pendant des milliers d’années, les humains ont regardé les étoiles et se sont demandé comment l’univers est devenu. Mais ce n’est que dans les années de la Première Guerre mondiale que les chercheurs ont développé les premiers instruments d’observation et outils théoriques pour transformer ces grandes questions en un champ d’étude précis: la cosmologie.,
« je pense à la cosmologie comme l’un des plus anciens sujets d’intérêt humain, mais comme l’une des sciences les plus récentes », a déclaré Paul Steinhardt, cosmologiste à L’Université de Princeton qui étudie si le temps a un début.
la cosmologie, en un mot, étudie le cosmos comme une seule entité, plutôt que d’analyser séparément les étoiles, les trous noirs et les galaxies qui le remplissent. Ce champ pose de grandes questions: D’où vient l’univers? Pourquoi a-t-il des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies? Ce qui va se passer ensuite?, « La cosmologie tente de faire une image à très grande échelle de la nature de l’univers », a déclaré Glennys Farrar, physicien des particules à L’Université de New York.
parce que cette discipline est aux prises avec de nombreux phénomènes, des particules dans le vide au tissu de l’espace et du temps, la cosmologie s’appuie fortement sur de nombreux domaines, y compris l’astronomie, l’astrophysique et, de plus en plus, la physique des particules.
« la cosmologie a des parties qui sont entièrement en physique, des parties qui sont entièrement en astrophysique et des parties qui vont et viennent », a déclaré Steinhardt. « Cela fait partie de l’excitation., »
Une histoire de l’histoire de l’univers
La nature interdisciplinaire du champ permet d’expliquer son relativement tardive. Notre image moderne de l’univers n’a commencé à se réunir que dans les années 1920, peu de temps après Qu’Albert Einstein a développé la théorie de la relativité générale, un cadre mathématique qui décrit la gravité comme une conséquence de la flexion de l’espace et du temps.
« Avant de comprendre la nature de la gravité, vous ne pouvez pas vraiment faire une théorie de pourquoi les choses sont comme elles sont, » Steinhardt dit., D’autres forces ont des effets plus importants sur les particules, mais la gravité est l’acteur majeur dans l’arène des planètes, des étoiles et des galaxies. La description de la gravité d’Isaac Newton fonctionne souvent dans ce domaine aussi, mais elle traite l’espace (et le temps) comme une toile de fond rigide et immuable sur laquelle mesurer les événements. Les travaux d’Einstein ont montré que l’espace lui-même pouvait s’étendre et se contracter, déplaçant l’univers de la scène à l’acteur et l’amenant dans la mêlée en tant qu’objet dynamique à étudier.,
Au milieu des années 1920, L’astronome Edwin Hubble a fait des observations à partir du télescope Hooker de 100 pouces (254 centimètres) récemment construit à L’Observatoire du Mont Wilson en Californie. Il tentait de régler un débat sur l’emplacement de certains nuages dans l’espace que les astronomes pouvaient voir. Hubble a prouvé que ces » nébuleuses « n’étaient pas de petits nuages locaux, mais plutôt de vastes amas d’étoiles lointaines similaires à notre propre voie lactée — des » univers insulaires » dans le langage de l’époque. Aujourd’hui, nous les appelons galaxies et savons qu’elles se comptent en milliers de milliards.,
Les plus grands bouleversements en perspective cosmique étaient encore à venir. Les travaux de Hubble à la fin des années 1920 ont suggéré que les galaxies dans toutes les directions s’éloignent de nous, déclenchant des décennies de débats supplémentaires. Les mesures éventuelles du fond cosmique des micro — ondes (CMB) — lumière laissée depuis les premières années de l’univers et étendue depuis aux micro-ondes-dans les années 1960 ont prouvé que la réalité correspondait à l’une des possibilités suggérées par la relativité générale: à partir de petit et chaud, l’univers est devenu plus grand et plus froid depuis., Le concept est devenu connu sous le nom de théorie du Big Bang, Et il a secoué les cosmologistes parce qu’il impliquait que même l’univers pourrait avoir un début et une fin.
Mais au moins ces astronomes pouvaient voir le mouvement des galaxies dans leurs télescopes., L’un des changements les plus sismiques de la cosmologie, a déclaré Farrar, est l’idée que la grande majorité des choses sont faites d’autre chose, de quelque chose de complètement invisible. Le matériau que nous pouvons voir ne représente guère plus qu’une erreur d’arrondi cosmique — seulement environ 5% de tout dans l’univers.
le premier habitant des 95% restants de l’univers, ce que l’on a appelé le « secteur sombre », a levé la tête dans les années 1970. à l’époque, L’astronome Vera Rubin s’est rendu compte que les galaxies tournaient si vite qu’elles devraient se séparer., Plus que de la matière difficile à voir, a déclaré Farrar, les choses qui maintenaient les galaxies ensemble devaient être quelque chose de totalement inconnu des physiciens, quelque chose qui-à l’exception de son attraction gravitationnelle-ignore complètement la matière et la lumière ordinaires. Une cartographie ultérieure a révélé que les galaxies que nous voyons sont simplement des noyaux au centre de sphères colossales de « matière noire ». Les filaments de matière visible qui s’étendent à travers l’univers sont suspendus à un cadre sombre qui l’emporte sur les particules visibles cinq à un.,
Le télescope spatial Hubble a ensuite découvert des signes d’une variété inattendue d’énergie — qui, selon les cosmologistes, représente maintenant les 70% restants de l’univers après avoir comptabilisé la matière noire (25%) et la matière visible (5%) — dans les années 1990, quand il a cadencé l’expansion de l’univers comme s’accélérant comme un train « L’énergie noire », peut-être un type d’énergie inhérente à l’espace lui-même, sépare l’univers plus rapidement que la gravité ne peut rassembler le cosmos., Dans un billion d’années, tous les astronomes restés dans la Voie lactée se retrouveront dans un véritable univers insulaire, Enveloppé par l’obscurité.
« Nous sommes à un point de transition dans l’histoire de l’univers, d’où il est dominé par de la matière à l’endroit où il est dominé par une nouvelle forme d’énergie, » Steinhardt dit. « La matière noire a déterminé notre passé. L’énergie noire déterminera notre avenir. »
cosmologie moderne et future
la cosmologie actuelle regroupe ces découvertes marquantes dans son couronnement, le modèle Lambda-CDM., Parfois appelé le modèle standard de la cosmologie, ce faisceau d’équations décrit l’univers à partir de sa première seconde environ. Le modèle suppose une certaine quantité d’énergie sombre (lambda, pour sa représentation en relativité générale) et de matière noire froide (CDM) et fait des suppositions similaires sur la quantité de matière visible, la forme de l’univers et d’autres caractéristiques, Toutes déterminées par des expériences et des observations.
jouer ce bébé-univers Film en avant 13.,8 milliards d’années, et les cosmologistes obtiennent un instantané qui « statistiquement a tout ce que nous pouvons mesurer jusqu’à un certain point », a déclaré Steinhardt. Ce modèle représente la cible à battre alors que les cosmologistes poussent leurs descriptions de l’univers plus profondément dans le passé et dans le futur.
aussi réussi que Lambda-CDM ait été, il a encore beaucoup de défauts qui doivent être résolus. Les cosmologistes obtiennent des résultats contradictoires lorsqu’ils essaient d’étudier l’expansion actuelle de l’univers, selon qu’ils la mesurent directement dans les galaxies voisines ou qu’ils la déduisent du CMB., Ce modèle ne dit rien non plus sur la composition de la matière noire ou de l’énergie.
ensuite, il y a cette première seconde d’existence gênante, lorsque l’univers est vraisemblablement passé d’une tache infinitésimale à une bulle relativiquement bien comportée. « L’Inflation » est une théorie populaire qui tente de gérer cette période, expliquant comment un bref moment d’expansion encore plus rapide a fait exploser de minuscules variations primordiales dans les inégalités à grande échelle des galaxies d’aujourd’hui, ainsi que comment les entrées Lambda-CDM ont obtenu leurs valeurs.,
personne ne sait cependant comment l’inflation a fonctionné en détail, ni pourquoi elle s’est arrêtée là où elle l’a probablement fait. Steinhardt a déclaré que l’inflation aurait dû se poursuivre dans de nombreuses régions de l’espace, ce qui implique que notre univers n’est qu’une tranche d’un « multivers » contenant toutes les réalités physiques possibles — une idée indétectable que de nombreux expérimentateurs trouvent inquiétante.,
pour progresser sur des questions comme celles-ci, les cosmologistes se tournent vers des mesures de précision à partir de télescopes spatiaux comme le télescope spatial Hubble et le futur télescope spatial James Webb, ainsi que vers des expériences dans le domaine émergent de l’astronomie des ondes gravitationnelles, comme L’Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre Laser de la Les cosmologistes se joignent également aux physiciens des particules et aux astrophysiciens dans une course interdisciplinaire pour détecter les particules de matière noire.,
tout comme la cosmologie ne pouvait pas commencer tant que d’autres branches de la physique n’avaient pas mûri, elle ne pourra pas finir de révéler l’histoire de l’univers tant que d’autres domaines ne seront pas plus complets. »Pour comprendre l’histoire, vous devez élaborer essentiellement toutes les lois de la physique à toutes les échelles d’énergie et à toutes les conditions », a déclaré Steinhardt. « Et un changement dans l’un de ces pourrait radicalement changer l’histoire cosmologique. »
Farrar a dit qu’elle ne sait pas si cela se produira mais s’émerveille que les gens aient saisi les complexités de l’univers autant qu’ils l’ont fait., « Il est étonnant que le cerveau humain ait évolué au point que ces questions puissent apparemment être répondues », a-t-elle déclaré. « Certains d’entre eux au moins. »