Cosmologie observationnelle

Champ profond de Hubble

Champ profond de Hubble Sud

Les champs profonds du télescope spatial Hubble, dévoilés en janvier 1996 et en novembre 1998, font partie des exemples les plus connus de cosmologie observationnelle[1]. Ils permettent, notamment, d'étudier la formation et l'évolution des galaxies et d'estimer le nombre de ces dernières dans l'univers observable.

La cosmologie observationnelle est une sous-branche de l'astrophysique qui étudie la cosmologie à l'aide d'observations. Elle vise à mesurer les grandeurs physiques liées aux paramètres cosmologiques.

Bien que ses origines remontent aux premières observations du cosmos, la cosmologie observationnelle devient un domaine scientifique spécifique à partir des années 1920. Elle a pour principaux objets d'analyse les frontières observationnelles de l'Univers, de l'infiniment petit jusqu'à l'infiniment grand, ainsi que la structure et la dynamique de ce dernier.

Avec le temps, la cosmologie observationnelle a permis de sélectionner les modèles cosmologiques les plus pertinents et de peaufiner ces derniers pour développer le modèle standard de la cosmologie. De nos jours, le modèle ΛCDM est celui qui s'accorde le mieux avec les résultats de la cosmologie observationnelle.

Histoire

Bien qu'il y a eu de tout temps des observations du cosmos, l'expression « cosmologie observationnelle » commence à être utilisée systématiquement à la fin des années 1920, au moment où Edwin Hubble communique ses découvertes sur la taille, la structure et la dynamique de l'Univers[2],[3]. Effectués entre 1923 et 1934, les travaux de Hubble repoussent les frontières du cosmos, alors plus ou moins limitées à notre galaxie, en confirmant l'existence d'autres galaxies[4]. Les observations de l'astronome américain mettent également en évidence un décalage vers le rouge de la plupart des galaxies, décalage proportionnel à leur distance, ce qui mène à la découverte de l'expansion de l'Univers[4]. Enfin, au milieu des années 1930, Hubble montre que la répartition des galaxies est homogène et isotrope[4], amenant l'une des premières preuves observationnelles du principe cosmologique[5]. La plupart des modèles cosmologiques seront par la suite basés sur des métriques de type Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW)[6].

Découverte du fond diffus cosmologique

Une autre avancée majeure en cosmologie observationnelle survient une trentaine d'années plus tard, en 1965, alors qu'Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson, chercheurs aux laboratoires Bell, découvrent accidentellement le fond diffus cosmologique (cosmic microwave background, CMB), un rayonnement électromagnétique micro-onde provenant de toutes les directions du ciel. Ce rayonnement est prévu par la théorie du Big Bang depuis la fin des années 1940 et sa découverte convainc la communauté scientifique d'adopter ce modèle cosmologique[7].

Variation des constantes de couplage des quatre interactions fondamentales de la physique en fonction de l'énergie. Jusqu'ici, seule la transition électro-faible (${\displaystyle \alpha _{W}}$ et ${\displaystyle \alpha _{em}}$) a été observée.

Au cours de la décennie suivante, des chercheurs observent pour la première fois l'effet Sunyaev-Zel'dovich, permettant de mieux détecter les amas de galaxies[8], ainsi que l'unification électrofaible, qui apporte un soutien expérimental à l'idée d'unification des forces à hautes énergies et que, selon le modèle du Big Bang, l'Univers serait passé par différentes ères marquées par le découplage des interactions fondamentales.

Au tout début des années 1980, l'observation de courbes de rotation des galaxies amène les chercheurs à envisager des modèles cosmologiques possédant de la matière noire[9]. Ils établissent ainsi, notamment, des modèles de matière noire chaude (hot dark matter, HDM), tiède et froide (cold dark matter, CDM). En 1992, l'observation de fluctuations du CMB par COBE amène à favoriser les modèles CDM plutôt que HDM[10]. Au cours de la décennie, plusieurs modèles impliquant de la matière noire froide sont étudiés, dont SCDM, LCDM et OCDM[11],[12].

Champs profonds de Hubble

« Selon moi, les champs profonds de Hubble font partie des images ayant eu jusqu'ici le plus grand impact sur la cosmologie observationnelle. Ces images impressionnantes nous plongent au cœur des profondeurs de l'espace et du temps. Elles ont permis aux astronomes d'apercevoir les premières étapes de la formation des galaxies, il y a plus de 10 milliards d'années. Elles sont l'un des héritages les plus précieux du télescope spatial Hubble[trad 1]. »

— Stefano Cristiani (en), The Hubble Deep Fields[1]

• Champs profonds
• Filaments galactiques
• Bulles de vide

Découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers

À la fin de la décennie, des expériences sur les supernovas réalisées par deux équipes internationales, le Supernova Cosmology Project, mené par Saul Perlmutter[13], et la High-Z supernovae search team, menée par Adam Riess[14] confirment que l'expansion de l'Univers s'accélère. Cette constatation amène à favoriser le modèle cosmologique ΛCDM par rapport au SCDM. À partir de 2003, les observations réalisées par WMAP ainsi que celles des relevés des grandes structures de l'Univers établissent le modèle ΛCDM comme étant le meilleur modèle cosmologique[10],[15].

Objets de recherche

La cosmologie observationnelle a pour principaux objets d'analyse les frontières observationnelles de l'Univers ainsi que la structure et la dynamique de ce dernier. Elle s'étend ainsi de l'infiniment petit, avec l'étude des particules élémentaires, jusqu'à l'infiniment grand avec le fond diffus cosmologique. Elle intègre également le recensement et la répartition de la matière dans l'Univers, la dimension de ce dernier et son expansion.

Espace

• Expansion de l'Univers
  • Accélération de l'expansion de l'Univers
• Vide#Physique
  • Énergie du vide

Fonds diffus cosmologique

Augmentation de la précision de l'observation du Fond diffus cosmologique depuis 1965.

• Limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin

Structures

« Selon moi, les champs profonds de Hubble font partie des images ayant eu jusqu'ici le plus grand impact sur la cosmologie observationnelle. Ces images impressionnantes nous plongent au cœur des profondeurs de l'espace et du temps. Elles ont permis aux astronomes d'apercevoir les premières étapes de la formation des galaxies, il y a plus de 10 milliards d'années. Elles sont l'un des héritages les plus précieux du télescope spatial Hubble[trad 2]. »

— Stefano Cristiani (en), The Hubble Deep Fields[1]

• Champs profonds
• Filaments galactiques
• Bulles de vide

Matière et énergie

• Matière
  • Matière baryonique
  • Matière noire
  • Matière exotique
• Énergie
  • Énergie sombre

Types d'instruments

• observatoire astronomique
• observatoire de neutrinos
• détecteurs de rayons cosmiques.
• Large Synoptic Survey Telescope[16].
• SPICA[17].
• Planck[18],[19]

Équipes de recherche en cosmologie observationnelle

• L'équipe Cosmologie Observationnelle de l'Institut de physique nucléaire de Lyon[20]
• Le Centre de Physique des Particules de Marseille[21]

Notes et références

1. (en) « In my view the Hubble Deep Fields are some of the images that have made the greatest impact on observational cosmology so far. These impressive dips into the depths of space and time have allowed astronomers to glimpse the first steps of galaxy formation more than 10 billion years ago and are without doubt some of the great legacies of the Hubble Space Telescope. »
2. (en) « In my view the Hubble Deep Fields are some of the images that have made the greatest impact on observational cosmology so far. These impressive dips into the depths of space and time have allowed astronomers to glimpse the first steps of galaxy formation more than 10 billion years ago and are without doubt some of the great legacies of the Hubble Space Telescope. »

1. (en) « The Hubble Deep Fields », sur spacetelescope.org (consulté le 25 mars 2015).
2. Sandage 1968.
3. van den Bergh 2011.
4. Sandage 1968, p. 92
5. (en) Joseph Silk, Une brève histoire de l'univers, Odile Jacob, 7 novembre 2003, 264 p. (ISBN 978-2-7381-1173-9, lire en ligne), p. 44
6. Hamilton 2014, p. 70.
7. Séguin et Villeneuve 2002, p. 381.
8. « PLANCK HFI - L'effet SZ » (consulté le 7 avril 2015).
9. Hamilton 2014, p. 77.
10. (en) Joel Primack, « A Brief History of Dark Matter », sur eso.org, Observatoire européen austral (consulté le 28 avril 2015), p. 31
11. (en) J. Retzlaff, S. Borgani, S. Gottloeber, A. Klypin et V. Mueller, « Constraining cosmological models with cluster power spectra », arXiv.org,‎ 9 octobre 1998 (résumé, lire en ligne)
12. (en) Y. P. Jing, H. J. Mo, G. Boerner et L. Z. Fang, « Substructures of Clusters and Cosmological Models », arXiv.org,‎ 11 novembre 1994 (résumé, lire en ligne)
13. Saul Perlmutter et al., Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae, The Astrophysical Journal, 517, 565-586 (1999), astro-ph/9812133 Voir en ligne.
14. Adam G. Riess et al., Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant, The Astronomical Journal, 116, 1009-1038 (1998), astro-ph/9805201 Voir en ligne
15. Hamilton 2014, p. 84.
16. Alexia Gorecki, Cosmologie observationnelle avec le Large synoptic Survey Telescope. Élaboration du banc d'étalonnage dela caméra et simulation d'oscillations acoustiques de baryons, Université de Grenoble, 186 p. (lire en ligne)
17. Ayoub Bounab, Lecture bolométrique à haute sensibilité pour la cosmologie observationnelle et l'exploration de l'univers lointain, 14 octobre 2014 (présentation en ligne)
18. Lilian Sanselme, Cosmologie observationnelle avec le satellite Planck : étude d'effets systématiques de l'instrument HFI et de l'ionisation de l'univers, Université de Grenoble, 20 septembre 2013, 190 p. (lire en ligne)
19. Damien Girard, Cosmologie observationnelle avec le satellite Planck : extraction du signal astrophysique des données brutes de l'instrument HFI et étude de l'effet du rayonnement cosmique, Université de Grenoble, 15 avril 2013, 164 p. (lire en ligne)
20. « Cosmologie Observationnelle », sur ipnl.in2p3.fr, Institut de physique nucléaire de Lyon (consulté le 5 mars 2015).
21. Centre de Physique des Particules de Marseille

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) J.-Ch. Hamilton, « What have we learned from observational cosmology? », Studies in History and Philosopy of Modern Physics, vol. 46,‎ 2014, p. 70-85 (lire en ligne)
• (en) Malcolm Longair, « The Frontiers of Observational Cosmology and the Confrontation with Theory », Journal of Physics: Conference Series, vol. 314,‎ 2011, p. 1-10 (lire en ligne)
• (en) Georges Meylan et Carol Maury, « Cosmologie Observationnelle », LASTRO, École Polytechnique de Lausanne, 19 décembre 2011 (dernière mise à jour) (consulté le 5 mars 2015)
• (en) Jeremiah P. Ostriker et Tarun Souradeep, « The current status of observational cosmology », PRAMANA journal of physics, Indian Academy of Sciences, vol. 63, n^o 4,‎ octobre 2004, p. 817-828 (lire en ligne)
• (en) Patrick Peter, « Fundamental physics in observational cosmology », arXiv.org,‎ 22 septembre 2010 (résumé, lire en ligne)
• (en) Allan Sandage, The Hubble Deep Field, M. Livio, S. M. Fall et P. Madau, Space Telescope Science Institute, Cambridge University Press, 1998, 303 p. (présentation en ligne, lire en ligne), « Beginnings of observational cosmology in Hubble's time: Historical overview »
• (en) Allan Sandage, « Observational Cosmology », The Observatory, vol. 88,‎ juin 1968, p. 91-106 (résumé, lire en ligne)
• (en) R. H. Sanders, « Observational Cosmology », arXiv.org, California Institute of Technology,‎ 3 février 2004 (résumé, lire en ligne)
• Marc Séguin et Benoît Villeneuve, Astronomie et astrophysique, Éditions du Renouveau Pédagogique, 2002, 2^e éd., 618 p. (ISBN 978-2-7613-1184-7, présentation en ligne). 
• (en) Sidney van den Bergh, « Hubble and Shapley - Two Early Giants of Observational Cosmology », arXiv.org,‎ 11 octobre 2011, p. 1-4 (résumé, lire en ligne)