Cosmologie

L'histoire de la cosmologie

 L'histoire de la cosmologie présente un premier tournant au sixième siècle avant notre ère, lorsque les philosophes grecs rejettent le prêt-à-penser proposé par les prêtres, comme le pouvoir de droit divin des potentats locaux; ils inventent ainsi la démocratie (enfin, une proto-démocratie...), et la cosmologie en tant que science.

Jusque là, la vision de l'univers était strictement symbolique : le monde était une boîte, dont la Terre était le fond, et le ciel le couvercle. Ceci posait le problème du joint entre ces deux éléments si dissemblables; la plupart des grandes civilisations proposaient l'eau : moins fluide que l'air, mais plus que la Terre, un bon intermédiaire... D'où le fleuve océan des grecs, par exemple, qui était censé ceinturer l'ensemble des terres habitées. Sur d'autres continents, chinois, hindous, amérindiens, entretenaient des descriptions cosmiques strictement symboliques et théologiques, qu'ils n'allaient jamais pouvoir dépasser.

Au VIe siècle avant notre ère se produit en Asie Mineure (l'actuelle Turquie), ce qu'on appelé le miracle grec : la société s'émancipe, rejette les pouvoirs imposés, l'écriture n'est plus réservée à des fonctionnaires royaux, tout devient matière à discussion. Apparaissent ainsi les premières représentations raisonnées du cosmos. Les grandes étapes de cette conquête intellectuelle, pour ce qui concerne la cosmologie, sont les suivantes :

• Thalès de Milet (-640?, -547?) pose pour la première fois la question fondamentale de l'origine et de la nature du monde : comment l'univers s'est-il formé ? De quoi est-il fait ?

• Anaximandre (-610?,-547?) affirme que l'univers est infini et éternel, et que la Terre est isolée dans l'espace; pour la première fois on réalise que la Terre a une face inférieure, des antipodes !

• Anaximène de Milet (-550?,-480?) se demande ce qui tient les étoiles dans le ciel, et imagine d'immenses sphères de cristal sur lesquelles sont fixées ces astres. Une idée qui aura deux mille ans de succès !

• Pythagore (-580?,-500?), enfin, mathématise le cosmos. L'univers est décrit en termes de quantités, et non plus seulement par ses qualités; c'est pour cela que Pythagore est considéré comme le créateur de la science au sens moderne du terme.

• Couronnant deux siècles d'avancées conceptuelles, c'est finalement Aristarque de Samos (-310,-230) qui propose le système héliocentrique complet tel que nous le connaissons.

Et tout ceci est le résultat d'observations à l'oeil nu et de beaucoup de réflexion, car les grecs ne disposaient évidemment d'aucun instrument astronomique. Si, un : le gnomon, bâton planté dans un champ, et ancêtre du cadran solaire...

Mais cette flambée de raison s'éteint bientôt. Sous les coups de boutoirs des Perses, la Grèce se replie, se sclérose. La conquête romaine achèvera d'étouffer les derniers centres scientifiques comme Alexandrie. Alexandrie où Ptolémée, au début de notre ère, fige pour longtemps la cosmologie en une caricature d'engrenages et de sphères de cristal, tandis que les mythes chrétiens s'apprêtent à leur tour à envahir le ciel pour en chasser la science. Suivent alors un millénaire et demi d'errance, de retour à la métaphysique, de main-mise des églises sur la cosmologie; seuls les arabes cultivent encore l'héritage grec, sans faire d'avancée fondamentale.

C'est à la Renaissance que tout redémarre, avec Copernic (1473-1543) qui replace le Soleil au centre des orbites planétaires. Puis Képler (1571-1630) découvre les lois de leur mouvement. Enfin, un soir de 1609, Galilée tourne une lunette vers le ciel ! La cosmologie observationnelle est née ! Une autre avancée formidable est due au génial pisan : le principe mécanique d'inertie, et la notion de relativité : tous les référentiels en mouvement rectiligne et uniforme l'un par rapport à l'autre sont équivalents pour l'étude de l'univers...

La cosmologie moderne

La cosmologie moderne présente trois facettes, correspondant à trois époques du passé :

• La première, que l'on peut appeler la cosmologie standard, s'intéresse à tout ce qui s'est passé dans l'univers entre t = 0,01 s et notre époque. Elle est assez bien comprise, et la théorie en vogue a subi avec succès des tests observationnels.

• La seconde couvre la période t = 10^-12 s à t = 0,01 s, c'est la cosmologie des particules élémentaires. Elle demande parfois des extrapolations de nos connaissances, même si les énergies concernées restent dans un domaine accessible à nos plus grands accélérateurs de particules. C'est de la physique connue, mais les difficultés des calculs numériques sont parfois infranchissables.

• La troisième s'intéresse aux tous premiers instants de l'univers; c'est la cosmologie quantique. Elle s'intéresse à l'origine de l'univers, et tente de tenir compte des phénomènes quantiques qui devaient intervenir à t = 10^-43s et en-deçà. C'est un domaine encore hautement spéculatif...

Les modèles cosmologiques

Un modèle cosmologique est une représentation mathématique de l'univers qui prétend expliquer les raisons de son aspect actuel, et décrire son évolution au cours du temps. Il s'appuie toujours sur des faits observationnels, et doit être capable de faire des prédictions que des observations ultérieures vérifieront ou non; c'est à dire qu'il doit être réfutable.

Les hypothèses de base

Il n'existe plus de modèle sérieux non basé sur une phase dense et chaude initiale, c'est à dire un Big Bang. Nous ne ferons donc que citer pour mémoire, par exemple, les modèles qui prévoyaient une création continue de matière, que la découverte du FDC a rendu immédiatement caducs.

Tous les modèles de Big Bang sont construits dans le cadre de la relativité générale, et pour l'instant, utilisent une description métrique (c'est à dire non-quantique) de la gravité. Ils sont basés sur des hypothèses très générales qui sont les suivantes :

Tout d'abord, le principe cosmologique, formé des deux assertions suivantes; en gros, il assure que nous ne sommes pas des observateurs privilégiés, et que ce que nous observons est bien représentatif de l'ensemble de l'univers :

• L' est homogène, c'est à dire qu'il présente les mêmes propriétés dans toutes ses régions. Ceci doit s'entendre à très grande échelle, au-delà du millier de Mpc. Il est clair qu'à petite échelle existent des inhomogénéités, nous par exemple.

• Le contenu matériel de l'univers est un fluide parfait, décrit entièrement par sa densité et sa pression p. C'est à dire, pratiquement, que les dimensions des particules qui le constituent (les galaxies, amas de galaxies, ...) sont négligeables devant les distances qui séparent ces particules.
• Les lois de la physique sont universelles.