Formation des structures - Définition

Plasma primordial

La fin de l'inflation s'appelle le réchauffement, lorsque les particules de l'inflation se désintègrent en un plasma thermique chaud d'autres particules. A cette époque, le contenu énergétique de l'Univers se présente entièrement sous forme de rayonnement, avec les particules du modèle standard affectées de vitesses relativistes (proches de la vitesse de la lumière). On pense que, le plasma se refroidissant, la baryogenèse et la leptogenèse se produisent, en même temps que le plasma de quark-gluon se refroidit, la rupture de symétrie électrofaible se produit et l'Univers devient alors principalement composé de protons, de neutrons et d'électrons ordinaires. L'Univers se refroidissant encore, la nucléosynthèse du Big Bang survient et sont alors créées de petites quantités de noyaux de deutérium, hélium et lithium. L'Univers se refroidissant tout en s'expansant, l'énergie des photons commence à se décaler vers le rouge, les particules deviennent non-relativistes, et la matière ordinaire devient dominante dans l'Univers. Finalement, les atomes se forment lorsque les électrons libres se lient à des noyaux. Ceci supprime la diffusion Thomson des photons. Se combinant avec la raréfaction de la matière (et en conséquence, l'augmentation des libres parcours moyens des photons), l'Univers devient transparent, et le rayonnement micro-ondes du fonds diffus est émis à l'instant de la recombinaison (la surface de la dernière dispersion).

Oscillations acoustiques

L'amplitude des structures ne croît pas de façon substantielle durant cette époque. Pour la matière noire, l'expansion de l'espace (causée par la composante des grandes radiations) est tellement rapide que la croissance est entièrement supprimée pour les particules de matière noire non-relativiste. De plus, la matière noire n'étant pas sous pression, l'écoulement libre (en) empêche la croissance de petites structures. D'autre part, dans le fluide relativiste, la très grande pression empêche la croissance de structures plus grandes que la longueur de Jeans (en), qui est très proche du rayon de Hubble pour les rayonnements. D'où l'atténuation des perturbations.

Ces perturbations sont cependant toujours très importantes puisqu'elles sont responsables de la physique subtile résultant dans l'anisotropie micro-ondes du fond cosmologique. A cette époque, l'amplitude des perturbations qui entrent dans l'horizon oscille selon une sinusoïde, avec des régions denses encore plus raréfiées et devenant donc encore plus denses, avec une fréquence en relation avec la taille des perturbations. Si la perturbation oscille un nombre entier ou demi-entier de fois entre son entrée dans l'horizon et la recombination, elle apparaît comme un pic acoustique sur l'anisotropie micro-ondes du fond cosmologique. Une demi-oscillation, dans laquelle une région dense devient une région raréfiée, ou vice-versa, apparaît comme un pic parce que l'anisotropie se présente comme un spectre de puissance, ainsi les sous-densités contribuent à la puissance tout autant que les sur-densités. La physique qui détermine la structure détaillée des pics du fond micro-ondes est compliquée, mais ces oscillations en fournissent l'essence.

L'Univers nouveau-né

Du point de vue de la physique fondamentale, les tous premiers instant de l'Univers restent encore une époque mal comprise. La théorie qui prévaut, l'inflation cosmique, contribue assez bien à expliquer la courbure plate, l'homogénéité et l'isotropie de l'Univers, de même que l'absence de particules exotiques qui seraient des reliques de cette époque (telles que les monopôles magnétiques). Par surcroît, elle a permis de faire une prédiction cruciale confirmée par l'observation : l'Univers primordial était porteur de faibles perturbations qui ont généré la formation des structures dans l'Univers ultérieur. Ces fluctuations, alors qu'elles fondent toutes structures de l'Univers apparaissent seulement comme de faibles fluctuations de température à une partie pour 100.000. Pour illustrer cet aspect, c'est comparable à une carte topographique d'un continent où les différence de niveaux ne dépasseraient pas le centimètre. Ces fluctuations sont critiques, car elles sont les éléments à partir desquels se formeront et croîtront et finalement s'effondreront les plus grandes structures dans l'Univers pour donner des étoiles et des galaxies. Dans les années 1990, le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) a fourni la première détection des fluctuations propres au rayonnement de fond diffus cosmologique

On pense que ces perturbations ont des caractéristiques très spécifiques : elles forment un champ gaussien aléatoire (en) dont la fonction de covariance est diagonale et presque d'échelle invariante. Les fluctuations observées se sont révélées comme ayant exactement cette forme, et de plus, l'indice spectral (qui mesure la déviation d'un spectre d'échelle invariante - ou Harrisson-Zel'Dovitch - mesuré par le satellite WMAP est très proche des valeurs prédites par le modèle d'inflation le plus simple et le plus robuste. Autre propriété importante des perturbations primordiales, le fait qu'elles soient adiabatiques (ou isentropiques entre les différentes variétés de matières qui composent l'Univers), est prédit par l'inflation cosmique et a reçu la confirmation des observations.

D'autres théories de l'Univers nouveau-né, qui prétendent effectuer des propositions très proches, ont été proposées telle que la cosmologie des branes gazeuses, le modèle cyclique, le modèle pré-Big Bang et l'Univers holographique. Mais elles en restent aux prémisses et ne sont pas très largement acceptées. Quelques théories comme celle des cordes cosmiques ont été très largement faussées par des données d'une précision croissante.

Le problème de l'horizon

En trait plein, la dimension physique du rayon de Hubble comme fonction du facteur d'échelle de l'Univers. En pointillé, la longueur d'onde physique d'un mode de perturbation (en). Le croquis illustre comment le mode de perturbation sort de l'horizon durant la période de l'inflation cosmique pour y retourner durant la phase de domination du rayonnement. Si l'inflation cosmique n'avait jamais eu lieu, et si la domination du rayonnement se prolongeait dans le passé jusqu'à la singularité gravitationnelle, alors le mode de perturbation ne serait jamais sorti de l'horizon dans les tous premiers âges de l'Univers.

Un concept très important dans la théorie de la formation des structures est la notion de rayon de Hubble, souvent appelé plus simplement l'horizon, parce qu'il est en relation étroite avec l'horizon des particules. Le rayon de Hubble, est lié au paramètre de Hubble H puisque R = c / H, où c est la vitesse de la lumière. En simplifiant, il définit le volume de l'Univers proche qui a été récemment (dans la dernière période d'expansion) en contact causal avec l'observateur. Comme l'Univers est en expansion constante, sa densité d'énergie diminue constamment (en l'absence de véritable matière exotique telle que l'énergie fantôme). Les équations de Friedmann établissent la relation entre la densité d'énergie de l'Univers et le paramètre de Hubble, et montre que le rayon de Hubble est en augmentation continue.

Dans la cosmologie du Big Bang, le problème de l'horizon relève que, sans l'inflation, les perturbations n'auraient jamais été en contact causal avant d'entrer dans l'horizon, et donc que l'homogénéité et l'isotropie de, par exemple, la distribution à grande échelle des galaxies ne peut pas être expliquée. C'est parce que, dans une cosmologie de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker ordinaire, le rayon de Hubble croît plus rapidement que l'expansion de l'espace, ainsi les perturbations n'entrent absolument jamais dans le rayon de Hubble, et elles ne sont pas exclues lors de l'expansion de l'espace. Ce paradoxe est résolu par l'inflation cosmique, qui suggère qu'il y a eu une phase d'expansion très rapide de l'expansion dans l'Univers nouveau-né, dans lequel le rayon de Hubble était presque constant. Aussi, l'isotropie à grande échelle observée aujourd'hui est causée par des fluctuations quantiques qui sont sorties de l'horizon pendant l'inflation cosmique.