cosmologie

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Présentation

cosmologie, branche de l'astronomie qui étudie l'ensemble de l'Univers, sa structure et les lois qui régissent son évolution.

En particulier, la cosmogonie est l'ensemble des théories qui tentent d'expliquer la formation de l'Univers.

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Premières théories cosmologiques

Les premières théories cosmologiques apparaissent en Mésopotamie vers 4 000 av. J.-C. D'après ces théories, étroitement liées aux croyances religieuses de l’époque, la Terre est le centre de l'Univers et les autres astres se déplacent autour d'elle. Cette théorie est reprise par Aristote et par l'astronome grec Ptolémée qui soutiennent que le mouvement des étoiles dans le ciel résulte de leur fixation sur des sphères en rotation autour de la Terre.

Dès 270 av. J.-C. cependant, l'astronome grec Aristarque de Samos suppose que la Terre tourne autour du Soleil selon une orbite circulaire. Mais en raison de l'autorité d'Aristote, le système géocentrique plaçant la Terre au centre de l'Univers n’est pas remis en question à l’époque et ne le sera pas avant plusieurs siècles.

En effet, il faut attendre l’année 1543, date de parution de l'ouvrage de l'astronome polonais Nicolas Copernic, De revolutionibus orbium coelestium (Révolutions des sphères célestes), pour assister à la première révolution cosmologique : la révolution copernicienne. Dans son ouvrage, Copernic propose notamment un nouveau système, le système héliocentrique, dans lequel le Soleil est au centre de l'Univers, les planètes décrivant des orbites circulaires autour de lui.

Partisans du système héliocentrique, les astronomes Johannes Kepler et Galilée approfondissent le système copernicien et découvrent, au début du XVII^e siècle, que les planètes se déplacent sur des orbites non pas circulaires mais elliptiques et à des vitesses variables, selon trois lois empiriques appelées aujourd’hui lois de Kepler.

En 1687, dans son remarquable ouvrage Philosophiae naturalis principia mathematica (Principes mathématiques de la philosophie naturelle), le mathématicien et physicien anglais Isaac Newton justifie les lois de Kepler sur le mouvement des planètes, en montrant que ces lois peuvent être déduites des règles générales de la mécanique et de la gravitation. Newton montre ainsi que les lois de Kepler s'appliquent dans tout l'Univers.

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Structure de l’Univers

Les techniques actuelles d’observation de l’Univers (voir observatoire) et les moyens considérables investis dans l’exploration de l’espace ont permis d’obtenir des informations fondamentales sur la structure de l’Univers. De nos jours, il est établi que la Terre tourne autour du Soleil, notre étoile, ainsi que huit autres planètes et une grande quantité d’astéroïdes. Le diamètre du Système solaire est approximativement de 12 milliards de km, la Terre étant située à environ 150 millions de km du Soleil — distance définie comme étant l’unité astronomique de distance (UA). L’étoile la plus proche de notre Système solaire, Proxima du Centaure, est située à 4,23 années-lumière du Soleil (soit environ 266 490 UA, ou encore 40 000 milliards de km).

Les étoiles se regroupent en d’immenses ensembles : les galaxies. Une galaxie contient plusieurs dizaines voire centaines de milliards d’étoiles, et de la matière interstellaire sous forme de nuages de gaz ou de poussières. Notre galaxie, la Voie lactée, comporte environ 200 milliards d’étoiles et son disque visible s’étale sur environ 100 000 années-lumière ; le Soleil est situé à près de 28 000 années-lumière du centre de la Voie lactée.

Les galaxies forment des groupes locaux de quelques dizaines de galaxies qui s’organisent eux-mêmes en amas de plusieurs centaines ou milliers de galaxies. Notre Groupe local contient une vingtaine de galaxies, dont la galaxie d’Andromède (la plus grande avec environ 370 milliards d’étoiles) et les Nuages de Magellan, ensemble de petites galaxies de quelques dizaines de millions d’étoiles. Le milieu intragalactique est parsemé de gigantesques nuages de gaz : les nébuleuses. Les amas de galaxies se regroupent en superamas qui peuvent s’étendre sur plus de 200 millions d’années-lumière. Il semblerait que les superamas dans l’Univers soient répartis sous la forme d’un réseau de filaments et de plans de matière, formant une sorte de toile d’araignée cosmique, une structure similaire à une éponge (ou de la mousse).

Des systèmes extragalactiques très petits mais extrêmement lumineux ont été observés à grande distance : les quasars (acronyme de Quasi Stellar Astronomical Radiosource : source radioastronomique quasi stellaire). Leur lumière ayant mis plusieurs milliards d'années à atteindre la Terre, ils sont donc les témoins d'un lointain passé. Ils indiquent qu'il y a quelques milliards d'années, l'Univers était très différent de ce qu'il est aujourd'hui.

Par ailleurs, les astrophysiciens ont découvert des zones dans l’Univers qui semblent être dépourvues de galaxies, comme le Trou du Bouvier, repéré dans la constellation du Bouvier , qui aurait un diamètre de 300 millions d’années-lumière.

Dans notre environnement proche (jusqu’à quelques dizaines de millions d’années-lumière), tout ce qui est observable est relativement représentatif de l’état actuel de l’Univers. Plus on s’éloigne, plus l’Univers observé est « jeune » ; des événements violents s’y déroulent (collisions de galaxies, naissances massives d’étoiles, de quasars, etc.).

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Évolution de l’Univers

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Modèle de l'Univers statique

En 1917, Albert Einstein propose un modèle de l'Univers fondé sur sa nouvelle théorie de la relativité. Il considère le temps comme une quatrième dimension et montre que la gravitation est en réalité une force fictive provoquée par la courbure de l'espace-temps. Persuadé que l’Univers ne peut être que statique, Einstein suppose alors l'existence d'une force de répulsion entre les galaxies qui contrebalancerait la force d'attraction gravitationnelle. Il introduit une « constante cosmologique » dans ses équations — dont le rôle est de s’opposer à l’attraction gravitationnelle — qui conduisent alors à un Univers statique. Il confiera plus tard que sa théorie cosmologique a été la plus grande erreur de sa vie. Les observations les plus récentes donnent en fait raison à Einstein en ce qui concerne l’existence d’une constante cosmologique, mais pas d’un Univers statique, qui est définitivement exclu depuis l’observation de l’expansion de l’Univers par Edwin Hubble en 1929.