Les modèles d’univers connaissent une avancée considérable avec la nouvelle théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, qui publie un premier article en 1917. Ein- stein révise plusieurs principes de la physique classique : il démontre que le continuum espace-temps n’existe pas sans son contenu et que la distribution de matière et d’éner- gie influe sur l’espace-temps en lui imposant une courbure. La gravitation devient alors une conséquence de la courbure de l’espace-temps. Cette théorie s’impose rapidement et modifie la vision de l’univers de cette époque. La première image était celle de Platon dans la Timée : celle d’un monde clos, statique. Ensuite, avec la mécanique newtonienne, cette vision d’un univers statique dans lequel toutes les parties sont soumises aux mêmes lois se renforce. C’est l’élaboration de la relativité générale par Einstein qui change cette vision. Dans un premier temps, Einstein refuse d’abandonner l’idée d’un univers statique et élabore un nouveau modèle en introduisant la constante cosmologique, préservant la propriété statique de l’univers. Dix ans plus tard, des observations démontrent l’expan- sion de l’univers et, c’est l’émergence d’une nouvelle théorie, appelée par dérision Big Bang par Fred Hoyle, qui finit par s’imposer grâce à des modélisations mathématiques et physiques et aux observations qui viendront la confirmer.
Deux hommes, un abbé catholique, physicien belge, mathématicien, Georges Lemaître en 1929 et un météorologiste, mathématicien, russe, Alexandre Friedmann, en 1922, dé- couvrent, indépendamment, les solutions cosmologiques des équations de la gravitation d’Einstein décrivant l’expansion de l’univers. Ils proposent la solution d’espace dyna- mique qui se dilaterait et se contracterait au cours du temps, et dans lequel l’expansion serait présente en tout point en un mouvement détectable. Lemaître avance l’idée d’un état primordial où l’univers a du naître d’un état initial condensé, l’atome primitif : le modèle du Big Bang. Cette hypothèse va soulever de nombreuses polémiques.
Dans cette section, nous allons expliquer l’émergence du modèle du Big Bang avec la mesure de l’expansion de l’univers par Hubble jusqu’aux observations actuelles.
1.2.1 Récession des galaxies et homogénéité de l’univers
La mesure du décalage spectral vers le rouge par l’effet Doppler des raies d’émission des galaxies permet de mettre en évidence l’expansion de l’univers. Le décalage spectral des raies d’un spectre connu de longueur d’onde λi, observé à la longueur d’onde λ0, est
défini par le paramètre z (redshift)
z = λ0− λi λi
1.2 Les contributeurs de la cosmologie moderne
L’expression générale de l’effet Doppler est donnée par λ0 = λi r
1+v/c
1−v/c, où v est la
vitesse de récession radiale et c la vitesse de la lumière.
Au premier ordre en v/c, nous obtenons λ0 ≃ λi(1 + v/c), soit
z ≃ v/c. (1.2.2)
Les mesures de distance sont difficiles à effectuer. Les distances les plus petites sont mesurées par parallaxe1. Pour des distances plus importantes, il est nécessaire de calibrer avec une étoile brillante : céphéide. Les céphéides sont des étoiles variables dont la relation période-luminosité est connue. A partir de la luminosité apparente Lapp, la luminosité
absolue Labs peut être déterminée par Labs= 4πd2Lapp. Les distances d’objets de même
type peuvent être ainsi déterminées par la mesure de leur luminosité apparente.
Au début du 20e siècle, Vesto Melvin Slipher et son équipe observent que la plupart des galaxies semblent s’éloigner de la Voie Lactée et les unes des autres à l’exception de la galaxie d’Andromède.
En 1929, Hubble mesure que la vitesse de récession apparente d’une galaxie v est proportionnelle à la distance d qui la sépare de l’observateur par
v = Hd, (1.2.3)
avec H le paramètre de Hubble qui dépend du temps.
Ce paramètre représente l’expansion de l’univers. La valeur actuelle du paramètre de Hubble est la constante de Hubble H(t0) = H0. Selon la relation 1.2.3, plus une galaxie
est éloignée, plus sa vitesse apparente est élevée. La distance d des galaxies est mesurée indépendamment par la corrélation entre leur vitesse de rotation et leur luminosité.
La figure 1.2.1 représente le diagramme de la vitesse de récession des nébuleuses en fonction de leur distance mesurée par Hubble. L’échelle à cette époque était incorrecte : les galaxies semblaient s’éloigner dix fois plus vite les unes des autres par rapport aux mesures actuelles. Hubble mesure H0 = 500 km.s−1.Mpc−1 avec 18 galaxies.
En 1932, Einstein et un astronome hollandais Willem de Sitter, développent un modèle d’univers en expansion avec une géométrie semblable à celle d’un espace euclidien plat. Les modèles d’univers courbes de Friedmann-Lemaître et d’univers plat d’Einstein-de Sitter constituent la base de la théorie du Big Bang.
Ce n’est que dans les années 40, que le parallèle entre les travaux de Lemaître, Fried- mann et Hubble eut lieu. Gamow, Alpher et Herman développent un modèle pour ex- pliquer la formation des noyaux dans un univers en expansion, utilisant les avancées de la physique nucléaire et les observations de l’éloignement des galaxies réalisées par Hubble. Ils avancent l’idée que tous les éléments de l’univers se sont formés au cours de l’histoire thermique de l’univers : la nucléosynthèse primordiale [9]. Une des prédictions de ce modèle est l’existence d’un rayonnement de fond cosmologique de corps noir à 5 K. Cependant, il est impossible de former des noyaux de poids atomique important avec des protons et des neutrons. Ces noyaux ne peuvent se former que par nucléosynthèse stellaire comme le démontrent par la suite, Burbidge, Hoyle et Fowler [37]. Peebles, Wa- goner, Hoyle et Fowler [200, 146] expliquent la répartition des abondances observées en masse soit 75% d’H et 25% d’4He mais aussi des petites quantités d’2H, 3He, 7Li.
1. Le parallaxe est l’angle entre deux directions de visée d’un astre observé depuis deux points diffé- rents.
Figure 1.2.1: Diagramme de Hubble des vitesses de récession des nébuleuses extra- galactiques en fonction de leur distance [96]. La pente de la droite déter- mine le paramètre de Hubble.