Cosmologie primordiale

dimanche 29 avril 2012
par  Jacques

N°73- COSMOLOGIE PRIMORDIALE.
P.Peter/J.P.Uzan
Belin (collection Echelles) - 09/05 - 783 pages - Pour spécialistes avertis.

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RÉSUMÉ : Ouvrage ambitieux et très détaillé sur les développements théoriques dans le domaine de la recherche en cosmologie scientifique primordiale et sur ses applications dans les modèles actuels, ainsi que sur différentes extensions des théories standard.

MOTS CLÉ : tenseurs, groupes, symétries, rayonnement, topologie, fluctuations, inflation, transition de phase, champs scalaires….

Les AUTEURS : Patrick Peter : directeur de recherche (CNRS) et à l’IAP (spécialiste en topologie). Jean Philippe Uzan : chercheur en physique théorique (CNRS) et à l’IAP.

Énorme ouvrage de référence, pour étudiant en cours de spécialisation et chercheurs soucieux de garder le cap, faisant une large place aux nombreux calculs théoriques.

Impossible de rentrer dans les détails des 3 grandes parties constituants l’ouvrage.

La première pose les bases théoriques (métrique, groupe, tenseur, courbure…) et leurs domaines d’application sur lesquels reposent les modèles de la cosmologie moderne : la relativité générale (ch.1) et la physique des particules (ch.2).

La seconde partie expose le modèle cosmologique standard. L’aspect mathématique est d’abord évoqué (ch.3) avec les solutions des équations d’Einstein (incorporé une équation), sa composante physique est développée (ch.4) avec la loi de Hubble, les abondances des atomes légers et le fond micro-onde conduisant, à partir d’un univers homogène et isotrope, au modèle standard du big-bang chaud. Conséquence d’amplifications gravitationnelles de fluctuations de densité d’un fluide sans pression, l’étude des grandes structures conduit à évoquer (ch.5) la théorie des perturbations (invariantes de jauges) dont les solutions dans certains régimes font l’objet de discussions. Les prédictions à partir d’un modèle donné, sur le fond diffus cosmologique FDC (ch.6) et sur la matière noire, par le biais des lentilles gravitationnelles (ch.7), permettent ce retour fondamental à l’observation expérimentale. Le « paradigme inflationnaire », (existence, avant l’ère du rayonnement, d’une phase d’expansion accélérée par un champ scalaire), pivot central et indispensable de la théorie, permet de décrire les propriétés des modèles du big-bang chaud (ch.8) en accord avec les connaissances actualisées (homogénéité et platitude de l’Univers).

La troisième aborde l’ensemble des extensions de ce modèle standard, celles qui tendent à décrire toutes les interactions non-gravitationnelles sur le même cadre, tant sur le plan des théories que celui des modèles cosmologiques. Les théories de grande unification (ch.9), et l’unification des constantes (une seule constante de couplage liée à un groupe de jauge simple), apportent des éléments de compréhension sur l’origine de la matière ordinaire (baryogénèse électrofaible) et sur l’origine de l’asymétrie observée entre particules en antiparticules. Les extensions théoriques (ch.10) de la relativité générale font intervenir des théories tenseur-scalaire avec le graviton comme intervenant scalaire, ou des théories de haute énergie comme les théories des cordes (5 en tout) comprises comme les approximations d’une théorie plus générale (théorie M). La théorie quantique des champs en espace-temps courbe, puis la supersymétrie et supergravité interprétées comme extension de la physique quantique et de la physique des particules (qui ne décrit que la matière ordinaire) avec pour ingrédients ces champs scalaires (libres ou en auto-interaction) si précieux pour construire les modèles inflationnaires riches de cette matière noire froide. Les défauts topologiques issus de transitions de phase et de brisures de symétries dans l’univers primordial, permettent un retour (ch.11) sur les effets des cordes et des hypothétiques monopôles. La construction de ces modèles inflationnaires remet au premier plan (ch.12) le rôle joué par la constante cosmologique et l’énergie sombre et donc sur l’origine de l’accélération de l’expansion de l’univers, ainsi que sur la phénoménologie de les théories des cordes (ch.13).

Le lecteur persévérant trouvera aussi en annexe des informations complémentaires sur les constantes, quelques fonctions mathématiques spéciales (Bessel, Legendre, Euler, Fourier), sur quelques quantités cosmologiques utiles (métrique, tenseurs, perturbations de courbure, champs scalaires), et une impressionnante bibliographie sur chaque chapitre traité.

Ce menu ambitieux témoigne du rôle très actif joué par la cosmologie évoluant de concert avec les récentes découvertes observationnelles sur l’anisotropie du rayonnement de fond diffus, de la présence de matière noire froide et de la découverte de l’accélération du taux d’expansion auxquels sont associés les nouveaux concepts d’inflation et d’énergie sombre. Elle n’en garde pas moins un caractère particulier dans la mesure où elle porte sur l’univers dans son ensemble, qui est en principe unique et qui intègre nécessairement l’observateur que nous sommes. Il s’agissait dans un premier temps (1924) de proposer des modèles d’univers construits sur la notion d’expansion. Le modèle standard du big-bang (1948) se devait de décrire l’histoire thermique de cet univers primordial sous-tendant la formation des noyaux légers et du fond cosmologique résiduel (65). A partir des années 80, les nouvelles technologies (CCD- Gros télescopes et satellites, modélisations) assurent des analyses observationnelles (COBE-92/WAP-03) de plus en plus précises permettant d’affiner les propriétés des modèles. « La plupart des observations ne peuvent pas être interprétées en dehors du modèle standard », inspiré dans sa partie primordiale par les théories de hautes énergies. Il s’agit de trouver les mécanismes capables de décrire les phases initiales conduisant aux grandes structures et au contenu matière-énergie observés, mais aussi de faire des prédictions observationnelles indispensables à la conduite de toute démarche scientifique digne de ce nom.

« En retour, la cosmologie observationnelle permet de mesurer les paramètres de ces modèles et d’inférer dans le meilleur des cas des contraintes sur les théories initiales ».

Va et vient indispensable et constructif entre, tenter de reproduire les observation, et utiliser les observations pour apporter les contraintes aux théories nécessairement hors du champ des laboratoires terrestres. Depuis que les équations de la gravitation de 1915 lui ont offert un cadre théorique cohérent « la cosmologie est entrée dans une ère de précision » où le rôle du langage des mathématique les plus modernes s’impose comme l’outil le plus efficace, tant dans le domaine de la description que dans celui des extensions et des prédictions. Évidemment les théories des cordes ont actuellement le vent en poupe même si leur domaine d’application concerne les très hautes énergies. Mais pourquoi ne pas avoir évoqué brièvement, dans son principe tout au moins, la voie de recherche suivie par Alain Connes, où la géométrie de nouvelles dimensions non continues de l’espace-temps, avec leur propriété de non commutativité, permet de retrouver les paramètres du modèle standard ? Évidemment cela n’enlève rien à la grande qualité du travail (783 pages, sans une seule image ou photo accompagnant le texte !) présenté par les auteurs dans cet ouvrage dont personne ne doute qu’il est déjà une « référence sur le sujet ».

Aucune contrainte n’est imposée sur les conditions à se replonger dans l’ouvrage autant de fois que nécessaire à la découverte des nombreuses subtilités cachées dans certaines équations ou dans quelque commentaire !

Jacques Cazenove



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