Principes cosmologiques

La cosmologie ne peut s'envisager qu'en faisant des hypothèses simplificatrices que l'on appelle des « principes cosmologiques ». Sans cet artifice, il faudrait connaître, notamment, les vitesses et les positions de toutes les particules de l'Univers pour établir un modèle cosmologique, ce qui est, pour le moment, hors de portée de la science.

On distingue actuellement quatre grands principes :

1. Le principe cosmologique d'homogénéité et d'isotropie ;
2. Le principe cosmologique parfait (ou d'équivalence temporelle) ;
3. Le principe cosmologique global ;
4. Le principe cosmologique de l'Univers fractal.

Principe cosmologique d'homogénéité et d'isotropie

Le principe cosmologique d'Einstein est le principe en vertu duquel l'Univers est homogène et isotrope à grande échelle.

L'éponyme du principe est Albert Einstein (1879-1955) qui l'a proposé en 1917 avec la constante cosmologique.

Le principe cosmologique d'homogénéité et d'isotropie est, dans les années 2020, l'hypothèse généralement considérée comme vérifiée selon laquelle l'Univers est spatialement homogène, c'est-à-dire que son apparence générale ne dépend pas de la position de l'observateur. Il a pour conséquence que l'Homme n'occupe pas de position privilégiée dans l'Univers, en opposition avec la théorie géocentrique et en accord avec le principe copernicien. En pratique, le principe cosmologique présuppose aussi que l'Univers est isotrope, c'est-à-dire que son aspect ne dépend pas de la direction dans laquelle on l'observe (par exemple son taux d'expansion ne dépend pas de la direction).

Le principe cosmologique a été implicitement formulé par Albert Einstein en 1917 alors qu'il cherchait des solutions aux équations de la relativité générale décrivant l'Univers dans son ensemble. Ces équations étant extrêmement complexes, elles n'admettent en général pas de solutions simples. Il reste cependant possible de les résoudre si l'on suppose que l'espace possède un nombre suffisant de symétries, comme dans le cas du principe cosmologique. Il a ensuite été formulé de façon plus explicite par Edward Milne au début des années 1930.

Le principe cosmologique n'était pas, à l'époque où il a été introduit par Einstein, étayé par des observations robustes car aucun objet situé en dehors de la Voie lactée n'avait été identifié comme tel. Il a été conforté par les observations à mesure que celles-ci ont permis de vérifier que l'Univers observable était effectivement homogène et isotrope sur des distances de plus en plus grandes (dans les années 2020, plusieurs dizaines de milliards d'années-lumière pour l'ensemble de l'Univers observable).

Tout modèle cosmologique prétendant décrire l'Univers doit reposer sur le principe cosmologique, ou en tout cas expliquer pourquoi l'Univers observable le respecte. Dans les années 2020, le principe cosmologique est un des trois principes sur lesquels sont basés les modèles standards de la cosmologie relativiste. Les deux autres sont l'hypothèse de Weyl et la relativité générale.

Conséquences

Le principe cosmologique est bien vérifié par les observations. La preuve la plus évidente en ce sens est l'isotropie quasi parfaite du fond diffus cosmologique. En revanche, il n'est pas évident a priori que l'Univers respecte le principe cosmologique : si l'Univers n'était pas parfaitement homogène et isotrope dans le passé, l'effet de la gravité aurait eu tendance à amplifier les inhomogénéités déjà existantes par un mécanisme connu sous le nom d'instabilité de Jeans. La justification du principe cosmologique s'est ainsi heurtée pendant longtemps à la nécessité d'imaginer un état initialement suffisamment homogène pour l'Univers primordial, hypothèse généralement considérée comme peu cosmétique et non justifiée ; c'est le problème de l'horizon. Tout modèle cosmologique sérieux se doit d'apporter une explication au problème de l'horizon, en général en proposant un processus physique expliquant comment l'Univers, ou en tout cas la partie accessible à nos observations, a pu passer d'un état initialement désordonné à un état homogène et isotrope. L'inflation cosmique a été le premier modèle à proposer une telle explication réaliste, qui demeure à ce jour la plus convaincante.

Remise en cause récente

Les découvertes en janvier 2013 du groupe de quasars Huge-LQG, puis en 2016 du Grand Mur d'Hercule-Couronne boréale (Her-CrB GW) pourraient remettre en cause l'hypothèse de travail qu'est le principe cosmologique.

Principe cosmologique parfait

Forts du succès du principe cosmologique d'homogénéité et d'isotropie, des chercheurs comme Fred Hoyle, Thomas Gold et Hermann Bondi ont proposé à la fin des années 1950 une version plus forte du principe cosmologique, le principe cosmologique parfait, dans lequel l'Univers est identique à lui-même non seulement par translation dans l'espace, mais aussi par translation dans le temps. L'Univers étant par ailleurs en expansion, le moyen de concilier ces deux hypothèses est de supposer un processus de création continue de matière pour compenser la dilution due à l'expansion : c'est la théorie de l'état stationnaire. Ce modèle, un temps en concurrence avec celui du Big Bang (ce dernier reposant sur le principe cosmologique d'homogénéité et d'isotropie), a été abandonné depuis plusieurs décennies en raison de son incapacité à rendre compte de l'ensemble des observations cosmologiques et en particulier de l'existence du fond diffus cosmologique.

Principe cosmologique global

Ce troisième principe exige que, non seulement l'Univers reste identique à lui-même par translation dans l'espace et dans le temps, mais aussi que la géométrie de l'espace-temps, y compris la distance moyenne entre deux galaxies restent globalement constante. Il surpasse donc le principe cosmologique parfait. Il est utilisé par C. Johan Masreliez pour le « modèle du cosmos à expansion d'échelle » ou E.S.T. pour Expanding spacetime theory ou encore S.E.C. acronyme de Scale Expanding Cosmos en anglais.

Principe cosmologique de l'Univers fractal

La preuve que l'Univers est homogène s'avère relativement difficile à établir, car les observations ne permettent de sonder avec précision que l'Univers proche. L'observation de régions plus éloignées révèle des objets célestes parfois différents, puisque les biais observationnels (voir biais de Malmquist) révèlent préférentiellement des objets plus rares et plus lumineux que ceux de l'Univers proche. Quelques rares chercheurs ont de ce fait été amenés à proposer des modèles cosmologiques fondés sur une répartition inhomogène de la matière, parfois suivant une loi fractale. De tels modèles ont été proposés par l'astronome franco-américain Gérard de Vaucouleurs au début des années 1970, mais abandonnés depuis. Dans ce contexte, le principe cosmologique énonce qu'un observateur est en moyenne situé à une certaine distance d'une surdensité de taille donnée, une distance plus grande d'une surdensité plus grande, et ainsi de suite^[pas clair].

Voir aussi

Bibliographie

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  • Albert Einstein, « Considérations cosmologiques sur la théorie de la relativité générale », dans Albert Einstein, Œuvres choisies, vol. 3 : Relativités, t. II : Relativité générale, cosmologie et théories unitaires, Paris, Seuil et CNRS, coll. « Sources du savoir », novembre 1993, 1^re éd., 250 p., 18 × 22,5 cm (ISBN 2-02-010180-7 et 2-271-05136-3, EAN 9782020101806, OCLC 489648428, BNF 35611355, SUDOC 003052826), p. 88-98.
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• [Peeble 2022] James Peebles (trad. de l'anglais par Pierre Fleury, Julien Larena et Cyril Pitrou), Cosmologie moderne : origine, nature et évolution de l'Univers : épopée de l'infiniment grand [« Cosmology's century : an inside history of our modern understanding of the Universe »], Malakoff, Dunod, hors coll., septembre 2022, 1^re éd., XIV-385 p., 17,6 × 25,5 cm (ISBN 978-2-10-082994-1, EAN 9782100829941, OCLC 1346254168, BNF 47122391, SUDOC 264437608, présentation en ligne, lire en ligne).

Articles connexes

• Problème de l'horizon