Cosmologie : Des fondements théoriques aux observations

Ils érigèrent ainsi le premier pilier observationnel sur lequel tout modèle cosmologique doit s'appuyer. Une remarquable prédiction du modèle de Big Bang chaud était l'existence d'un rayonnement micro-onde fossile (le " Cos­ mie Microwave Background" ou CMB), relique de la période du découplage de la lumière et de la matière quand l'univers avait environ trois cent mille ans. Aussi, quand Penzias et Wilson annoncèrent en 1965 la détection de ce rayonnement fossile, notre compréhension de l'évolution cosmique de l'Univers s'appuya définitivement sur des modèles d'évolution purement thermique.

Pendant les quinze années qui suivirent, les astronomes s'employèrent à mesurer le plus exactement possible la vitesse d'expansion de l'Univers. Les nouvelles déterminations de la constante de Hubble furent d'ailleurs l'objet d'une belle controverse. L'existence des courbes de rotation plates pour les galaxies spirales, puis la détection avec les caméras CCD des premières images gravitationnelles de galaxies très lointaines au centre des amas de galaxies, confirmèrent d'une façon spectaculaire la présence d'une grande quantité de matière noire de nature inconnue. Le bilan de matière dans l'Univers commençait à se préciser mais ne permettait que difficilement d'atteindre la densité critique d'un modèle Einstein-de Sitter. À la même époque les physiciens des particules, à la suite de Guth, introduisirent et développèrent progressivement le concept d'inflation. Ce concept permettait d'engendrer un Univers plat et pouvait justifier l'existence d'une constante cosmologique. En parallèle, certaines observations astronomiques fournissaient les prémisses d'un modèle dit de concordance, incluant une matière noire froide et faisant intervenir une constante cosmologique non nulle conduisant à un Univers plat. Ce scénario avait aussi l'avantage de donner à l'Univers un âge compatible avec celui des étoiles les plus vieilles.

Les années 1990 furent marquées par plusieurs observations spectaculaires. D'abord en 1998 celle de la luminosité des supernovae mit en évidence l'accélération de l'expansion de l'Univers dans les derniers milliards d'années. Puis les premières mesures de l'astigmatisme cosmique (le " Cosmic Shear ") en 2000, suivies de celles des fluctuations de température du CMB en 2004 observées par le satellite WMAP, conduisirent à un modèle cosmologique remarquablement proche du modèle de concordance. En particulier les résultats sur le CMB permirent de développer des modèles de l'évolution dynamique de l'Univers comportant un nombre accru de paramètres physiques pouvant être reliés aux observations. Ainsi, avec les études conjointes des supernovae, des lentilles gravitationnelles et du CMB, nous sommes entrés de plain-pied dans l'ère de la cosmologie de précision. Il est maintenant possible de mesurer des paramètres cosmologiques fondamentaux comme l'indice et l'amplitude du spectre de fluctuations initiales de densité au moment de la période de recombinaison, l'abondance des diverses composantes de masse-énergie, l'évolution de leur équation d'état ou l'effet de la période de ré-ionisation de l'Uni­ vers.

La période actuelle est particulièrement excitante pour les cosmologues. Les premières interprétations de ces nouvelles données semblent apporter aux théoriciens toujours plus d'énigmes de physique fondamentale, telles que l'origine de l'asymétrie matière/anti-matière dans l'Univers, la nature de la matière noire et maintenant l'existence quasi avérée d'une énergie noire responsable de l'accélération de l'Univers. Celle-ci ne correspond peut-être qu'à une constante cosmologique pure, mais elle pourrait aussi se révéler d'une nature dynamique tout autre; on ne pourrait alors en rendre compte qu'en élargissant les théories physiques actuelles. Des bouleversements de la physique qui décrit la nature la plus profonde de l'Univers et de son espace-temps seront probablement nécessaires pour surmonter les questionnements introduits par le modèle cosmologique. Toutefois, avant de s'aventurer sur ces futures voies de recherche, il importe de bien avoir assimilé l'ensemble des acquis de la discipline et de bien maîtriser les outils d'interprétation des observations. Le présent ouvrage réussit, remarquablement me semble-t-il, la performance de dresser un panorama complet de la cosmologie observationnelle actuelle et de fournir les outils théoriques rigoureux pour son interprétation.

L'ouvrage décrit de manière complète l'origine et l'évolution des grandes structures de l'Univers telles qu'on peut les comprendre dans le cadre de la physique actuelle. Il s'articule en particulier autour de la description des conditions initiales les plus plausibles que l'on peut adopter actuellement, compte tenu des données observationnelles et de nos connaissances théoriques. Dans cette construction, la période de recombinaison constitue un temps de référence privilégié pour qui s'intéresse à l'observation des grandes structures de l'Univers. Cette époque est en effet directement observable au travers des anisotropies de température du CMB et porte encore la signature de la physique de l'Univers primordial, tout en servant de condition initiale à l'émergence des grandes structures de l'Univers telles qu'on peut les observer par ailleurs. Une grande importance est donc donnée dans cet ouvrage aux études du CMB, qui bénéficieront bientôt d'un apport de données nouvelles avec le lancement prochain du satellite européen PLANCK. Une large partie de l'ouvrage est ensuite consacrée à l'étude des instabilités gravitationnelles et à l'émergence des grandes structures de l'Univers. C'est l'occasion pour l'auteur de mettre en place tous les outils d'analyse statistique portant sur les corrélations et les spectres de puissance d'un champ. La maîtrise de ces méthodes est indispensable à l'interprétation de la distribution des galaxies, à celle du CMB ou des cartes de cisaillement gravitationnel des images des galaxies du fond de l'Univers.

Ce sujet, peu développé dans les ouvrages de cosmologie antérieurs, est d'autant plus important que l'astigmatisme cosmique aux petites et aux grandes échelles fournit une description particulièrement élégante de la croissance des condensations de masse, reliées de façon cruciale à la fois à la densité moyenne de l'Univers et à l'amplitude des fluctuations de densité. Le couplage de cette nouvelle méthode d'optique gravitationnelle avec les analyses des supernovae et du CMB sera incontournable pour construire des modèles cosmologiques. Celui qui s'imposera dans le futur devra inévitablement, comme pour la nucléosynthèse primordiale, s'appuyer sur ces trois nouveaux piliers de la cosmologie observationnelle. Ceux-ci sont présentés ici avec une extrême rigueur. Ils font maintenant partie intégrante du bagage que tout cosmologue se doit de posséder.

Ce livre s'adresse en priorité à des étudiants en fin de maîtrise ou à des chercheurs confirmés, mais il a aussi naturellement sa place dans le fonds d'ouvrages indispensable à tout physicien abordant un travail de recherche en cosmologie. Il pourra également être consulté par tout public éclairé curieux des grandes questions de la cosmologie moderne. Je pense qu'il est de nature à susciter des vocations de chercheur pour un des domaines de l'astrophysique probablement le plus fascinant de tous. Il était important qu'un tel livre soit écrit et je me réjouis que ce travail ait été mené à bien par un spécialiste mondialement reconnu.