Notre compréhension de l’origine, de l’évolution et de l’organisation à grande échelle de l’Univers a connu des changements révolutionnaires au cours du dernier siècle, grâce à des observations de plus en plus précises et à des percées théoriques. La cosmologie, autrefois un domaine purement spéculatif, s’est développée en une discipline riche en données, grâce aux mesures du fond diffus cosmologique, aux relevés de galaxies et aux détecteurs les plus avancés. Cette abondance de données éclaire non seulement l’Univers primordial – lorsque les fluctuations quantiques se sont étendues à des échelles astronomiques – mais révèle aussi comment se sont formés les filaments, amas et vides, constituant le gigantesque « réseau cosmique » que nous observons aujourd’hui.
Dans le chapitre 10 : Cosmologie et structure à grande échelle de l’Univers, nous examinons les piliers fondamentaux de la recherche cosmologique moderne :
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Inflation cosmique : théorie et preuves
L’inflation de l’Univers primordial affirme qu’au cours de la toute première fraction de seconde, une expansion exponentielle extrêmement rapide a eu lieu, résolvant les problèmes d’horizon et de platitude. Elle a laissé des traces dans les fluctuations de densité, ultérieurement détectées dans le fond diffus cosmologique (FDC) et la structure à grande échelle. Les données actuelles sur les anisotropies et la polarisation du FDC soutiennent fortement ce scénario, bien que la physique détaillée de l’inflation (et le mécanisme exact) soient encore activement étudiés. -
Structure détaillée du fond diffus cosmologique
Le FDC est l’écho de la radiation chaude de l’Univers primordial, codant de petites variations de température et de polarisation, reflétant les perturbations de densité environ 380 000 ans après le Big Bang. Ces cartes (par exemple, Planck, WMAP) révèlent les germes des galaxies et amas ainsi que des paramètres cosmologiques précis, tels que la densité de matière, la constante de Hubble et les contraintes sur la courbure de l’Univers. -
Réseau cosmique : filaments, vides et superamas
La gravité agissant sur la matière noire et les baryons à partir des fluctuations initiales a créé le « réseau cosmique », où les galaxies se regroupent le long d’immenses filaments entourant des vides, formant ainsi des superamas. Les simulations N-corps de matière noire et de gaz, comparées aux études de décalage vers le rouge, montrent comment la structure s’est formée hiérarchiquement sur des milliards d’années – les halos plus petits fusionnant en structures plus grandes. -
Oscillations acoustiques baryoniques
Dans le plasma chaud primordial avant la recombinaison, des ondes sonores (oscillations acoustiques) se propageaient dans le fluide photons-baryons, laissant une échelle caractéristique dans la distribution de la matière. Ces BAO servent désormais de « règle standard » dans les fonctions de corrélation des galaxies, permettant de mesurer précisément l’expansion cosmique et la géométrie, en complément des méthodes basées sur les supernovas. -
Études du décalage vers le rouge et cartographie de l’Univers
Depuis les premières études CfA du décalage vers le rouge jusqu’aux initiatives modernes telles que SDSS, DESI ou 2dF, les astronomes ont catalogué des millions de galaxies, construisant une reconstruction tridimensionnelle du réseau cosmique. Ces études fournissent des connaissances sur les flux à grande échelle, la vitesse d’expansion, l’amplitude des surdensités et l’influence de l’énergie noire sur l’Univers au fil du temps. -
Effet de lentille gravitationnelle : télescope cosmique naturel
Les amas massifs de galaxies ou les structures cosmiques déforment la propagation de la lumière de fond, créant des images multiples ou amplifiant la luminosité – un télescope naturel. Outre des images astrophysiques impressionnantes, la lentille permet de mesurer précisément la masse totale (y compris la matière noire), d’évaluer la distribution de masse des amas, de calibrer les distances et d’étudier l’énergie noire via le cisaillement cosmique (lentille faible). -
Mesure de la constante de Hubble : tension
L’une des questions récentes en cosmologie est la divergence entre les mesures « locales » de la constante de Hubble (utilisant les échelles de distance, par exemple les Céphéides et les supernovas) et les méthodes « globales » (analyses ΛCDM ajustées aux données du FDC). Cette dite tension de Hubble a suscité des débats sur une possible nouvelle physique, une erreur systématique ou des phénomènes encore inconnus dans l’Univers primordial ou tardif. -
Recherches sur l’énergie noire
Des projets spécialisés tels que le Dark Energy Survey (DES), Euclid et le télescope spatial Roman observent les supernovas, les amas de galaxies et les signaux de lentille, afin de mieux comprendre l’équation d’état et l’évolution de l’énergie noire. Ces observations testent si l’énergie noire est une simple constante cosmologique (w = -1) ou un champ dynamique avec un w variable. -
Anisotropies et inhomogénéités
Des anisotropies de température du FDC aux inhomogénéités locales dans la distribution des galaxies – ces phénomènes sont extrêmement importants. Ils confirment non seulement l’inflation cosmique, mais montrent aussi comment la matière noire et les baryons, sous l’effet de la gravité, s’accumulent pour former l’environnement à grande échelle de l’Univers que nous observons aujourd’hui. -
Discussions actuelles et questions ouvertes
Bien que le modèle ΛCDM soit largement validé, des questions restent ouvertes : les détails de l’inflation, la nature des particules de matière noire, les théories alternatives de gravité pour expliquer l’accélération cosmique, la résolution de la tension de Hubble et la topologie plus profonde de l’Univers. Ces questions stimulent le développement théorique continu et de nouveaux projets d’observation.
En passant en revue ces thèmes fondamentaux – l’inflation, la structure du FDC, le réseau cosmique, les BAO, les études du décalage vers le rouge, la lentille gravitationnelle, les observations de l’énergie noire et les questions non résolues – ce chapitre révèle un portrait grandiose de la structure à grande échelle de l’Univers : comment elle s’est formée à partir de l’époque inflationnaire précoce, a évolué sous l’influence de la matière noire et de l’énergie noire, et continue de poser des énigmes non résolues attendant des réponses.