LES MODELES COSMOLOGIQUES

[ Définition de la théorie & des modèles cosmologiques

Modèles cosmologiques historiques

Nouveau modèle standard ]

1. 1 Définition du concept de théorie

Qui serait surpris de savoir que le sens originel de théorie est celui d'observation? En effet, le latin ecclésiastique, theoria, et l'équivalent grec qewria (du verbe qewrein, "observer") signifient tous deux "observation, contemplation". Un dictionnaire propose la définition suivante: "Construction intellectuelle méthodique et organisée, de caractère hypothétique (au moins en certaines de ses parties) et synthétique." (Grand Robert de la langue française)

Notons qu'une théorie, en se fondant sur une méthode, se révèle être une synthèse cohérente d'un ensemble. Nous verrons donc en quoi la R.M.M est une synthèse logique de différents modèles cosmologiques. A cette fin, gardons les trois idées suivantes présentes à l'esprit:

" Les faits sont les matériaux nécessaires; mais c'est leur mise en
Suvre par le raisonnement expérimental, c'est-à-dire la théorie, qui constitue et édifie véritablement la science (...) La théorie n'est que l'idée scientifique contrôlée par l'expérience." - Cl. BERNARD, Introd. à l'étude de la médecine expérimentale, I, I.

" "Une théorie physique n'est pas une explication, c'est un système de propositions mathématiques, déduites d'un petit nombre de principes, qui ont pour but de représenter aussi simplement, aussi complètement que possible un ensemble de lois expérimentales." - P. DUHEM, La Théorie physique, p. 24.

" "Une bonne théorie se caractérise par le fait qu'elle fait un certain nombre de prédictions qui pourraient en principe être réfutées ou rendues fausses par l'observation." Ainsi: "chaque fois que de nouvelles expériences viendront corroborer une prédiction, la théorie sera confortée, et notre confiance en elle s'accroîtra." - S. Hawking, Une brève histoire de temps.

1.2 Les modèles cosmologiques

Puisque la R.M.M se présente sous la forme d'un nouveau modèle cosmologique, ou du moins une bonne révision de ses devanciers, une petite mise au point s'avère nécessaire.

Ce qu'est un modèle cosmologique

Un modèle cosmologique est une représentation possible de l'Univers, qui relie une vision théorique de l'univers à des faits observationnels. Ces derniers doivent éprouver la validité et la pertinence de la représentation. Un modèle cosmologique doit viser la simplicité, tout en disposant d'une théorie généralisée de l'interaction macroscopique dominante, la gravité.

Univers statique

En 1917, Albert Einstein proposa un modèle de l'Univers fondé sur sa nouvelle théorie de la Relativité. Il considérait le temps comme une quatrième dimension et montra que la gravitation était équivalente à une courbure de l'espace-temps. Ainsi, il montra que l'Univers n'était pas statique mais était en expansion ou en contraction. L'expansion de l'Univers n'avait pas encore été "découverte". Einstein supposa donc l'existence d'une force de répulsion entre les galaxies qui contrebalancerait la force d'attraction gravitationnelle.

Mais pour cette hypothèse, il introduisit une " constante cosmologique " (L) dans ses équations, qui conduisirent alors à un Univers statique. Cela par l'équilibre de deux forces antagonistes : -FG et FLE.

|FG| = GMmg/RE2

= G4pRE3rcmg / 3RE2

= G4pRErcmg / 3 = FLE = mgc2LERE/3 [RE: rayon de courbure de l'Univers statique]

Ainsi:

|FG| = G4prc/3 = FLE = c2LE/3 et LE = 4pGrc/c2

[ M = 4pr3rc/3 : masse euclidienne de rayon r, correspondant à la distance de la galaxie test mg, centrée sur nous]

Le bilan des forces -FG et FLE, égales mais contraires, est nul : l'Univers d'Einstein est statique.

Univers oscillant

D'après Friedmann, si l'Univers contient relativement peu de matière, l'attraction gravitationnelle mutuelle entre les galaxies diminuera légèrement les vitesses d'éloignement et l'Univers sera indéfiniment en expansion. L'Univers serait alors un Univers ouvert de taille infinie. Cependant, si la densité de matière est supérieure à une valeur critique, actuellement estimée à 5 × 10-30 g/cm3, l'expansion ralentira jusqu'à s'arrêter et s'inverser en contraction et l'Univers s'effondrera totalement. Il serait alors " fermé ", d'étendue limitée. Le destin de l'Univers effondré est incertain, mais selon une théorie, il exploserait à nouveau, engendrant un nouvel Univers en expansion, qui s'effondrerait à nouveau, et ce modèle présente un Univers oscillant.

Modèle Friedmann-Lemaître: un Univers dynamique

Des modèles non statiques de l'Univers furent introduits en 1917 par l'astronome hollandais Willem de Sitter, en 1922 par le mathématicien russe Alexandre Friedmann, et en 1927 par l'abbé belge Georges Lemaître. L'Univers de de Sitter résolvait les équations relativistes d'Einstein pour un univers vide et les forces gravitationnelles n'étaient alors pas considérées. La solution de Friedmann dépendait directement de la densité de matière dans l'Univers et constitue le modèle actuellement accepté. Lemaître détermina également une solution de l'équation d'Einstein. Cependant, il est plus connu pour son idée d'" atome originel ". Selon lui, les galaxies sont des fragments qui ont été projetés par l'explosion de cet atome, d'où l'expansion de l'Univers. Ce fut le début de la théorie du big bang sur l'origine de l'Univers.

Modèle stationnaire

En 1948, les astronomes anglais Hermann Bondi, Thomas Gold et Fred Hoyle présentèrent un autre modèle de l'Univers : la théorie du modèle stationnaire. D'après un point de vue philosophique, l'Univers ne pouvait être apparu soudainement. Leur modèle était issu d'une extension du " principe cosmologique ", qui était sous-jacent à des théorie antérieures, comme le modèle de Friedmann. D'après le " principe cosmologique parfait " de Bondi, Gold et Hoyle, l'Univers a le même aspect à tout moment et en n'importe quel point. De plus, la diminution de densité de l'Univers due à son expansion est compensée par la création continuelle de matière, qui se condenserait en des galaxies prenant la place des galaxies éloignées de la Voie lactée. L'aspect actuel de l'Univers est ainsi conservé. Sous cette forme, la théorie du modèle stationnaire n'est plus acceptée par la plupart des cosmologistes, en particulier après la découverte du rayonnement ambiant en 1965 et des quasars. Ces derniers sont des systèmes extragalactiques très petits mais extrêmement lumineux, situés à grande distance : leur lumière a mis plusieurs milliards d'années à atteindre la Terre. Ainsi, les quasars sont les témoins d'un lointain passé. Ils indiquent qu'il y a quelques milliards d'années l'Univers était très différent de ce qu'il est aujourd'hui.

Pour aller plus loin : Les modèles cosmologiques, sur Luxorion