Introduction

Ce cours est dédié à la cosmologie. Il traite donc de notre univers dans sa globalité. La cosmologie a pour but de répondre à trois questions majeures : de quoi est fait notre univers ? comment s'est-il créé ? et quelle est son évolution ? Bien que les scientifiques se soient posés ces questions depuis fort longtemps, ce n'est qu'avec la relativité générale et les instruments performants du XXe siècle que les premières réponses crédibles, basées sur des observations et non des croyances, ont vu le jour. La cosmologie est paradoxalement une science assez récente en astronomie comparée par exemple à la planétologie.

Que répond la cosmologie du début du XXIe siècle aux trois questions fondamentales que sont la composition, la formation et l'évolution de l'univers ? Premièrement, l'univers serait constitué d'étoiles, de gaz chaud ou froid mais surtout de matière noire, invisible et toujours inconnue, et d'une énergie noire encore plus mystérieuse. Le résultat est que 97% de la composition masse-énergie de notre univers serait inconnue. Deuxièmement au sujet de sa formation, l'univers serait né d'une singularité, le Big Bang, où toute la matière et l'espace-temps seraient réduit à un point. D'où vient cette singularité, comment s'est-elle créé, est-elle réelle ou est-elle le fruit d'une connaissance physique insuffisante ? Ces questions sont encore sans réponse claire. Dernièrement, au sujet de l'évolution de l'univers, grâce entre autre à l'observation du Fond Diffus Cosmologique, on sait que l'univers a évolué d'un état de gaz quasi-homogène pour arriver à une répartition inhomogène de la matière caractérisée par des filaments de matière remplis de galaxies qui se croisent en formant des amas entourés de vide.

En définitif, l'apparition du Big Bang est un mystère, la quasi-totalité du contenu masse-énergie est très mal comprise et l'évolution de l'univers commence à bien être contrainte. Bref, la cosmologie est une science encore jeune, en plein développement, qui requiert encore beaucoup de travail et d'observations pour comprendre les mécanismes du l'univers.

Ce cours traite de ce qui est le mieux confirmé en cosmologie. Il commence par montrer que l'univers est en expansion. Cette caractéristique s'explique dans le cadre de la relativité générale et implique que dans le passé, l'univers était plus dense. En poussant ce raisonnement à ses limites, le concept de Big Bang apparaît naturellement, l'univers est si compressé dans le passé qu'il se réduit à un point. Cette expansion induit une évolution de l'univers, d'un état très chaud homogène et dense, il y a plus de 13 milliards d'années, à un état froid et inhomogène, aujourd'hui. Le Fond Diffus Cosmologique permet d'avoir une image d'une époque très reculée de l'univers lorsqu'il n'avait que 380 000 ans. Le modèle du Big Bang explique la fabrication des atomes et la prédominance de l'hydrogène (75% de la masse totale) et de l'hélium (25%). Enfin, la physique subatomique, les observations des galaxies lointaines et les simulations numériques permettent d'avoir une idée de l'évolution de l'univers de ses premiers instants jusqu'à nos jours.