De la Cosmogonie à la De la Cosmogonie à la CosmologieCosmologie

Pascal Ripoche, CPPM, Luminy, Marseille

Cosmogonie et CosmologieCosmogonie et Cosmologie

D’ou vient l’univers ?

Qu’est-ce que l’univers ?

Comment va évoluer

l’univers ?

D’Aristote à NewtonD’Aristote à Newton Aristote (384-322 av JC)Aristote (384-322 av JC)Première cosmologie, identification de l’univers à un espace géométrique.Première cosmologie, identification de l’univers à un espace géométrique.Univers fini géocentriqueUnivers fini géocentrique composée de sphère céleste ; la sphère composée de sphère céleste ; la sphère

représente la perfection divine. Les étoiles sont parfaites et immuables.représente la perfection divine. Les étoiles sont parfaites et immuables. Copernic (1473-1543)Copernic (1473-1543) Tycho Brahé (1546-1601)Tycho Brahé (1546-1601)Univers fini géocentriqueUnivers fini géocentrique avec des avec des

planètes tournant autour du soleil planètes tournant autour du soleil et le soleil tournant autour de la terre. et le soleil tournant autour de la terre.

Galilée (1564-1642)Galilée (1564-1642) Kepler (1571-1630)Kepler (1571-1630)Système solaire héliocentriqueSystème solaire héliocentrique

dans un univers infini. dans un univers infini.

« Tu as fixé la terre, ferme et immobile. »

Bible, psaume 93

D’Aristote à NewtonD’Aristote à Newton Newton (1642-1727)Newton (1642-1727)Théorie de la gravitationThéorie de la gravitationL’univers est l’espace euclidien infini à trois dimensions. Les astres sont mus par la L’univers est l’espace euclidien infini à trois dimensions. Les astres sont mus par la

gravité.gravité.Le temps est absolu.Le temps est absolu.

« L‘espace est de durée éternelle et de nature immuable, et ce parce qu'il est l'effet émanant d'un être éternel et immuable. Si jamais l‘espace n'avait pas existé, Dieu, à ce moment-là, n'aurait été présent nulle part...  » (Newton, De Gravitatione).

De La Relativité générale De La Relativité générale au Big-bangau Big-bang

1916 Einstein : Relativité générale1916 Einstein : Relativité générale Univers : Univers : espace-temps (espace à 4 dimensions) courbé par l’énergie et la matièreespace-temps (espace à 4 dimensions) courbé par l’énergie et la matière.. Interdépendance du temps et de l’espace.Interdépendance du temps et de l’espace. Hypothèse : Univers homogène et isotrope.Hypothèse : Univers homogène et isotrope. La théorie est dynamique et instable (l’espace-temps évolue au cours du temps).La théorie est dynamique et instable (l’espace-temps évolue au cours du temps). Ajout de la Ajout de la Constante CosmologiqueConstante Cosmologique pour obtenir un pour obtenir un Univers stable et éternelUnivers stable et éternel..

1924 Alexandre Friedmann : l'Univers est dynamique, en expansion, et né d'une explosion 1924 Alexandre Friedmann : l'Univers est dynamique, en expansion, et né d'une explosion initiale. initiale.

1929 Edwin Hubble : Découverte de l’expansion de l’univers1929 Edwin Hubble : Découverte de l’expansion de l’univers Plus les galaxies sont lointaines plus elles s’éloignent rapidement.Plus les galaxies sont lointaines plus elles s’éloignent rapidement.

1933 Georges Lemaître : 1933 Georges Lemaître : Théorie du Big-bangThéorie du Big-bang..

« les résultats concernant un monde non-stationnaire contenus dans les travaux de Friedmann me semblent douteux » (Einstein).

La Relativité GénéraleLa Relativité Générale Espace(3 dimensions)-temps(1 dimension)Espace(3 dimensions)-temps(1 dimension) L’énergie et la matière courbent l’espace-L’énergie et la matière courbent l’espace-

temps.temps. Courbure moyenne de l’univers Courbure moyenne de l’univers

densité moyenne d’énergie dans densité moyenne d’énergie dans l’univers.l’univers.

Densité critique Densité critique ΩΩcc de courbure nulle de courbure nulle

ΩΩ = = ΩΩccCourbure Courbure

nullenulleEspace Espace

euclidieneuclidien

Espace ouvert,Espace ouvert,

fini ou infinifini ou infiniSomme de angles d’un Somme de angles d’un triangle = 180°triangle = 180°

ΩΩ > > Ω ΩccCourbure Courbure positivepositive

Espace Espace sphériquesphérique

Espace fermé et finiEspace fermé et finiSomme de angles d’un Somme de angles d’un triangle > 180°triangle > 180°

ΩΩ < < Ω ΩccCourbure Courbure négativenégative

Espace Espace hyperboliquehyperbolique

Espace ouvert,Espace ouvert,

fini ou infinifini ou infini

Somme de angles d’un Somme de angles d’un triangle < 180°triangle < 180°

Mesure de la courbureMesure de la courbure

Courbure nulle ΩΩ ≈≈ ΩΩcc

Avec matière uniquement

Mesure de la densitéMesure de la densitéEtude des grandes structures Rotation de galaxies

Matière baryonique 4%

Matière noire 26%Accélération de

l’expansion

Mesure de l’expansiongrâce aux supernovae

Energie noire 70%

Rayonnement < 1%

Lensing : déviation de la lumière par les amas de galaxies

CMB

ΩΩtotaletotale ≈ ≈ ΩΩcc

Matière noire et énergie noireMatière noire et énergie noire

Energie noireEnergie noire70%70%

Gravitationnellement répulsive Gravitationnellement répulsive Où : partoutOù : partout Densité : faible mais homogène Densité : faible mais homogène constante cosmologique ?constante cosmologique ? Energie du vide ?Energie du vide ? ……

Matière noireMatière noire

26%26% Agglomération par gravitéAgglomération par gravité Où : autour des galaxies et des amas Où : autour des galaxies et des amas

de galaxiesde galaxies Densité : localement forteDensité : localement forte

Observations indirectes uniquement

De très nombreux modèles existent

Il était un fois notre Univers…Il était un fois notre Univers… Un début ?Un début ?

Big-bang : singularité mathématique sans Big-bang : singularité mathématique sans temps ni espacetemps ni espace

Pas de théorie quantique de la relativité Pas de théorie quantique de la relativité pas de description de la gravité juste pas de description de la gravité juste après le Big-bang!après le Big-bang!

Une Fin? Nature de l’énergie noire?Une Fin? Nature de l’énergie noire?Constante Cosmologique ou énergie du Constante Cosmologique ou énergie du

vide vide expansion infinie, dilution de expansion infinie, dilution de l’universl’univers

Et sinon…Et sinon…

Univers fini ou infini?Univers fini ou infini?

Dépend de la topologie de l’univers :Dépend de la topologie de l’univers : Courbure positive Courbure positive

univers finiunivers fini

Courbure Nulle Courbure Nulle 18 topologies possibles 18 topologies possibles

dont 6 fermées (finies)dont 6 fermées (finies)

Avec ou sans bords?Avec ou sans bords?

Courbure négativeCourbure négativeUne infinité de topologies possibles Une infinité de topologies possibles

dont certaines ferméesdont certaines fermées

L’icosaèdre : espace hyperbolique fini

L’hypertore : espace euclidien fini

ConclusionsConclusions

Cosmologie moderne : Relativité généraleCosmologie moderne : Relativité généraleFormation des étoiles et de galaxiesFormation des étoiles et de galaxiesFond diffus cosmologiqueFond diffus cosmologiqueExpansion de l’universExpansion de l’universEnergie noire et matière noire ?Energie noire et matière noire ?Topologie de l’Univers ?Topologie de l’Univers ?Problème de la singularité initialeProblème de la singularité initiale

Et au-delà ?Et au-delà ?

Au-delà de la relativité ?Au-delà de la relativité ? Relativité quantiqueRelativité quantique Une théorie plus large ?Une théorie plus large ? Théorie des cordes ?Théorie des cordes ? Dimensions supplémentaires ?Dimensions supplémentaires ?

Toujours plus de questions, mais une demeure :  Pourquoi l’univers ?

Dieu ! Le Hasard ! Ou …