Concordance des tests cosmologiques

Dans ce chapitre, j’ai pr´esent´e les diff´erents aspects de la cosmologie moderne. Avant de commencer l’´etude de l’univers de Dirac-Milne, il convient de r´esumer la situation actuelle. La communaut´e dispose d’un mod`ele qui, dans sa version la plus simple, fait intervenir de la mati`ere baryonique pour environ 4%, de la Mati`ere Noire non-baryonique et non-collisionnelle pour environ 21% et une ´Energie Noire pour environ 75% de la densit´e critique de l’Univers. Exprim´ee en pourcentage de la densit´e critique, la somme de ces contribution vaut 100%, ce qui semble impliquer que l’espace dans lequel nous ´evoluons est plat. L’Univers du mod`ele de Concordance est pass´e par une phase d’inflation, qui a eu pour effet d’assurer cette platitude et de g´en´erer les fluctuations de densit´e qui ont conduit aux structures gravitationnelles telles que nous les connaissons aujourd’hui.

Mˆeme si ce mod`ele n´ecessite l’introduction de plusieurs param`etres, il pr´esente l’avantage important de rendre compte de bon nombre d’observations astrophysiques ou cosmologiques, telles que les anisotropies de temp´erature du CMB, la nucl´eosynth`ese primordiale, l’´etude des amas de galaxies ou encore les mesures de distances des supernovæ de type Ia. Le mod`ele de Concordance peut ˆetre r´esum´e par quelques param`etres cosmologiques, que sont Ωb, Ωm, ΩΛ,

d´efinis `a la section (1.2.4), comme le rapport des densit´es d’´energie des diff´erents constituants `

a la densit´e critique. Notons qu’outre ces trois param`etres, d’autres param`etres sont ´egalement pr´esents dans la th´eorie, comme ns, l’indice du spectre de puissance des fluctuations r´esultantes

de l’inflation, σ8, la variance des fluctuations de mati`ere sur des ´echelles de 8 h−1 Mpc, ou encore

τ , la profondeur optique `a la r´eionisation. Tous ces param`etres sont ajust´es sur les observations. En particulier, les deux param`etres ΩM et ΩΛpeuvent ˆetre d´etermin´es `a partir des observations

No Big Bang 1 2 0 1 2 3

expands forever

recollapses eventually

Supernova Cosmology Project

Ω Ω_Λ

M

Figure _{1.10 – R´esum´e des contraintes impos´ees par trois tests cosmologiques sur les densit´es} de mati`ere et d’´Energie Noire. On remarque tr`es nettement la concordance de ces trois tests cosmologiques vers le point (ΩM, ΩΛ) ∼ (0.3, 0.7) . Figure tir´ee de [Knop et al. 2003].

1.6 Le mod`ele de Concordance 47

des SNe Ia, du CMB, ou des mesures de temp´erature du gaz dans les amas de galaxies. La figure (1.10) pr´esente les contraintes sur les deux param`etres qu’imposent ces trois ensembles d’observations. Cette figure illustre parfaitement la raison pour laquelle le mod`ele cosmologique aujourd’hui privil´egi´e s’appelle le mod`ele de Concordance.

Chapitre 2

Motivations pour un sc´enario

alternatif

2.1 Le mod`ele de Concordance et ses limites . . . 48 2.2 Antimati`ere et antigravit´e . . . 50 2.3 L’univers de Milne . . . 57 2.4 Un univers sym´etrique . . . 63 2.5 Conclusions sur les motivations et hypoth`eses . . . 66

Le chapitre pr´ec´edent a pr´esent´e les bases de la cosmologie moderne et a bri`evement d´ecrit le mod`ele couramment consid´er´e comme la meilleure description de notre Univers. Ce mod`ele, appel´e, parmi d’autre noms, “Mod`ele de Concordance” fait ´etat d’un Univers domin´e `a plus de 95% par deux composantes ´energ´etiques “myst´erieuses” qui n’ont, pour le moment, pas encore ´et´e d´etect´ees de mani`ere directe. L’origine de ces deux composantes est en r´ealit´e tr`es ancienne, puisque la probl´ematique de la Mati`ere Noire avait ´et´e soulev´ee d`es les ann´ees 1930, et que la constante cosmologique, qui constitue le sc´enario le plus simple d’´Energie Noire, ´etait introduite par Einstein dans ses ´equations pour contrer l’effet attractif de la gravitation et tenter de construire un Univers statique.

Nous avons ´egalement vu dans le chapitre pr´ec´edent la raison pour laquelle ce mod`ele stan- dard s’appelle mod`ele de Concordance. En effet, ce mod`ele fait intervenir plusieurs param`etres cosmologiques dont les valeurs sont contraintes et d´etermin´ees par diff´erents donn´ees observa- tionnelles. Un point remarquable en faveur de ce mod`ele est que ces tests cosmologiques, qui sont pour la plupart largement ind´ependants les uns des autres et qui font intervenir des domaines diff´erents de la Physique, semblent indiquer un mˆeme ensemble de valeurs pour les param`etres cosmologiques. C’est assur´ement l`a un grand succ`es de ce mod`ele, mais quelques points m´eritent toutefois d’ˆetre soulev´es. En particulier, cette description ne renseigne en rien sur la nature exacte de l’´Energie Noire et de la Mati`ere Noire, et pose des questions th´eoriques fondamentales auxquelles elle n’apporte pas de r´eponse.

`

A l’heure o`u l’enthousiasme initial qui suivit la mise en ´evidence en 1998 d’une possible 49

acc´el´eration de l’expansion de l’Univers commence `a retomber [White 2007, Sarkar 2008, Mar- tinez & Trimble 2009], il semble l´egitime de tenter d’autres approches au vaste probl`eme de la description qualitative et quantitative de notre Univers. Ainsi, dans ce chapitre, je pr´esenterai les diverses motivations qui nous ont conduit `a consid´erer l’univers de Dirac-Milne, un univers dans lequel la sym´etrie entre mati`ere et antimati`ere est restaur´ee, et qui fait de plus l’hypoth`ese que l’antimati`ere poss`ede une masse gravitationnelle active n´egative.

Dans un premier temps, je rappellerai les probl`emes soulev´es par le mod`ele de Concordance, puis exposerai quelques id´ees qui sont associ´ees `a la notion de masse n´egative. Pour finir, je d´etaillerai les hypoth`eses que nous seront amen´es `a faire pour mener `a bien l’´etude de cet univers alternatif.

2.1

Le mod`ele de Concordance et ses limites

Disons-le tout de suite, mon propos n’est pas de critiquer le mod`ele de Concordance. Ce mod`ele est une description de la r´ealit´e qui concorde bien avec la quasi-totalit´e des tests cosmo- logiques et donn´ees observationnelles dont on dispose. Cette description p`eche plus par sa nature que par un ´eventuel d´esaccord observationnel. En effet, gardons `a l’esprit que ce mod`ele pr´edit deux composantes qui repr´esentent `a elles deux plus de 95% du contenu de notre Univers. Cela signifie, que ce mod`ele qui explique parfaitement bien toutes les observations cosmologiques, n´ecessite d’introduire dans la th´eorie des ingr´edients ultra-majoritaires dont on ne sait finale- ment pas grand chose. C’est `a mon sens une premi`ere motivation pour ´etudier un autre mod`ele ou une autre description. Par ailleurs, l’´Energie Noire, dont la proportion est estim´ee `a envi- ron 70% du total ´energ´etique pose des probl`emes th´eoriques importants que je vais bri`evement d´ecrire maintenant.