Cosmologie expérimentale
L'évolution de l'univers est entièrement décrite par l'équation déterministe de la Relativité Générale d'Einstein.
Dans le cadre de hypothèse d'un univers homogène et isotrope, cette équation prédit simplement l'évolution du facteur d'échelle a(t) en fonction du temps t comme illustré dans la figure ci-dessous.
Cette figure illustre que l'univers qui a évolué depuis un temps initial que l'on appelle le Big Bang, il y a quelques dizaine de milliards d'années, est encore de nos jours en expansion.
Les différentes courbes de a(t) correspondent à différentes valeurs possibles d'un nombre restreint de paramètres cosmologiques libres dont la théorie identifie la contribution mais ne précise pas leur valeur.
L'objectif de la cosmologie expérimentale consiste à mesurer différents points de données (symbolisées par les points noirs sur la figure ci-dessys), pour contraindre les trajectoires de a(t) et de remonter ainsi aux valeurs des principaux paramètres cosmologiques.
Plus on on remonte en arrière dans le temps, plus on est capable de discerner précisément la trajectoire d'évolution de a(t).
Pour obtenir de tels points de mesure, il faut identifier soits objets astrophysiques distants, soit des caractéristiques physiques, emportées dans le flot de Hubble, correspondant à des quantités physiques mesurables appelées sondes cosmologiques et qui permettent d'inférer à la fois a(t) et t ou d'autres grandeurs qui leur sont reliées.
Fluctuations de densités et formations de grandes structures
Heureusement que le contenu de l'univers de ne résume pas à un fluide parfait transporté dans le flux de Hubble de l'expansion universelle.
Un mécanisme d'inflation a généré juste après le big-bang des fluctuations infimes de densités à différentes échelles, que l'évolution de l'univers a amplifié sous la forme de surdensités de matière jusqu'à former des galaxies, des quasars et des amas de galaxies.
L'étude de l'évolution de ces fluctuations imprimés dans la distribution de masse dans l'univers au cours des ages permet de mesurer les paramètres cosmologiques.
La figure ci-dessous illustre les fluctuations de densité de la matière en fonction de l'échelle de distance considérée au cours de l'évolution de l'univers.
De droite à gauche nous avons la formation du fond diffus cosmologique mesurés dans des satellites tels que Planck, la formation de structures de matière de plus en plus compactes et denses tels que les clusters, les galaxies.
Le groupe GREEN à IJCLab s’intéresse particulièrement à l'étude des fluctuations de densité auxquels donnent accès les grands relevés profond de galaxies tels que LSST, produit par l'observatoire Vera C Rubin.
Décalage vers le rouge (redshifts)
En pratique le facteur d'échelle se mesure conceptuellement de façon simple. Il suffit de mesurer le décalage vers le rouge du spectre des objets (galaxies, quasar,..) portés par le flot de Hubble de l'expansion de l'univers.
a=1/(1+z)
Sondes cosmologiques
Le temps t n'est pas mesurable directement car il n'existe pas d’horloge universelle accessible à l'observateur. En revanche, pour des signaux portés par de la lumière, la quantité t est reliée à des grandeurs mesurables dénommées distances cosmologiques de ces sondes cosmologiques par l’intermédiaire des paramètres cosmologiques.
La figure illustre les différentes sondes cosmologiques permettant d'étudier les fluctuations de densité et de remonter au paramètres cosmologiques.
- Les l'étude du flux des Supernovae distribuées dans les galaxies a permis de démontrer que l'expansion de l'univers est actuellement en phase d'accélération.
- La première observation de ces fluctuations de densité a été révélée par la mesure du fond diffus cosmologique par WMAP puis Planck.
- Les autres sondes cosmologiques correspondent à la distribution dans l'univers des galaxies, des amas et les différents phénomèmes (forts ou faibles) de lentillage gravitationnels.