Explorer la cosmologie

Depuis quelques décennies, un déluge de données astronomiques a donné aux cosmologistes une image étonnamment simple de l’univers. Pourtant, il y a encore d’importants fossés entre ce que nous voyons et ce que nous savons, et il en résulte toute une série de questions pour les cosmologistes d’aujourd’hui.

La théorie de la relativité générale d’Einstein (notre théorie moderne de la gravitation) nous enseigne que l’espace-temps peut être incurvé de toutes sortes de manières étranges. Mais nous observons que notre univers, dans sa prime jeunesse, était remarquablement simple : presque parfaitement plat, homogène (ayant les mêmes propriétés peu importe le lieu) et isotrope (ayant les mêmes propriétés dans toutes les directions).

L’univers était plein de minuscules ondulations de densité, qui ont grandi avec le temps pour former le réseau complexe d’étoiles, de galaxies et d’amas galactiques qui nous entourent aujourd’hui. Mais une fois de plus, dans l’univers primitif, ces ondulations semblent avoir été extrêmement simples (caractérisées, sur le plan technique, par une adiabaticité et une gaussianité presque parfaites, de même que par un spectre pur du type lois de puissance). Pourquoi l’univers a-t-il commencé dans un état aussi simple? Pourquoi a-t-il commencé dans cet état particulier?

La théorie d’Einstein semble en outre prédire que, si nous pouvions remonter encore plus loin dans le temps, nous observerions une « singularité » (communément appelée le Big Bang) où la température et la densité d’énergie du cosmos deviennent infinies. Mais la théorie d’Einstein est classique et n’est plus digne de confiance au voisinage d’une telle singularité. Cela laisse les cosmologistes aux prises avec des questions obsédantes : Y a-t-il réellement eu une telle singularité dans le passé? Si oui, l’univers a-t-il commencé à ce moment-là, et comment? Sinon, quelle est la description mathématique correcte de l’univers dans un passé aussi lointain?

Une autre question que se posent les cosmologistes modernes est de savoir comment l’univers a évolué de son état initial simple au cosmos plus complexe que nous voyons aujourd’hui. Les observations effectuées ont conduit à un modèle simple, appelé Lambda CDM (Cold Dark Matter – Matière sombre froide) qui, mis à part quelques exceptions possibles qui font l’objet de débats, arrive à expliquer les données disponibles, mais seulement au prix de l’introduction de 2 nouvelles substances mystérieuses — la matière sombre et l’énergie sombre.

Nous savons très peu de chose sur ces substances, et jusqu’à maintenant nous n’avons réussi qu’à les détecter par leurs effets gravitationnels à l’échelle cosmologique. Nous ne savons pas encore ce que sont ces substances, ni quelles relations elles ont avec la « matière ordinaire » qui compose les étoiles, les planètes et les êtes humains. La matière sombre et l’énergie sombre pourraient-elles constituer une indication que la théorie de la gravitation d’Einstein — qui fonctionne si bien à l’échelle des systèmes solaires — doive être remplacée par une meilleure théorie pour décrire avec exactitude l’univers à l’échelle cosmologique?

Le groupe de cosmologie de l’Institut Périmètre cherche à élaborer des idées théoriques et des modèles mathématiques pour répondre à ces questions, ainsi qu’à mettre au point de nouvelles manières de soumettre ces idées à l’épreuve de l’observation et de l’expérimentation. La cosmologie moderne est inondée de données astronomiques de grande qualité. Une part importante des recherches menées à l’Institut Périmètre en cosmologie vise à inventer des manières astucieuses d’analyser ces données, afin de tester des théories mathématiques, de repousser les limites de nos connaissances et, espère-t-on, de découvrir des phénomènes inattendus qui attendent d’être révélés par la bonne question et la bonne analyse.