• L’univers lointain n’est pas identique à l’univers proche ; dans le passé, on trouvait davantage de galaxies spirales, de quasars, etc…

• Loi de Hubble : le décalage vers le rouge des spectres des galaxies est d’autant plus important que celles-ci sont lointaines.
• Ce décalage spectral est en général interprété comme la conséquence d’une vitesse radiale d’éloignement croissante et l’ensemble du phénomène comme une expansion de l’espac
• Cette expansion implique un refroidissement. Si l’on remonte le temps, l’univers était donc plus petit et plus chaud dans le passé.

• Cette composition (75% H, 24 % ⁴He, 1 % D, ³He, ⁷Li) varie peu en fonction de la direction d’observation et de l’âge des structures observées, alors que la métallicité varie énormément.
• Cette uniformité implique que cette composition est due à un phénomène global.

Ce rayonnement est celui d’un corps noir parfait à 2.736 +- 0.01 °K. Il est uniforme et isotrope à 10^-5 près.

• Ceci implique l’existence d’une phase chaude (3000 °K) dans le passé.
• On vérifie par ailleurs que la température de ce rayonnement était supérieure dans le passé.

Il repose

• Sur la Relativité Générale, l’hypothèse cosmologique d’uniformité et d’isotropie de l’univers et les modèles mathématiques de Robertson, Walker, Friedmann, Lemaître,
• Sur la Mécanique Quantique et la physique des particules .
• Celle ci a été validée en laboratoire jusqu'à une énergie de l’ordre de 100 GeV et une température de l’ordre de 10¹⁵ °K
• Elle est hypothétique au delà.

Enfin la théorie unissant la Relativité Générale et la Physique Quantique, indispensable pour comprendre les premiers instants de l’univers, n’existe pas.

t = 0 Peut-on parler d’une origine ?

t = 10^-43 s Temps de Planck

t = 10^-35 s Différenciation de l’interaction forte – Inflation

t = 10^-12 s Différenciation de l’interaction faible

t = 300000 ans ......Découplage du rayonnement et de la matière

• On ne sait pas. La physique de cette période –la gravitation quantique- n’est pas connue.
• Par convention, on fixe l’origine à l’instant théorique où la singularité apparaît dans les modèles ( R(0) = 0, température et densité infinies).
• Si une telle origine existe, c’est là que se crée l’espace – temps – masse/énergie de la Relativité Générale.

• L’univers existe
• Le découplage de la force de gravitation a eu lieu (si toutefois l’unification des 4 forces est une réalité). Ce découplage a alors donné lieu à un rayonnement cosmologique d’ondes gravitationnelles.
• Les autres interactions (fortes et électrofaibles) restent unifiées.

• Création (et destruction) continuelle de paires de particules et d’antiparticules. La matière et l’antimatière sont également représentées.

• Les interactions forte et électrofaible deviennent distinctes. Le changement de phase est retardé par un phénomène de surfusion
• Un peu plus de matière apparaît : 10⁹ + 1 particules pour 10⁹ antiparticules.

• La brisure de symétrie aurait dû s’accompagner de la création de nombreux monopôles magnétiques et, peut-être d’autres défauts topologiques (cordes cosmiques, murs..). Ou sont-ils ?

Pendant cette période, l’univers se dilate et ses dimensions sont multipliées par un facteur très important (10⁵⁰ ), par ‘’libération de l’énergie du vide’’

Cette inflation a le mérite d’expliquer

• L’uniformité du rayonnement cosmologique à 2.7 °K, au delà du rayon de causalité, c’est à dire de la distance parcourue par la lumière depuis l’origine
• Les légères inhomogénéités de ce rayonnement dues à l’amplification des fluctuations du vide
• La faible courbure observée de l’univers
• L’absence de rotation de l’univers : la conservation du moment cinétique impose un très fort ralentissement de toute rotation avec l’inflation
• La forte dilution des monopoles magnétiques dans un univers très dilaté.

• Les interactions faible et électromagnétique se différencient
• Le changement de phase est également accompagné d’une surfusion et d’une autre inflation, beaucoup plus réduite que la précédente.
• Les différentes particules et antiparticules (quarks, électrons, neutrinos et bosons) acquièrent une masse (dans le champ de Higgs)

• L’univers continue à se refroidir et les quarks peuvent se rassembler par interaction forte sans être immédiatement détruits : c’est la transition quarks/hadrons.
• Agrégation des quarks par 2 : formation de pions et antipions.
• Agrégation de quarks par 3 : formation de proton, neutrons et des antiparticules.

• Les photons n’ont plus assez d’énergie pour créer des paires protons/antiprotons et neutrons/antineutrons.
• Les particules et antiparticules s’annihilent, mis à part un léger reliquat de matière (1/10⁹)
• L’univers est alors peuplé de photons, d’électrons et de neutrinos, des antiparticules correspondantes, et de quelques protons et neutrons résiduels.

Les photons n’ont plus assez d’énergie pour créer de paires électrons/positons

• Les électrons et positons s’annihilent, mis à part un léger excès de matière (1/10⁹)
• Les neutrinos électroniques qui interagissaient avec les nucléons se découplent (un rayonnement cosmologique de neutrinos doit exister, mais il est indétectable actuellement)
• Il reste alors : 1 nucléon pour 3 10⁹ photons, 1 électron pour 1 proton et quelques neutrons

L’énergie des photons est devenue insuffisante pour rompre les noyaux légers et un certain nombre de réactions se déclenchent

 ¹H = 1 p ²H = D = 1p+1n ³H = T = 1p+2n ³He = 2p+1n, ⁴He = 2p+2n

• 4He est peu détruit, car il n’existe pas d’élément stable avec 5 nucléons. La chute de la température gèle la composition obtenue, en particulier pour le deutérium.
• La densité de l’univers est de l’ordre de celle de l’eau.
• Si l’on compare les calculs et les observations, il existe une zone de compatibilité, pour une densité de 2 à 3 10^-31 g/cm3.
• 

• Le deutérium : on mesure actuellement D/H = 1.6 10^-5
• On estime l’abondance relative de la nébuleuse primitive du système solaire à D/H = 2.6 +-1 10^-5
• Ceci n’est pas incohérent, mais l’abondance assez variable du deutérium alimente les discussion
• L’Hélium : on observe une masse variant entre 23 et 30 % de la masse totale, suivant le niveau d’enrichissement stellaire.
• 
• Nombre de familles de neutrinos : plus la variété des particules est grande et plus la densité de matière est importante et plus il est formé d’hélium. Les observations limitent ainsi à N<5 le nombre de familles de neutrinos. Des expériences menées au CERN ont montré, ensuite, que N = 3.

• Densité nucléotique : l’abondance d’⁴He dépend de la densité initiale de matière. En normant avec la densité critique, on arrive à une contrainte du genre 0.01 < W _b h² < 0.04 (avec h = H₀/100 )
• Si W = 1, il manque pas mal de choses !

• Les électrons libres ( la matière est ionisée ) cessent d’interagir avec les photons. L’équilibre matière/rayonnement est rompu . Les noyaux et les électrons forment les atomes (la (re)combinaison).
• L’univers devient transparent et les photons peuvent se disperser : c’est le découplage et l’émission du rayonnement thermique du corps noir cosmologique.
• L’univers est alors dominé par la matière

Les inhomogénéités engendrent des regroupements gravitationnels qui vont donner naissance aux premières structures. Mais :

• Le temps semble manquer

• Par quel processus ? Fragmentation de grandes structures ou regroupement de petites structures ?
• La matière noire interagit peu avec la matière, sauf de manière gravitationnelle. Il se peut donc qu’elle se soit découplée plus tôt , sous une forme plus ou mois chaude, et qu’elle ait donc participé à la formation des structures de matière normale.

Le modèle est en construction

C’est bien normal compte tenu de notre méconnaissance :

• de 90 % de la matière,
• de notre incompréhension du phénomène énergie du vide/constante cosmologique,
• la physique des très très haute températures.

Il a le mérite de donner une vision à peu près cohérente compte tenu de nos connaissances actuelles.

Claude Picard