BIG BANG

Questions en suspens

Notre cosmologie est donc, depuis 1965, celle des modèles de big bang. Mathématiquement, ils correspondent aux équations énoncées par Friedmann et Lemaître dans les années 1920. Mais il en existe en fait toute une famille. Après que l'adéquation de l'idée de big bang a été confirmée, la tâche des cosmologistes a essentiellement consisté à reconnaître quelle est la bonne version, au sein de cette famille, pour décrire notre Univers.

L'expansion de l'Univers est caractérisée par l'augmentation cohérente de toutes les grandeurs cosmiques avec le temps, selon une loi très simple : elle s'accomplit proportionnellement à une sorte d'étalon de longueur que l'on nomme le facteur d'échelle (parfois qualifié de « rayon de l'Univers ») R(t). Un modèle particulier se caractérise par la manière dont ce facteur R varie avec le temps t. L'intensité de cette variation aujourd'hui constitue le taux (présent) de l'expansion cosmique, qui se confond avec la constante de Hubble H₀. Après de longues controverses, les astronomes pensent aujourd'hui l'avoir estimée avec une précision de l'ordre de 10 p. 100.

Reste à voir comment ce taux varie lui-même avec le temps, autrement dit comment l'expansion accélère ou décélère. Ce qui est exprimé par un second paramètre, q₀, le paramètre de décélération. Aujourd'hui, les astronomes ont estimé sa valeur à — 0,55, le signe moins exprimant le fait que l'expansion s'accélère. Ce résultat reste à confirmer, mais, si c'est le cas, il constitue l'un des problèmes les plus troublants des modèles de big bang : il ne les remet pas en cause, mais il contraint à trouver une cause à cette accélération. Or la théorie de la relativité générale sur laquelle se fonde notre cosmologie énonce que les caractéristiques de l'Univers, et notamment sa dynamique, sont déterminées par son contenu. Problème : l'influence de la matière et de l'énergie que nous connaissons conduit toujours à une décélération. En effet, la gravité attractive tend à freiner l'expansion. Il faut donc imaginer autre chose pour comprendre l'accélération. Cet autre chose, ce pourrait bien être la constante cosmologique introduite par Einstein dès 1917, et dont Lemaître était un fervent partisan. Mais le statut de cette constante reste un sujet de controverses. D'autres chercheurs estiment qu'il faudrait plutôt imaginer une substance nouvelle (par exemple ce que certains voudraient appeler « énergie du vide », ou encore « énergie sombre »), dont la seule fonction serait d'accélérer l'expansion de l'Univers. Mais rien dans la physique actuelle ne correspond à une telle « quintessence ». Jusqu'à nouvel ordre, le problème reste ouvert (cf. Les Avatars du vide).

Autre problème en suspens, celui qui concerne la géométrie de l'espace. En effet, il est possible de spécifier, au sein de l'espace-temps, la géométrie de l'espace (ce qui n'est pas toujours possible en relativité générale) : l'espace à 3 dimensions réside « dans » l'espace-temps à 4 dimensions, comme une surface à 2 dimensions réside « dans » notre espace à 3 dimensions. Il devient alors légitime de parler de la géométrie de l'espace. Celle-ci se caractérise par une courbure (spatiale) C (et une topologie particulière : cf. L'Univers chiffonné).

La détermination de la courbure de l'espace constitue la seconde tâche des cosmologistes. D'après des observations récentes très précises du fond diffus cosmologique – réalisées notamment par WMAP –, la courbure de l'espace semble très faible. Certains extrapolent en déclarant qu'elle est nulle et que nous vivons dans un « Univers plat », c'est-à-dire de courbure nulle. Ce langage est trompeur[...]