Cosmologie

De quoi est fait l’univers ? Comment a-t-il commencé ? Prendra-t-il fin un jour ?

Au cours des dernières décennies, les physiciens ont apporté des réponses spectaculaires à ces questions cosmologiques ancestrales. Ils explorent également de nouvelles énigmes, notamment la nature de la matière noire et de l’énergie noire, l’histoire de la singularité du big bang, ainsi que la forme et la structure de l’espace-temps lui-même.

Ces dernières décennies, un flot de données astronomiques a conduit les cosmologistes à une représentation étonnamment simple de l’univers. Pourtant, d’importants écarts subsistent entre ce que nous observons et ce que nous savons, ouvrant ainsi de nombreuses questions pour les cosmologistes modernes.

D’après la théorie de la relativité générale d’Einstein – notre théorie moderne de la gravitation – nous savons que l’espace-temps peut être courbé de multiples façons étranges. Pourtant, nous observons que notre propre univers, à ses débuts, était remarquablement simple : presque parfaitement plat, homogène (identique en tout point) et isotrope (identique dans toutes les directions).

L’univers était rempli de minuscules ondulations de densité, qui ont grandi avec le temps pour former l’intricate toile d’étoiles, de galaxies et d’amas qui nous entoure aujourd’hui. Cependant, à ses débuts, ces ondulations semblaient être extrêmement simples (caractérisées techniquement par une adiabaticité quasi parfaite, une gaussianité et un spectre de puissance pure). Pourquoi l’univers primitif a-t-il commencé dans un état si simple ? Pourquoi cet état en particulier ?

La théorie d’Einstein semble également prédire que si nous remontions encore plus loin dans le passé, nous rencontrerions une « singularité » (communément appelée le big bang), où la température et la densité énergétique de l’univers deviennent infinies. Toutefois, la théorie d’Einstein est classique et ne peut être considérée comme fiable à proximité d’une telle singularité. Cela soulève des questions persistantes pour les cosmologistes : avons-nous réellement une telle singularité dans notre passé ? Si oui, l’univers a-t-il commencé à ce moment-là, et comment ? Si non, quelle est la description mathématique correcte de l’univers à ces époques reculées ?

Une autre question qui se pose aux cosmologistes modernes est de comprendre comment l’univers est passé de son état initial simple à la complexité que nous observons aujourd’hui. Les observations ont conduit à un modèle simple — le modèle dit « LambdaCDM » — qui, à quelques exceptions près encore controversées, rend bien compte des données disponibles, mais au prix de l’introduction de deux nouvelles substances mystérieuses : la matière noire et l’énergie noire.

Nous savons très peu de choses sur ces substances, et jusqu’à présent, nous avons pu les détecter uniquement par leurs effets gravitationnels à l’échelle cosmologique. Nous ne savons pas encore de quoi elles sont faites, ni comment elles se rapportent à la matière « ordinaire » qui compose les étoiles, les planètes et les êtres vivants. La matière noire et l’énergie noire pourraient-elles indiquer que la théorie de la gravitation d’Einstein – si efficace à l’échelle du système solaire – doit être remplacée par une meilleure théorie pour décrire correctement l’univers à grande échelle ?

Le groupe de cosmologie de l’Institut Périmètre travaille au développement de nouvelles idées théoriques et de modèles mathématiques visant à répondre à ces différentes questions, ainsi qu’à la mise au point de nouvelles méthodes pour tester ces idées par des observations et des expériences. La cosmologie moderne regorge de données astronomiques de haute qualité, et un volet important de la recherche en cosmologie à l’Institut Périmètre consiste à concevoir de nouvelles façons d’analyser ces ensembles de données pour tester nos théories mathématiques, repousser les limites de notre ignorance et, espérons-le, découvrir de nouveaux phénomènes inattendus, dissimulés et prêts à être révélés par la bonne question et la bonne analyse.