergie téristiques des mouvements des étoiles dans les galaxies
noire. et des galaxies dans les amas de galaxies, ainsi qu’avec
À droite : le terme fondamental qui remplace dans le modèle SIVT la l’expansion accélérée de l’Univers. Rappelons que ce
constante cosmologique du modèle ΛCDM.
sont ces caractéristiques qui ont motivé les hypothèses
Crédits : collège de Saussure ; TSR.
de la matière noire, de l’énergie noire et de la constante
cosmologique dans le modèle ΛCDM.Donnons-lui la parole pour présenter son modèle
alternatif décrivant l’expansion de l’Univers. Le texte L’invariance d’échelle est une propriété bien connue
est tiré d’une interview de la Radio suisse romande en physique. Dans la théorie de l’électromagnétisme,
du 22 novembre 2017, complétée par une remarque en absence de charge et de courants, les équations qui
ultérieure. décrivent les champs électrique E et magnétique B
sont invariantes d’échelle pour les transformations de L’Univers n’est pas vide. Il y a partout des atomes, de la
position (x → λx) et de temps (t → λt). Cela signife que matière, de la gravitation. Néanmoins, les propriétés
si les équations de Maxwell ont comme solutions les du vide interviennent. C’est notamment le cas dans la
champs E(x,t) et B(x,t), alors E(λx, λt) et B(λx, λt) sont théorie de l’électromagnétisme. Ces propriétés jouent
aussi des solutions.aussi un rôle dans la gravitation à travers la constante
cosmologique introduite par Albert Einstein. La théorie de la relativité générale d’Einstein est
L’hypothèse, assez naturelle, est que si on contracte ou invariante d’échelle si la constante cosmologique Λ est
dilate le vide, il est toujours identique. C’est le fonde- nulle (rappelons que Λ représente la densité d’énergie
ment du concept de l’invariance d’échelle du vide. du vide). Par contre, si cette constante Λ n’est pas nulle,
Les lois de la gravitation expliquent l’attraction des comme c’est le cas dans les modèles ΛCDM, alors cette
corps. L’invariance d’échelle du vide ajoute une petite théorie ne jouit plus de cette propriété. Le cosmologiste
force allant dans le sens de la vitesse:
36 Universaustro-britannique Hermann Bondi pensait que c’était considérée comme correcte, alors celle du modèle
résulune des raisons du désenchantement d’Einstein pour la tant de l’invariance d’échelle du vide l’est aussi ! Et ce
constante cosmologique. dernier modèle ne fait pas appel à l‘énergie noire,
introduite de façon «a rbitraire » pour faire coller le modèle
En postulant explicitement l’invariance d’échelle du
ΛCDM aux observations.
vide (« SIVT » p our Scale-Invariant Vacuum Teory en
anglais), André Maeder a obtenu une nouvelle
formulation de l’expansion de l’Univers, qui se traduit en
particulier par l’introduction d’un nouveau terme dans ses
équations (fgure 1.8) :
qui s’écrit aussi(/R)·(/λ)
où :
R est le facteur d’échelle défnit dans le chapitre ֹ
Expansion de l’Univers I ; c’est un nombre sans
dimension qui décrit la variation des distances dans l’Univers
en expansion.
λ est un autre facteur d’échelle, sans dimension, qui ֹ
décrit l’efet répulsif induit par l’invariance d’échelle du
vide. Sa variation temporelle est :
λ = t /t où t l’époque actuelle.0 0
Figure 1.9. Comparaison des modèles ΛCDM (en bleu) et SIVT Ce point est fondamental: la variation de λ en 1/t implique
(en rouge).que la densité d’énergie du vide reste constante au cours
Les prédictions de l’expansion passée et future de l’Univers sont calculées du temps, quelle que soit la dilatation de l’espace. C’est
avec la même valeur Ω = 0,31, relatif au contenu en matière. Le facteur ml’invariance d’échelle du vide. d’échelle R(t) prend par défnition la valeur 1,0 à l’époque actuelle (âge
de 13,8 milliards d’années). Ce graphique montre très peu de diférence  et  sont les dérivées temporelles de R et λ (« vitesses » ֹ entre les prédictions des deux modèles.
de variation, cf. Annexe).
Ce terme remplace celui contenant la constante cosmo- Toutefois, André Maeder lui-même l’a bien précis:é
logique Λ dans la première équation cosmologique du « Des théories, on peut en faire tant qu’on veut. Mais
modèle standard ΛCDM. Cette équation devient : en science, l’arbitre suprême qui décide ce qui est juste
ou faux, ce sont les observations» . Un seul test observa-2H (t) = (8πG/3)·ρ (t) + Λ/3 m tionnel ne suft donc pas pour valider sa théorie. Celui 2→ H (t) = (8πG/3)·ρ (t) – 2·(/R)·(/λ)m présenté sur la fgure 1.9 ne permet que de dire que
Notons que le signe du deuxième terme du membre de le modèle basé sur l’invariance d’échelle du vide n’est
droite est bien le même, puisque /λ est négatif; p ar les pas invalidé par cette prédiction de l’expansion passée
2propriétés de la dérivée (cf.A nnexe) :  = –t /t , donc de l’Univers. Mais à ce jour (mi-2019), une douzaine 0
–1/λ = –t . de tests ont été efectués, dont aucun n’invalide cette
théorie novatrice. En particulier, dans les amas de C’est un changement profond de concept physique,
galaxies étudiés, la masse dynamique avec la théorie puisque le nouveau terme est une conséquence du postulat
SIVT devient 5 à 10 f ois plus faible que dans les évalu-ainitial, la théorie SIVT, et qu’il n’est plus besoin de faire
tions « standards », rendant compatibles les masses appel à des particules hypothétiques, non détectées, pour
dynamiques et les masse lumineuses. C’est un des points tenter d’expliquer la matière noire et l’énergie noire.
qui a motivé, mais sans fondement physique,
l’introducSeule une brève description du modèle SIVT est faite
tion du concept de matière noire.
dans ce chapitre, soit la prédiction de la variation de R
L’avenir dira si les autres tests en cours continuent à avec le temps, dans le passé et dans le futur de l’Univers.
valider les conséquences de l’invariance d’échelle du vide, Cette variation est présentée sur la fgure 1.9 pour la
et si matière et énergie noires seront un jour (prochain ?) valeur Ω = 0,31 venant de l’analyse du FDC, avec pour m
rangées aux oubliettes. La science, contrairement aux comparaison la prédiction du modèle standard ΛCDM
dogmes divers, progresse par l’amélioration des connais-pour la même valeur de Ω . L’accord entre les prédic-m
sances, qui passe souvent par la correction ou l’abandon tions des deux modèles est excellent.
des inexactitudes, voire des erreurs, passées. C’est en tout
En conséquence, si la prédiction de la variation de R cas une belle page de l’histoire des sciences qui s’écrit.
avec le temps résultant du modèle standard ΛCDM est
1.6. Expansion de l’Univers II : un modèle alternatif (Invariance d’échelle du vide, SIVT) 37Dans ces deux chapitres sur l’expansion de l’Univers, certain vertige puisque l’Univers se serait dilaté
bruta30une autre phase de dilatation primordiale et colossale lement d’un facteur supérieur à 10 . Notre monde n’est
n’a pas été abordée, celle de l’infation, traitée briève- pas seulement compliqué et surprenant dans la vie de
ment dans un chapitre précédent. Cette phase produit un tous les jours !
1.7. FDC : fond difus cosmologique
Preuve majeure de la théorie du Big Bang
et de l’expansion de l’Univers
Trois cent quatre-vingt mille ans après le Big Bang, la extrêmement précise résulte de l’analyse globale du FDC,
température de l’Univers avait diminué à 3 000 °K. La observé par satellite dans un domaine de longueur d’onde
vitesse des noyaux atomiques et des électrons était du rayonnement situé pour l’essentiel dans les
micro−1devenue sufsamment faible, de l’ordre de 100 m·s pour ondes, le maximum d’intensité se trouvant à la longueur
les protons, pour que les atomes puissent se former par d’onde de 1,9 mm (fréquence de 160 GHz). C’est le rayon -
association des électrons aux noyaux. Cette combinaison nement majeur de l’Univers, qui le remplit partout par
a provoqué l’émission des photons du fond difus cosmo- ses photons micro-ondes, donc non détectés par l’œil
logique (FDC), visualisé dans ses caractéristiques humain. Il est évident toutefois qu’à proximité d’une
actuelles sur la fgure 1.10. Le FDC est aussi connu sous source lumineuse (étoile par exemple), l’intensité du
son appellation en anglais de CMB pour Cosmic rayonnement cosmologique est clairement surpassée
Microwave Background. par celui de la source en question.
Ce qui est observé actuellement, à l’âge de 13,8 milliards Les photons du FDC transportent la grande partie de
d’années, c’est la trace de ce rayonnement, dans un l’énergie de rayonnement de l’Univers, laquelle ne
repréUnivers refroidi à 2,726° K (−270,424 °C). Cette valeur sente par ailleurs qu’environ 0,008 % de sa densité
énergétique totale. La densité d’énergie des photons du FDC
−3est d’environ 0,25 eV∙cm , soit environ 400 photons
3micro-ondes par cm .
Les fausses couleurs sur la fgure 1.10 mettent en
évidence de très faibles fuctuations en température,
inférieures au dix-millième de degré. Ces fuctuations
sont les germes des zones de concentration de matière qui
donneront naissance aux galaxies. Pour le comprendre
qualitativement, il est utile de suivre une démarche en
plusieurs points :
Le FDC a été découvert par les radioastronomes améri-ֹ
cains Arno Penzias et Robert W. Wilson en 1964, de
façon fortuite car ils cherchaient le rayonnement de la
Voie lactée. Ils ont détecté avec leur antenne terrestre
Figure 1.10. Le rayonnement du fond difus cosmologique (FDC un rayonnement inconnu, provenant de toutes les
direcou CMB). tions de l’espace, à la longueur d’onde de 7,35 cm, dans
Cette carte du FDC provient des observations réalisées par le satellite PLANCK le domaine des micro-ondes. Le prix Nobel de physique
entre 2009 et 2012. leur a été décerné en 1978 pour cette découverte qui allait
Crédit : ESA / collaboration Planck. révolutionner la cosmologie.
38 UniversLa variation du FDC sur le ciel a ensuite été mesurée ֹ Âges sombres
par trois expériences spatiales successives, COBE
Après l’émission du FDC, l’Univers était trop chaud, et (Cosmic Background Explorer), WMAP (Wilkinson
donc les vitesses des atomes trop grandes, pour que des Microwave Anisotropy) et PLANCK. Il en est résulté
étoiles puissent se former par contraction de la matière. la carte globale des infmes variations de température.
L’Univers a connu une période dite d’« âges sombres » En chaque point du ciel, les observations de la brillance
car les observations manquent pour pouvoir l’étudier. en plusieurs longueurs d’ondes permettent de
détermiIl a fallu attendre qu’il se refroidisse en raison de son ner une température car la distribution de la brillance
expansion pour que les premières étoiles se forment et en fonction de la longueur d’onde suit exactement une
qu’elles deviennent brillantes et observables.loi du corps noir (fgure 3.3)
Il est quand même possible d’émettre quelques spécula-La variation de la brillance du FDC sur le ciel résulte ֹ
tions. Les images du rayonnement du FDC, émis lorsque en particulier de la fuctuation de la densité de la matière
l’Univers avait 380 000 ans, indiquent que la matière contributive :
était alors distribuée très uniformément, car aucun
proton + électron → atome d’hydrogène + photon
objet, étoile ou galaxie, n’était présent pour perturber
du FDC
le milieu. Et cela dura pendant des millions d’années.
Les fuctuations observées en température sont donc Cependant, le FDC montre aussi de très faibles
perturliées à celles de la densité du gaz dans l’Univers lors de bations en température dans cette « soupe
primorl’émission du FDC. diale ». C’est à partir de ces régions de densité légèrement
supérieure à la moyenne que les premières étoiles se sont Le FDC observé actuellement est le « résidu » d’un
rayonformées, donnant naissance aux premières étoiles et nement global émis il y a 13,7996 milliards d’années
aux protogalaxies.(pour l’âge adopté du Big Bang, soit 13,8 milliards
d’années), transformé par l’expansion de l’Univers. Aucune image ne peut donc être présentée des âges
En particulier, la température a diminué de 3 000 °K sombres de l’Univers, qui a connu une période d’absence
à 2,7 °K. Il est important de souligner que les cartes du de communication de son état. Mais toute sa matière
FDC sont la projection à deux dimensions d’un rayon- existait ! Il était en quelque sorte en attente de se révéler
nement provenant d’un volume. La vue en profondeur à nous.
(distance) est inaccessible à l’observation directe, mais
Le qualifcatif «â ge sombre » est aussi utilisé dans un elle est reconstruite via un modèle d’Univers en
expancontexte diférent. C’est ainsi que des périodes d’âge sion, dont les paramètres sont alors déduits de
l’ajustesombre (dark age) sont évoquées dans l’histoire de ment du modèle aux observations.
l’humanité. Le Moyen Âge occidental, soit grossièrement
Un résultat fondamental des observations du FDC est la eentre la fn de l’Antiquité (VI siècle) et la Renaissance
edétermination de la proportion des composants de l’Uni- (XV siècle), a été qualifé d’âge sombre par certains
histoevers (cf. Expansion de l’Univers I et II), soit environ : riens du XIX siècle, le terme « sombre » se référant ici
à une longue période d’instabilités diverses dans l’his-5 % de matière ordinaire (baryonique), comprenant
toire humaine. Cette appellation est toutefois contestée ~0,3 % de matière visible et ~4,7 % de matière cachée.
par de nombreux médiévistes qui considèrent que le 26 % de matière noire.
Moyen Âge européen n’a pas été totalement sombre, 69 % d’énergie noire.
ou en tout cas pas partout ni sur toute la période de
Ces deux dernières quantités sont de nature inconnue.
1000 ans considérée.
Seuls environ 5 % du contenu en masse-énergie de
La sortie des âges sombres de l’Univers est venue de l’Univers est de nature connue, 0,3 % étant identifée
la formation des premières étoiles. Cette époque était (la matière baryonique visible).
datée à environ 500 millions d’années après le Big Bang,
Ce qui est fascinant avec ces observations, c’est que le
mais une observation radioastronomique publiée en
contenu de l’Univers est vu à deux âges diférents : les
2018 semble montrer des indications de la présence
fuctuations de densités révélées indirectement par le
d’étoiles déjà 180 millions d’années après le Big Bang.
FDC sont à l’origine des galaxies observées
actuelleLes âges se sont peut-être éclaircis plus tôt que prévus
ment (cf. Distribution des galaxies). précédemment.
L’évolution ultérieure de l’Univers est une longue histoire,
très complexe, qui a produit la formation des étoiles,
des galaxies et des planètes. Mais auparavant, il a été
inobservable pendant environ 500 millions d’années.
1.7. FDC : fond dif us cosmologique 391.8. Premières étoiles
Post tenebras lux : la sortie des âges sombres
de formation de ces éléments, qui n’existaient pas au
préalable dans l’Univers. La succession de formation
d’étoiles de plus en plus enrichies en éléments chimiques
autres que l’hydrogène constitue le cycle cosmique de la
matière (cf .Matière interstellaire, Évolution chimique
et Origine des éléments chimiques).
Les modèles de formation stellaire montrent que ces
premières étoiles pouvaient être beaucoup plus massives
que les étoiles actuelles, en raison de leur composition
chimique particulière. Leur masse maximum était de 100
à 200 fois, voire 1 000 fois, supérieure à celle de notre
Soleil (cf .Étoiles). Les plus massives étaient aussi
extrêmement chaudes, avec des températures de surface
dépassant les 100 000 °K, alors que les étoiles actuelles ont des
températures de surface de 25 00 à 50 000 °K (5 800 °K
pour le Soleil).
Une des conséquences pour leur environnement est
qu’elles émettaient de fortes quantités de rayonnements
très énergétiques, ultraviolets et X, qui ont produit une
ionisation de la matière gazeuse proche : les atomes
Figure 1.11. Une des galaxies les plus distantes connues, d’hydrogène et l’hélium interstellaires ont perdu tout
nommée EGSY8p7.
ou partie de leurs électrons. Cette période a donc été
La grande image a été obtenue par le télescope Keck ; la fèche repère marquée par une nouvelle ionisation du gaz inters-cette galaxie, un point infme sur le cliché, mais riche de milliards d’étoiles !
tellaire, nommée la réionisation de l’Univers, puisque La vue détaillée en encarté provient du Télescope Spatial Hubble.
la matière avait déjà été complètement ionisée avant Le redshift de la galaxie est de 8,68, donnant un lookback time d’environ
13,2 milliards d’années. C’est donc la vue d’une galaxie telle qu’elle était l’émission du FDC. Cette réionisation est intervenue
quand l’Univers avait un âge d’environ 600 millions d’années, soit principalement entre les âges depuis le Big Bang de 500
100 millions d’années après la fn supposée de la période des âges
à 900 millions d’années environ (redshif z entre 10 à 6 sombres.
environ, cf.E xpansion de l’Univers I). Les âges sombres Crédit : NASA / ESA / JPL-Caltech ; I. Labbe (Leiden University).
ont donc été une sorte de parenthèse durant laquelle la
matière était neutre, l’hydrogène et l’hélium existant La formation des premières étoiles marque la fn des âges
sous forme d’atomes, soit des noyaux avec leurs électrons.sombres de l’Univers (fgure 1.11). Ces étoiles avaient une
diférence essentielle par rapport aux étoiles actuelles, Ces premières étoiles, dites de Population III, se sont
y compris le Soleil. Elles n’étaient constituées que de la formées en groupes dans des lieux «p rivilégiés », où la
matière issue de la nucléosynthèse cosmologique, soit densité de matière était sufsante pour leur condensa -
essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium. Les autres tion. Elles sont groupées dans les premières
protogaéléments chimiques étaient absents, à part quelques laxies, dont la masse totale devait avoisiner le million
traces d’éléments légers, tels que le deutérium, le béryl- de M (masse solaire, cf.A nnexe) pour une taille d’une 
lium ou le lithium. Ces autres éléments seront formés au centaine d’al.
cœur des étoiles par des réactions de fusion nucléaire,
La brillance de ces premières étoiles, ainsi que l’ionisa-lors de la fusion d’étoiles à neutrons (cfO. ndes
gravition du milieu interstellaire, a rendu l’Univers brillant, tationnelles) ou lors des explosions d’étoiles (cf.
superet donc observable.novae). Les premières étoiles sont donc les sites initiaux
40 UniversFigure 1.12. M42, la nébuleuse
d’Orion.
C’est la région la plus proche de nous
où la formation stellaire est à l’œuvre.
Visible à l’œil nu, elle est située dans la
constellation d’Orion, à la distance de
1 350 al, et son extension spatiale est
de 24 al.
L’image a été obtenue le 16 janvier 2020
en début de nuit avec une lunette de
200 mm équipée de quatre fltres pour
faire ressortir les couleurs, en particulier
un fltre Hα pour le rouge (hydrogène
ionisé) et un fltre OIII pour le vert
(oxygène ionisé deux fois).
Crédit : M. Cottier / Observatoire FXB.
avait un âge d’environ 500 millions d’années, pouvaient Taux de formation stellaire
avoir une masse maximum plus élevée (jusqu’à peut-être
L’évaluation de ce taux est importante pour comprendre 1 000 M ) que celle des étoiles formées actuellement. 
la formation des galaxies et expliquer leurs structures La cause en est leur composition chimique, constituée
et leurs luminosités au cours de l’histoire de l’Univers. uniquement d’hydrogène et d’hélium, alors que les étoiles
Les éléments à évaluer sont la distribution des masses actuelles contiennent quelques pour cent de tous les
d’étoiles formées, et la variation au cours du temps de autres éléments chimiques connus.
l’efcacité des processus de formation. Dans notre Galaxie, la Voie lactée, le taux de formation
Les étoiles se forment par contraction de la matière stellaire actuel est d’environ 1 M par an, ou 100 M par  
interstellaire (fgure 1.12). Les contraintes astrophy- siècle. Exprimé autrement, cela veut dire qu’en un siècle,
en moyenne, une masse de matière interstellaire équiva-siques requises sont très diverses, entre autres la densité
lente à 100 fois la masse du Soleil est convertie en étoiles.et la composition chimique de la matière, les
mouvements et collisions des nuages, les processus de chauf - L’efcacité des processus de formation stellaire a varié
fage et de refroidissement. Les étoiles actuelles ont des au cours du temps. Elle est décrite par le taux de
formamasses comprises entre 0,07 et environ 100 fois la masse tion stellaire, qui exprime la quantité de matière
intersdu Soleil (cf.É toiles). Mais les quantités d’étoiles formées tellaire convertie en étoiles en un temps donné. Les
dépendent fortement de leur masse, les moins massives études portant sur de grands volumes, et pas seulement
étant beaucoup plus nombreuses que celles de grandes sur la Voie lactée, montre que, globalement, ce taux est
masses. La fonction initiale observée des masses stellaires parti de zéro au moment de la formation des premières
actuelles (IMF, pour Initial Mass Function) montre que, étoiles, a culminé à un âge de l’Univers d’environ 2 à
par rapport au nombre d’étoiles similaires au Soleil 4 milliards d’années pour redescendre continûment
(1 M ), les étoiles de jusqu’à la valeur actuelle, environ 10 fois plus petite que
10 M sont 220 fois moins nombreuses, la valeur maximum.
5 M sont 40 fois moins nombreuses, En conséquence de la formation des étoiles, la quantité de
0,5 M sont 5 fois plus nombreuses, matière interstellaire s’est réduite. Actuellement, dans la
0,2 M sont 40 fois plus nombreuses. Voie lactée, la plus grande partie de la matière ordinaire
Les travaux théoriques, confrmés par certaines obser- ou baryonique se trouve dans les étoiles, soit 50 milliards
vations, montrent par ailleurs que l’IMF n’a pas été de M , alors que le gaz interstellaire, atomique ou 
constante lors de l’évolution de l’Univers. En parti- moléculaire, représente environ 8 milliards de M . Mais 
culier, les premières étoiles formées, quand l’Univers la part majeure de la matière totale serait sous forme de
matière noire (cf .Expansion de l’Univers I).
1.8. Premières étoiles 41