La science simplifiée : qu’est-ce que la cosmologie ?

Qu’est-ce que la cosmologie ?

Cosmologie est l’étude de l’origine, du développement, de la structure, de l’histoire et de l’avenir de l’univers entier.

Dans la science moderne, la cosmologie est divisée en deux branches. Cosmologie observationnelle étudie l’univers à l’aide de télescopes et d’autres équipements pour examiner les preuves directes du développement et de la structure de l’univers. Cosmologie physique étudie les structures et le développement de l’univers et la physique qui les a créés. Il utilise un mélange de théorie et d’expériences pour construire et rechercher des modèles cosmologiques. Ces modèles sont parfois appelés « cosmologies ». Ils intègrent les théories et les informations collectées par la cosmologie observationnelle. La cosmologie s’appuie sur les avancées de nombreuses disciplines scientifiques, notamment l’astrophysique, plasma physique, physique nucléaire, physique des particules, relativité et mécanique quantique.

Les origines de la cosmologie actuelle ont commencé avec l’observation au début des années 1500 par Nicolas Copernic que la Terre tournait autour du Soleil. L’étape suivante fut la découverte, à la fin des années 1600, par Isaac Newton, que les objets dans l’espace se comportaient selon les mêmes lois de la physique que les objets sur Terre. La porte de la cosmologie physique moderne s’est ouverte au début du 20^ème siècle avec la théorie de la relativité d’Albert Einstein, qui proposait un modèle de l’espace-temps.

Les cosmologues croient aujourd’hui que la matière ordinaire – le type de matière avec laquelle nous interagissons quotidiennement – ​​n’est qu’une petite partie de l’univers. La plupart des scientifiques s’accordent sur le fait que l’énergie noire et la matière noire représentent un pourcentage énorme de l’univers. Selon cette théorie, l’énergie noire représente plus des deux tiers de l’univers. Cette énergie sombre pourrait être la force qui vaincre la gravité et permettre à l’univers de se développer selon ce qu’on appelle l’accélération cosmique. Un autre quart de l’univers est constitué de matière noire dans ce modèle. Il s’agit d’une forme hypothétique de matière qui interagit si faiblement avec la matière normale et le rayonnement électromagnétique qu’il est jusqu’à présent impossible aux scientifiques de la détecter directement.

La cosmologie physique moderne étudie de nombreux domaines généraux touchant à l’astrophysique, à la physique nucléaire, à la physique des particules et à d’autres domaines. Ils comprennent:

• Le Big Bang. C’est le processus par lequel l’univers s’est étendu d’un point infiniment chaud et infiniment dense pour devenir l’univers dans lequel nous vivons aujourd’hui.
• La formation et l’évolution de la structure à grande échelle de l’univers. Cela fait référence à la formation des modèles de galaxies et de groupes de galaxies à travers l’univers. Les galaxies et cette structure à grande échelle trouvent leur origine dans la première fraction de seconde après le Big Bang.
• Big Bang nucléosynthèse. Il s’agit de la création de noyaux plus lourds que l’isotope hydrogène-1 dans les premières secondes et minutes de l’univers.
• Fond cosmique de micro-ondes. Il s’agit de la lumière, sous forme de particules appelées photons, qui subsiste environ 380 000 ans après le Big Bang. Cette lumière est le résultat des conditions qui ont suivi le Big Bang. Il reflète la densité et l’uniformité de l’univers juste après le Big Bang, donnant ainsi aux scientifiques une vision de l’univers tel qu’il existait 380 000 ans après le Big Bang.
• Matière noire. C’est ce qui, selon la théorie actuelle, doit exister pour expliquer comment la gravité agit sur les galaxies et les amas de galaxies de l’univers. Les scientifiques ne savent pas ce qu’est la matière noire, mais il pourrait s’agir d’un type de particule subatomique qui n’a pas encore été découverte et qui ne fait pas partie du modèle standard de physique des particules.
• Ondes gravitationnelles. Ces ondulations dans l’espace-temps sont causées par des événements massifs, violents et hautement énergétiques tels que les supernovae, les collisions de trous noirs et les collisions d’étoiles à neutrons.

Faits rapides

• Les scientifiques estiment qu’il y a 2 000 milliards de galaxies dans l’univers. C’est un chiffre stupéfiant. Mais c’est bien moins que les 37 200 milliards de cellules du corps humain.
• La lumière la plus ancienne ayant atteint la Terre a 13,77 milliards d’années.
• Le budget énergétique total de l’univers se compose d’environ 5 % de matière ordinaire, 27 % de matière noire (qui interagit avec la matière ordinaire via la gravité mais n’interagit pas avec la lumière) et 68 % d’énergie noire. C’est pourquoi il est si important pour la science d’en apprendre davantage sur la matière noire et l’énergie noire.
• Dans le flou sur la matière noire ? Regardez la vidéo suivante de NASA.

Il y a plus dans le cosmos qu’il n’y paraît. Environ 80 % de la matière de l’univers est invisible aux télescopes, mais son influence gravitationnelle se manifeste dans les vitesses orbitales des étoiles autour des galaxies et dans les mouvements des amas de galaxies. Pourtant, malgré des décennies d’efforts, personne ne sait ce qu’est réellement cette « matière noire ». De nombreux scientifiques pensent qu’il est probable que le mystère sera résolu grâce à la découverte de nouveaux types de particules subatomiques, des types nécessairement différents de ceux qui composent les atomes de la matière ordinaire qui nous entoure. La recherche pour détecter et identifier ces particules est en cours dans le cadre d’expériences à la fois partout dans le monde et au-dessus de celui-ci.

Bureau des sciences du DOE : Contributions à la recherche en cosmologie

Le Bureau des sciences du Département de l’énergie (DOE) soutient la recherche en cosmologie principalement par le biais de ses programmes de physique nucléaire et de physique des hautes énergies. Le programme Physique des hautes énergies se concentre sur la recherche associée à ses cinq moteurs scientifiques de la physique des particules

. Ces moteurs incluent des travaux sur les particules qui composent l’univers et des études sur la matière noire et l’énergie noire. Ces sous-programmes comprennent plusieurs qui sont étroitement associés à la cosmologie. Parallèlement, le programme de physique nucléaire soutient la recherche sur le noyau atomique et les particules subatomiques qui le composent. Ce travail aide les scientifiques à comprendre l’univers dans son ensemble.