Pendant des milliers d'années, les humains ont regardé les étoiles et se sont demandé comment l'univers était né. Mais ce n'est que pendant les années de la Première Guerre mondiale que les chercheurs ont développé les premiers instruments d'observation et les outils théoriques pour transformer ces grandes questions en un domaine d'étude précis: la cosmologie.
"Je pense que la cosmologie est l'un des plus anciens sujets d'intérêt humain, mais l'une des plus récentes sciences", a déclaré Paul Steinhardt, cosmologiste à l'Université de Princeton qui étudie si le temps a un début.
La cosmologie, en résumé, étudie le cosmos comme une seule entité, plutôt que d'analyser séparément les étoiles, les trous noirs et les galaxies qui le remplissent. Ce champ pose de grandes questions: d'où vient l'univers? Pourquoi a-t-il des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies? Que va-t-il se passer ensuite? "La cosmologie tente de faire une image à très grande échelle de la nature de l'univers", a déclaré Glennys Farrar, physicien des particules à l'Université de New York.
Parce que cette discipline est aux prises avec de nombreux phénomènes, des particules dans le vide au tissu de l'espace et du temps, la cosmologie s'appuie fortement sur de nombreux domaines, notamment l'astronomie, l'astrophysique et, de plus en plus, la physique des particules.
"La cosmologie a des parties qui sont entièrement en physique, des parties qui sont entièrement en astrophysique et des parties qui vont et viennent", a déclaré Steinhardt. "Cela fait partie de l'excitation."
Une histoire de l'histoire de l'univers
La nature interdisciplinaire du domaine permet d'expliquer son démarrage relativement tardif. Notre image moderne de l'univers n'a commencé à se rassembler que dans les années 1920, peu de temps après qu'Albert Einstein ait développé la théorie de la relativité générale, un cadre mathématique qui décrit la gravité comme une conséquence de la flexion de l'espace et du temps.
"Avant de comprendre la nature de la gravité, vous ne pouvez pas vraiment faire une théorie de la raison pour laquelle les choses sont comme elles sont", a déclaré Steinhardt. D'autres forces ont des effets plus importants sur les particules, mais la gravité est le principal acteur dans l'arène des planètes, des étoiles et des galaxies. La description de la gravité par Isaac Newton fonctionne souvent dans ce domaine également, mais elle traite l'espace (et le temps) comme une toile de fond rigide et immuable sur laquelle mesurer les événements. Le travail d'Einstein a montré que l'espace lui-même pouvait s'étendre et se contracter, faisant passer l'univers de la scène à l'acteur et le faisant entrer dans la mêlée en tant qu'objet dynamique à étudier.
Au milieu des années 1920, l'astronome Edwin Hubble a fait des observations à partir du télescope Hooker de 100 pouces (254 centimètres) récemment construit à l'Observatoire du Mont Wilson en Californie. Il tentait de régler un débat sur l'emplacement de certains nuages dans l'espace que les astronomes pouvaient voir. Hubble a prouvé que ces "nébuleuses" n'étaient pas de petits nuages locaux mais plutôt de vastes amas d'étoiles lointaines similaires à notre propre voie lactée - "univers insulaires" dans le langage de l'époque. Aujourd'hui, nous les appelons des galaxies et savons qu'elles se comptent en milliers de milliards.
Les plus grands bouleversements dans la perspective cosmique étaient encore à venir. Le travail de Hubble à la fin des années 1920 a suggéré que les galaxies dans toutes les directions s'éloignaient de nous, déclenchant des décennies de nouveaux débats. Les mesures éventuelles du fond de micro-ondes cosmique (CMB) - lumière restée des premières années de l'univers et depuis étirée en micro-ondes - dans les années 1960 ont prouvé que la réalité correspondait à l'une des possibilités suggérées par la relativité générale: à partir petit et chaud, l'univers a est devenu plus grand et plus froid depuis. Le concept est devenu connu sous le nom de théorie du Big Bang, et il a secoué les cosmologistes parce qu'il impliquait que même l'univers pouvait avoir un début et une fin.
Mais au moins, ces astronomes pouvaient voir le mouvement des galaxies dans leurs télescopes. L'un des changements les plus sismiques de la cosmologie, a déclaré Farrar, est l'idée que la grande majorité des choses là-bas est faite d'autre chose, quelque chose de complètement invisible. Le matériau que nous pouvons voir ne représente guère plus qu'une erreur d'arrondi cosmique - seulement environ 5% de tout dans l'univers.
Le premier habitant des 95% restants de l'univers, ce que l'on a appelé le «secteur sombre», a fait son apparition dans les années 1970. À l'époque, l'astronome Vera Rubin s'est rendu compte que les galaxies tournoyaient si vite qu'elles devraient se séparer. Plus que de la matière difficile à voir, a déclaré Farrar, les éléments qui maintiennent les galaxies ensemble devaient être quelque chose de totalement inconnu des physiciens, quelque chose qui - à l'exception de sa force gravitationnelle - ignore complètement la matière ordinaire et la lumière. Une cartographie ultérieure a révélé que les galaxies que nous voyons ne sont que des noyaux au centre de sphères colossales de "matière noire". Les filaments de matière visible qui s'étendent à travers l'univers sont suspendus à un cadre sombre qui dépasse de 5 à 1 les particules visibles.
Le télescope spatial Hubble a ensuite découvert des signes d'une variété d'énergie inattendue - qui, selon les cosmologistes, représente maintenant les 70% restants de l'univers après avoir pris en compte la matière noire (25%) et la matière visible (5%) - dans les années 1990, quand il cadencé l'expansion de l'univers comme accélérant comme un train en fuite. «L'énergie sombre», peut-être un type d'énergie inhérente à l'espace lui-même, sépare l'univers plus rapidement que la gravité ne peut rapprocher le cosmos. Dans un billion d'années, tous les astronomes laissés dans la Voie lactée se retrouveront dans un véritable univers insulaire, enveloppé par les ténèbres.
"Nous sommes à un point de transition dans l'histoire de l'univers, où il est dominé par la matière et où il est dominé par une nouvelle forme d'énergie", a déclaré Steinhardt. "La matière noire a déterminé notre passé. L'énergie sombre déterminera notre avenir."
Cosmologie moderne et future
La cosmologie actuelle regroupe ces découvertes emblématiques dans son couronnement, le modèle Lambda-CDM. Parfois appelé modèle standard de la cosmologie, ce faisceau d'équations décrit l'univers à partir de sa première seconde environ. Le modèle suppose une certaine quantité d'énergie sombre (lambda, pour sa représentation en relativité générale) et de matière sombre froide (CDM) et fait des suppositions similaires sur la quantité de matière visible, la forme de l'univers et d'autres caractéristiques, toutes déterminées par des expériences et observations.
Jouez ce film sur l'univers de bébé 13,8 milliards d'années et les cosmologistes obtiennent un instantané qui "a statistiquement tout ce que nous pouvons mesurer jusqu'à un certain point", a déclaré Steinhardt. Ce modèle représente la cible à battre alors que les cosmologistes poussent leurs descriptions de l'univers plus profondément dans le passé et dans l'avenir.
Aussi réussi que Lambda-CDM a été, il a encore beaucoup de défauts qui doivent être résolus. Les cosmologistes obtiennent des résultats contradictoires lorsqu'ils tentent d'étudier l'expansion actuelle de l'univers, selon qu'ils la mesurent directement dans les galaxies voisines ou la déduisent du CMB. Ce modèle ne dit rien non plus sur la composition de la matière noire ou de l'énergie.
Ensuite, il y a cette première seconde gênante de l'existence, quand l'univers est vraisemblablement passé d'un point infinitésimal à une bulle relativement sage. "L'inflation" est une théorie populaire qui tente de gérer cette période, expliquant comment un bref moment d'expansion encore plus rapide a fait exploser de minuscules variations primordiales dans l'inégalité à grande échelle des galaxies d'aujourd'hui, ainsi que comment les entrées Lambda-CDM ont obtenu leurs valeurs .
Cependant, personne ne sait comment l'inflation a fonctionné en détail ni pourquoi elle s'est arrêtée là où elle a vraisemblablement fonctionné. Steinhardt a déclaré que l'inflation aurait dû se poursuivre dans de nombreuses régions de l'espace, ce qui implique que notre univers n'est qu'une tranche d'un "multivers" contenant toutes les réalités physiques possibles - une idée non testable que de nombreux expérimentateurs trouvent inquiétante.
Pour progresser sur des questions comme celles-ci, les cosmologistes recherchent des mesures de précision à partir de télescopes spatiaux comme le télescope spatial Hubble et le prochain télescope spatial James Webb, ainsi que des expériences dans le domaine émergent de l'astronomie des ondes gravitationnelles, comme la National Science Foundation. Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser. Les cosmologistes se joignent également aux physiciens des particules et aux astrophysiciens dans une course interdisciplinaire pour détecter les particules de matière noire.
Tout comme la cosmologie ne peut pas commencer avant que d'autres branches de la physique aient mûri, elle ne pourra pas finir de révéler l'histoire de l'univers tant que d'autres domaines ne seront pas plus complets. "Pour que l'histoire soit claire, vous devez essentiellement les lois de la physique à toutes les échelles d'énergie et dans toutes les conditions ", a déclaré Steinhardt. "Et un changement dans l'un de ceux-ci pourrait changer radicalement l'histoire cosmologique."
Farrar a déclaré qu'elle ne savait pas si cela se produirait mais s'émerveille que les gens aient autant compris la complexité de l'univers. "Il est étonnant que le cerveau humain ait évolué au point de pouvoir répondre à ces questions", a-t-elle déclaré. "Certains d'entre eux au moins."
Additionnel Ressources:
