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Géométrie et évolution de l’Univers
Depuis l’Antiquité, l’homme s’interroge sur la forme de l’Univers et sur son devenir. Aujourd’hui la théorie du Big-Bang est confortée par trois observations : l’expansion de l’Univers déduite de la vitesse d’éloignement des galaxies en fonction de leur distance, l’abondance de certains atomes tels que l’hélium ou le lithium formés quelques minutes seulement après le Big-Bang et la présence d’un bain thermique de photons à 3 K (soit -270o C) produit environ 300000 ans après cet instant initial, lorsque matière et lumière se séparaient. Reste à savoir si, à l’échelle de quelques centaines de millions d’années-lumière, l’espace-temps est plat ou courbe et si, dans quelques milliards d’années, un Big-Crunch se produira ou si, au contraire, l’expansion de l’Univers se poursuivra éternellement. Les réponses à ces questions sont de plus en plus précises grâce notamment à l’étude des grumeaux dans le bain thermique à 3 K ; elles favorisent un Univers plat et une expansion non seulement continue mais même accélérée.
Composition de l’Univers
De nombreuses mesures astrophysiques et cosmologiques permettent aujourd’hui d’accéder avec une grande précision à la répartition des différentes composantes de matière et d’énergie dans l’Univers. On dispose donc à présent d’une classification exhaustive et rigoureuse du contenu du Cosmos : rayonnements (négligeables), étoiles (~0,5%), gaz (~5%), entités non composées d’atomes usuels (~25%), énergie d’accélération (~70%). Mais, en contrepoint de ce succès, force est de constater que l’on ignore tout de la nature précise de la grande majorité de ces composantes physiques. Pour étayer cette description, il faut recourir à l’hypothèse de l’existence de nouvelles particules (par exemple les « particules supersymétriques ») et d’une énergie inconnue et mystérieuse (qui ne se dilue pas quand on augmente le volume !). Cet étonnant visage de l’Univers invite à repenser les constituants fondamentaux et témoigne d’une convergence effective entre des champs scientifiques aussi apparemment disjoints que la cosmologie et la physique des particules.
Origine du rayonnement cosmique
| La terre est en permanence bombardée par un flux considérable d’environ 2000 particules chargées par seconde et par mètre carré au sommet de l’atmosphère. Ce rayonnement a permis la découverte de plusieurs particules élémentaires dans la première moitié du XXe siècle. Le domaine en énergie de ces particules est extraordinairement étendu, depuis quelques milliers d’électronvolts pour les particules du vent solaire, jusqu’à l’énergie colossale de cent milliards de milliards d’électronvolts (1020) environ, soit l’énergie d’une balle de fusil concentrée sur une particule beaucoup plus petite qu’un atome. Au-delà de la contribution du vent solaire dont les particules créent les aurores boréales, la plupart proviennent – probablement– des supernovae dans la Galaxie. Les particules d’ultra haute énergie ont vraisemblablement une origine extra-galactique qui reste assez mystérieuse. |
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| L’étude de ces particules et la recherche de leur origine fait l’objet de très nombreuses entreprises expérimentales qui utilisent des moyens extrêmement divers, depuis les instruments embarqués sur des ballons ou des satellites, jusqu’aux grands observatoires au sol qui s’étendent sur des centaines de kilomètres carrés pour détecter les rares particules d’ultra haute énergie, et aux observatoires souterrains pour certaines particules neutres, les neutrinos. |
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