a) Les décalages spectraux : Récession des galaxies - Loi de Hubble b) L'expansion de l'univers - Relativité générale - Principe cosmologique c) La théorie de l'inflation d) Le fond diffus cosmologique e) La nucléosynthèse primordiale f) L'âge de l'univers g) Les grandes structures de l'univers

Dans les années 1920, Hubble découvrit qu'au-delà de la Voie Lactée, les galaxies semblaient s'éloigner de nous avec une vitesse radiale proportionnelle à leur distance. Cette déduction provenait de l'observation des décalages spectraux des galaxies lointaines, attribués à l'effet Doppler. La constante de Hubble Ho donnait la mesure de cette récession des galaxies selon la loi v (vitesse en Km/sec) = Ho (en Km/sec/Mpc) x d (distance en Mpc).

En réalité, la constante de Hubble est plutôt un paramètre car sa valeur peut être variable.

En dehors de l'univers proche, les décalages spectraux sont dominés par l'expansion cosmologique. Dans le modèle Friedmann-Lemaître, la description mathématique de l'expansion cosmologique, les distances sont définies dans les termes de la métrique de Robertson-Walker qui est la description mathématique la plus générale pour un espace uniforme et homogène en contraction ou en expansion.

1) L'expansion de l'univers et la récession des galaxies ne sont pas des données observationnelles. Elles découlent d'une interprétation des décalages spectraux des galaxies lointaines. D'autres interprétations ont été proposées : effets gravitationnels, effet Wolf entre 2 sources séparées, matière gazeuse dans l'espace (modèle Marmet 1989), Symmetric Theory (1997), théorie des masses variables (Halton Arp 1999), univers de plasma (Hannès Alfvén 1989), etc... Ces différentes interprétations n'ont pas été retenues par la communauté des chercheurs. Le modèle de l'auteur, le modèle temporaliste, fondé sur la constante quantique t, propose, dans la seconde partie de ce mémoire, une interprétation nouvelle des décalages spectraux et une alternative au modèle du Hot Big Bang.

2) Pourquoi l'expansion de l'univers commence-t-elle au-delà de la Voie Lactée et non en-deçà ?

3) Les plus récentes statistiques sur la valeur de Ho donnent pour celle-ci une valeur comprise entre 66 et 82 Km/sec/Mpc (G.F.R. Ellis) et 47 Km/sec/Mpc (Allan Sandage). La valeur la plus probable se situerait à 72 Km/sec/Mpc (CMAP 2001). La valeur correspondante établie par l'auteur en 1962 est de 67,71 Km/sec/Mpc. . Les dernières données fournies par WMAP (Février 2003) permettent de fixer la valeur de la constante Ho de Hubble à 71 Km/sec/Mpc (avec une marge d'erreur de 5 %) ce qui confirme bien la valeur temporaliste de Ho de 67,71 Km/sec/Mpc. ( http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/mr_limits.html ).

Le modèle standard du Hot Big Bang découle des équations de la relativité générale et du principe cosmologique d'un univers homogène et isotrope. Les meilleures mesures de l'univers en expansion sont, aujourd'hui, les distances des étoiles variables Céphéides, la relation Tully-Fisher entre la vitesse de rotation d'une galaxie spirale et sa luminosité et les supernovae de type 1a (MAP 2001).

La densité de l'univers détermine sa forme géométrique et son destin. Einstein, pour obtenir un univers stable, proposa une constante cosmologique ou une densité d'énergie du vide. Lorsque Hubble démontra que l'univers était en expansion, Einstein rejeta sa constante cosmologique, affirmant qu'elle constituait la plus grave erreur de sa vie.

Actuellement, on considère que l'expansion s'est ralentie après le Big Bang puis qu'elle s'accélère de nouveau. Nous verrons au chapitre suivant que la constante cosmologique est nécessaire au modèle inflationnaire créé pour répondre aux problèmes posés par le modèle du Hot Big Bang.

1) D'après le principe cosmologique, l'univers est homogène et isotrope. Or, l'univers ne semble uniforme qu'à grande échelle, au-delà de distances de 100 à 200 Mpc. Pourquoi ?

2) Le problème de l'horizon : Pouquoi des régions de l'univers trop éloignées pour avoir été en contact par des signaux voyageant à la vitesse de la lumière sont-elles presque exactement à la même température ? Le modèle standard du Hot Big Bang ne peut y répondre.

3) Les observations indiquent que l'univers est presque entièrement plat. Le modèle du Hot Big Bang ne fournit aucune justification de cette platitude.

4) Le problème des monopoles magnétiques : le modèle du Hot Big Bang implique, pour la création des noyaux dans l'univers primordial, l'utilisation du modèle de la Théorie de Grande Unification (GUTs) et la production de particules massives, les monopoles magnétiques. Il devrait en rester de nombreux aujourd'hui. On n'en a jamais trouvé jusqu'ici. Où sont les monopoles magnétiques ?

5) L'univers nait d'une singularité de l'espace-temps, par l'explosion primordiale, avec une densité et une température infinies. Quelle est la cause de cette explosion ? D'où proviennent l'espace, le temps et l'énergie ? 

Pour résoudre un certain nombre de problèmes posés par le modèle du Hot Big Bang, les théoriciens édifièrent la théorie de l'inflation qui a connu différentes versions.

La théorie de l'inflation élaborée par Alexei Starobinsky fut développée par Allan H. Guth et Paul Steinhardt (1984 - 1998), Andy Albrecht, Andrei Linde (1994 - 2001).

D'après la théorie de l'inflation, l'univers visible est issu d'une région très petite de l'univers homogène qui s'est enflée 10-35 secondes après le Big Bang. Cette phase inflationnaire a duré 10-32 secondes pendant lesquelles l'expansion de l'univers a été d'un facteur de l'ordre de 10^50 puis le Big Bang a poursuivi son évolution. L'explosion serait une conséquence de la densité d'énergie du vide qui provoquerait une gravité répulsive dûe à l'existence de la constante cosmologique (rejetée par Einstein).

La théorie de l'inflation aurait le mérite de résoudre un certain nombre de problèmes posés par le modèle du Hot Big Bang :

1) L'inflation extraordinaire de l'univers, à des vitesses bien supérieures à la vitesse de la lumière, à partir d'une région infime et homogène de l'univers résout le problème de l'horizon.

2) La platitude de l'univers avec une densité proche de la densité critique découle du modèle inflationnaire.

3) L'absence actuelle des monopoles magnétiques s'explique par la dispersion rapide de ceux-ci pendant la phase inflationnaire.

4) Le modèle inflationnaire prévoit de faibles fluctuations du fond diffus cosmologique à l'origine de la formation des galaxies.

1) La théorie inflationnaire est un prolongement du modèle du Hot Big Bang mais elle en est indépendante.

2) Le modèle inflationnaire, créé pour résoudre les problèmes du Hot Big Bang ne repose sur aucun fait expérimental. Son extrapolation considérable des lois de la physique n'a aucune justification théorique, si ce n'est de répondre arbitrairement aux difficultés du modèle du Hot Big Bang. Ce n'est, en définitive, qu'une hypothèse ad hoc. Les assertions du modèle inflationnaire, pauvrement justifiées, peuvent entraîner un véritable scepticisme aux yeux d'observateurs rigoureux (Peebles 2001). Au demeurant, l'échafaudage d'hypothèses, sans aucun fondement observationnel, mène à des versions inflationnaires hautement spéculatives et particulièrement contestables : inflation chaotique, auto-reproduction d'univers, univers multiples, créations d'univers en laboratoire, création d'univers par un physicien pirate (physicist-hacker) et autres extravagances, à des années-lumière de la nécessaire rigueur scientifique !

3) Les très faibles fluctuations du fond diffus cosmologique ne peuvent répondre de façon satisfaisante à la formation des grandes structures de l'univers (galaxies, amas et superamas, grands murs, vides, etc...).

4) L'existence de la constante cosmologique, rejetée par Einstein, nécessaire au modèle inflationnaire, demeure, à l'heure actuelle, une pure hypothèse, comme l'ensemble des assertions du modèle inflationnaire.

5) La cause de l'inflation, qui a commencé lorsque 3 des 4 interactions fondamentales se sont dissociées, demeure inconnue.

En 1965, Arno Penzias et Robert Wilson découvrirent le fond diffus cosmologique, c'est-à-dire le rayonnement micro-ondes qui remplit uniformément l'univers. Ce fond diffus est un rayonnement de corps noir à la température de 2,728 degrés Kelvin.

L'existence du rayonnement cosmologique aurait été prévue, comme une conséquence du modèle du Hot Big Bang, par Gamow.

L'observation du fond diffus cosmologique a été entreprise à partir de 1992 par le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) puis ensuite par des lancers de ballons (Boomerang, Maxima - 1998,1999,2000; TopHat 2001). Le satellite MAP (Microwave Anisotropy Probe) lancé en Juin 2001, puis Planck programmé pour 2007 doivent permettre d'affiner les mesures des fluctuations du rayonnement fossile. Des différentes recherches, il se dégage :

1) le fond diffus cosmologique daterait de 300.000 ans après le Hot Big Bang

2) une anisotropie dipolaire du rayonnement, par effet Doppler, dûe au mouvement de la terre

3) des fluctuations minimes du rayonnement avec des températures allant de 2,7280 K à 2,7281 K

4) la recherche de l'origine des fluctuations du fond diffus cosmologique : soit la phase inflationnaire, soit des défauts topologiques (avec l'éventualité de cordes cosmiques)

5) la composition probable de l'univers : 5 % de matière baryonique, 30 % de matière sombre, 65 % d'énergie sombre accélérant l'expansion (constante cosmologique ? quintessence ?)

Le satellite MAP devrait apporter des précisions sur:

1) les valeurs des paramètres cosmologiques du Hot Big Bang

2) comment se forment les structures des galaxies dans l'univers

3) quand se sont formées les premières structures des galaxies

4) la détermination, par l'étude des polarisations du rayonnement, de son origine soit inflationnaire, soit topologique (avec l'influence des ondes gravitationnelles)

1) le fond diffus cosmologique n'est pas une conséquence du seul modèle du Hot Big Bang. Sa prédiction avait été faite, sans utilisation du modèle du Hot Big Bang, et avant Gamow par : Guillaume (1896), Eddington (1926), Regener (1933), Nernst (1933), McKellar et Herzberg (1941), Finlay-Freundlich (1953) et Max Born (1953). Ces auteurs avaient prédit des températures allant de 1,9 à 6 K (André Koch Torre Assis et Marcos Cesar Danhoni Neves - 1995). De plus, la prévision, en 1953, par Gamow, d'un fond de rayonnement cosmologique à une température de 7 degrés Kelvin, était fondée sur un argument mathématique fallacieux (Weinberg 1980).

2) si le modèle du Hot Big Bang peut expliquer l'origine du rayonnement fossile, le problème de l'horizon demeure posé par la quasi-uniformité du fond diffus cosmologique. Seul le modèle inflationnaire, sans assise expérimentale, semble pouvoir y fournir une réponse hautement spéculative.

3) la petitesse des fluctuations du rayonnement fossile est insuffisante à justifier quantitativement la formation des galaxies et des grandes structures de l'univers.

Un des arguments majeurs du modèle du Hot Big Bang est la synthèse des éléments légers quelques minutes après le Hot Big Bang. C'est le modèle standard de la nucléosynthèse du Big Bang (Big Bang Nucleosynthesis). Cette nucléosynthèse primordiale, caractérisée par l'abondance primordiale des éléments légers, dépend des conditions initiales d'un seul paramètre libre, le ratio Eta baryon/photon. Ce ratio est actuellement estimé entre 4,5 et 4,9 10-10 (Trento 1997).

Dans les trois premières minutes suivant le Hot Big Bang, les noyaux des éléments légers furent créés à partir des baryons : 2D, 3He, 4He et 7Li (Weinberg 1980). Les abondances actuelles de ces éléments, par rapport à l'hydrogène, sont : 2D = 4,9499624 E-5, 3He = 1,3265581 E-5, 4He = 0,24387701, 7Li = 1,8648816 E-10 (Craig Hogan - Luis Mendoza 1998). Les éléments plus lourds seront créés ultérieurement dans les étoiles.

La concordance des prévisions des abondances des noyaux légers à partir des hypothèses de base du Hot Big Bang et des abondances actuelles de ces noyaux constituerait un point fort de ce modèle. On doit indiquer qu'il existe de nombreuses versions de scénarios non-standard du Hot Big Bang. Des milliers d'articles y ont été consacrés. Ils se basent sur des conditions initiales du Hot Big Bang différentes du modèle standard (essentiellement le ratio baryon/photon mais également avec d'autres hypothèses comme des inhomogénéités, des propriétés non-standard des neutrinos, etc...). Néanmoins, tous ces modèles se fondent sur le modèle du Hot Big Bang, mais avec des conditions initiales différentes.

1) L'origine de la création du lithium, quelques minutes après le Hot Big Bang, est controversée. Une origine inattendue du lithium a été découverte dans les géantes rouges d'une douzaine d'amas globulaires d'étoiles. Il proviendrait de la désintégration de l'isotope radioactif instable du béryllium 7. On trouve également du lithium dans d'autres étoiles géantes rouges de grande masse, à un stade tardif de leur évolution (Catherine Pilachowski 2001). On ignore d'ailleurs combien de lithium a été produit avant la formation des étoiles et combien a été détruit dans les étoiles.

2) Il y a discordance entre les valeurs prévues par le B.B.N. pour le deutérium 2D et les observations des chercheurs (Trento 1997). Les chiffres pour 4He seraient de 0,246 ± 0,0014 pour Burles et Tytler et de 0,234 ± 0,002 pour Olive, Steigman et Skillman (OSS 1999). Pour le ratio baryon/photon, les discordances seraient entre 5,1 ± 0,5 10-10 (Burles et Tytler) et 2,1 ± 0,6 10-10 (OSS).

3) D'après le modèle cosmologique standard, la densité baryonique, quelques secondes après le Hot Big Bang, avait une valeur comprise entre 3 et 5 %. Selon la cartographie des fluctuations observées par la collaboration Boomerang (2000), dans le bruit de fond cosmologique datant de 300.000 ans après le Hot Big Bang, la densité baryonique serait de 7,4 % (± 1 %). Cette discordance remet en cause le modèle standard de la nucléosynthèse du Big Bang (Big Bang Nucleosynthesis).

L'âge de l'univers constitue un élément essentiel du modèle du Hot Big Bang. Il ne peut être discordant avec le modèle standard du Hot Big Bang.

Il existe au moins 4 façons indépendantes de mesurer l'âge de l'univers : 1) l'expansion de l'univers et la valeur actuelle de la constante de Hubble Ho 2) l'âge des plus vieilles naines blanches 3) l'âge des éléments chimiques 4) l'âge des étoiles des amas globulaires.

1) L'expansion de l'univers - Les dernières estimations statistiques de la constante de Hubble Ho donnent une valeur comprise entre 66 et 82 Km/sec/Mpc (G.F.R. Ellis). Une analyse récente d'Allan Sandage donne une valeur de 47 Km/sec/Mpc. Néanmoins, la valeur la plus probable actuellement de Ho serait de 72 Km/sec/Mpc. Dans l'univers plat et dominé par la matière ordinaire ou sombre, impliqué par la théorie de l'inflation, l'âge de l'univers est égal à l'inverse des 2/3 de Ho soit environ 9 milliards d'années. Si l'univers a une très basse densité de matière, To = 1/Ho soit 12 à 15 milliards d'années (MAP 2001)

2) L'âge des plus vieilles naines blanches est estimé à 11,5 milliards d'années (Edward L. Wright 2001).

3) L'âge de l'univers peut être estimé à partir d'éléments chimiques radioactifs, en particulier du rhénium 187 qui se transforme en osmium 187 avec une demi-vie de 40 milliards d'années. Selon un modèle de formation des éléments chimiques, on aboutit à un âge de l'univers de 11,5 à 17,5 milliards d'années (Edward L. Wright 2001).

4) L'âge des étoiles des plus vieux amas globulaires est estimé à 16 ou 17 milliards d'années, après les corrections apportées à l'échelle des distances dans l'univers par les mesures du satellite Hipparcos de l'ESA (1997) : M 92 (Hartmurt Frommert - Christine Kronberg 1999) - M 15 ( Leos Ondra 1998).

1) Si l'on considère que l'univers est plat, selon les prédictions du modèle inflationnaire et les dernières mesures des expériences Boomerang et Maxima (MAP 2001), l'âge de l'univers serait de 9 milliards d'années. Cet âge est gravement discordant avec les mesures indépendantes par les éléments radioactifs et les amas globulaires. Notons que la valeur "quantique" de To, établie par l'auteur en 1962 correspond à une constante de Hubble Ho de 67,71 Km/sec/Mpc (environ 14,43 milliards d'années). La valeur la plus probable, aujourd'hui, après des décennies de révisions, de la constante de Hubble Ho, déduite de l'expansion de l'univers, serait de 72 Km/sec/Mpc (environ 13,6 milliards d'années). Les dernières données fournies par WMAP (Février 2003) permettent de fixer la valeur de la constante Ho de Hubble à 71 Km/sec/Mpc (avec une marge d'erreur de 5 %) ce qui confirme bien la valeur temporaliste de Ho de 67,71 Km/sec/Mpc. ( http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/mr_limits.html ).

2) L'âge de l'univers, évalué à partir de l'âge des éléments radioactifs est en désaccord avec l'estimation basse (9 milliards d'années) de l'âge de l'univers et même éventuellement de l'estimation haute (13,6 milliards d'années) avec une fourchette de 11,5 à 17,5 milliards d'années.

3) L'âge des plus vieilles étoiles des amas globulaires ( M 92 et M 15) est en désaccord avec les estimations basses et hautes de l'âge de l'univers mesuré par l'expansion (9 et 13,6 milliards d'années pour 16 à 17 milliards d'années). Même après les modifications des distances (satellite Hipparcos 1997 - Hartmut Frommert - Christine Kronberg 1999).

4) La supernova la plus lointaine jamais détectée, 1997 ff, date de 10 milliards d'années, dans l'enfance de l'univers. Or cette supernova est située dans une galaxie elliptique, à l'éclat très faible et de couleur rouge. Cette rougeur est dûe aux milliards de vieilles étoiles qui la constituent. Comment de vieilles étoiles peuvent-elles exister peu après le Hot Big Bang (Adam Riess 2001) ?

La géométrie de l'univers, d'après la théorie de la relativité générale, est déterminée par la densité de l'univers. Pour la densité critique oméga = 1, l'univers est plat. Pour une densité < 1 l'univers est ouvert et pour une densité > 1 l'univers est fermé. La théorie de l'inflation implique un univers plat avec une densité quasiment égale à la densité critique oméga et une constante cosmologique non nulle. La densité de l'univers est estimée à 0,1 dans les galaxies et 0,5 dans les amas de galaxies et les larges structures (K. Ratnatunga - R. Griffiths 1998). La masse sombre de l'univers est évaluée à 90 % dans les galaxies et 99 % dans les grandes structures et serait constituée soit de matière sombre chaude (de masse 0, comme les neutrinos ?), soit de matière sombre froide (naines blanches, étoiles à neutrons, trous noirs supermassifs, naines brunes, Machos -Massive Compact Halo Objects -, WIMPs -Weakly Interactif Massive Particles, etc...).

La hiérarchie des échelles de structures de l'univers va des distances moyennes entre étoiles (1 Pc = 3 10^18 cm), galaxies (1 Mpc = 3 10^24 cm), amas de galaxies (10 Mpc = 3 10^25 cm), superamas de galaxies et vides (100 Mpc = 3 10^26 cm), grandes structures - murs et filaments - (150 Mpc = 5 10^26 cm). Le Grand Attracteur, situé à 65 Mpc (2 10^26 cm) de la terre, dans la direction de la constellation Centaurus, attire une rivière de galaxies qui inclut le Groupe Local, l'amas Virgo, etc..., à la vitesse de 600 Km/sec.

1) Le modèle inflationnaire implique un univers plat avec une densité de l'univers approximativement égale à la densité critique oméga. Or, si les dernières observations convergent vers un univers plat, sa densité est loin de la densité critique (0,1 pour les galaxies et 0,5 pour les grandes structures).

2) Les étoiles ne sont pas distribuées au hasard dans l'univers mais tendent à se regrouper dans des structures de plus en plus vastes, allant des amas globulaires aux grands murs et aux structures plusieurs fois plus vastes. Les grandes structures sont séparées par des vides réguliers, remplissant 90 % de l'espace, de diamètre typique de 25 Mpc (8 10^25 cm) pouvant aller jusqu'à 124 Mpc (4 10^26 cm) (Stephen D. Landy 1999). Rien, dans le modèle du Hot Big Bang, ni dans le modèle inflationnaire, ne peut rendre compte de cette périodicité des grandes structures. Nous verrons plus loin (Chapitre 10) que le modèle temporaliste y répond de façon adéquate.

3) D'après les observations du HST (Hubble Space Telescope), 10 à 20 % des amas de galaxies les plus éloignées se situent à 7 milliards d'années.Une population de dizaines et même de centaines de galaxies est donc assemblée tôt dans l'histoire de l'univers (K. Ratnatunga - R. Griffiths 1998) et même certaines galaxies, 2 milliards d'années après le Big Bang (Cambridge Cosmology). Cette précocité des grandes structures est en contradiction flagrante avec les prédictions théoriques du modèle du Hot Big Bang.

4) Pour traverser des vides de 100 Mpc (3 10^26 cm), à la vitesse moyenne de 600 Km/sec, les galaxies mettraient 160 milliards d'années (3 10^26 cm / 6 10^7 cm/sec). Les vides et les galaxies sont donc situés actuellement là où ils furent créés. Ce qui est parfaitement incompatible avec le modèle standard du Hot Big Bang, le modèle inflationnaire et le modèle du fond diffus cosmologique.