Géométrie de l'espace et contenu de notre Univers

La courbure de l’espace

On sait depuis une dizaine d’années que l’espace de notre univers observable est quasiment plat. C’est d’ailleurs l’un des fondements d’une cosmologie avec inflation ! Si l’épisode d’inflation a duré suffisamment longtemps, alors on s’attend à un espace très précisément plat. Il est cependant possible de construire des modèles d’inflation qui conduisent à des géométries ouvertes ou fermées. Des modèles spéculatifs ou des univers avec des topologies complexes sont également liés à la géométrie de l’espace. Mesurer le mieux possible la courbure de notre Univers est donc une tâche essentielle.

Le rayonnement fossile seul ne peut donner accès à la courbure de l’espace avec précision. L’information est contenue dans la taille caractéristique des grumeaux, il s’agit d’un effet géométrique : l’angle sous lequel on voit ces grumeaux dépend de la façon dont l’espace s’est comporté entre le moment où cette image s’est formée et le moment où nous l’observons. Il faut donc un autre élément, plus récent dans l’histoire de l’Univers. Planck utilise l’effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement fossile lui-même et obtient déjà des résultats assez précis sur la courbure de l’espace. Cette information est cependant un peu “floue” car intégrée sur la ligne de visée, et elle se concentre sur l’univers il y a 10 milliards d’années environ. Une géométrie très légèrement fermée, largement compatible avec un univers plat est favorisée par le rayonnement fossile seul.

Avec l’information des ondes acoustiques baryoniques (résultats obtenus en étudiant la distribution des galaxies avec les données du Sloan Digital Sky Survey), on utilise l’Univers tel qu’il était il y a seulement 3 milliards d’années, et en appliquant la même physique que pour le rayonnement fossile : on suit l’évolution des ondes de matière.

On obtient alors un résultat remarquable qui est quantifié par la variable Ω_K : Ω_K = 0 correspond à un univers exactement plat. La mesure actuelle est Ω_K = - 0.0006, et on est sûr à 95% que sa valeur est comprise entre -0.0074 et +0.0057. S’il y aura toujours une erreur associée à la mesure rendant impossible l’exclusion totale d’un univers ouvert ou fermé si celui-ci est en réalité plat, on peut cependant raisonnablement résumer l’étude faite avec les données de Planck par “notre espace est plat”.

 

Légende : Les points de couleur représentent les valeurs acceptables dans le plan Ω_Λ/Ω_m (sachant que Ω_K + Ω_Λ + Ω_m = 1) pour différentes valeurs de la constante de Hubble d’après les données du rayonnement fossile Planck+WMAP. Les contours noirs délimitent les valeurs acceptables si on ajoute l’effet de lentille gravitationnel mesuré par Planck-HFI sur le rayonnement fossile. Les zones rouges marquent les valeurs permises si on ajoute les mesures d’oscillations acoustiques des baryons. La dégénérescence est brisée : la géométrie est sévèrement contrainte. La diagonale correspond à une géométrie plate (Ω_K = 0).

Crédits : ESA - collaboration Planck

 

Au delà de la platitude : topologie et isotropie

L’isotropie de l’univers est une hypothèse de base qu’il faut tester. Cette étude nécessite une couverture du ciel maximale, haute résolution et signal propre (soit non bruité) : la carte de Planck a donc toutes les qualités requises ! L’objectif est de chercher les traces d’une topologie non triviale (voir notre page topologie) ou d’une rotation de l’univers (modèles de Bianchi).

À la recherche de signes d’une topologie non-triviale, la collaboration Planck a traqué des structures particulières dans la carte du rayonnement fossile, notamment des cercles identiques ou presque identiques. Mais aucun signe n’a été détecté. Il ne faut pas oublier que nous n’avons accès qu’à une “petite” partie de l’Univers : celui-ci est peut-être infini, peut-être fini. Nous pouvons juste affirmer que la taille de la cellule élémentaire est au moins de l’ordre de la taille de notre univers observable…

Parmi les modèles possibles d’univers en rotation, il y en a un (le modèle de Bianchi VII_h) qui se traduit par une anisotropie globale pouvant expliquer les structures aux plus grandes échelles détectées dans la carte de WMAP. Elle est aujourd’hui exclue si on considère la carte de Planck et un modèle réaliste en accord avec les paramètres cosmologiques standards - c’était certes déjà très difficile de concilier rotation globale et paramètres cosmologiques acceptables avec les données de WMAP. Donc aucun signe de rotation de notre univers conciliable avec les structures qu’il contient…

Pour en savoir plus :

• Résultat histoire de l'Univers
• Modèle de concordance
• Contenu de l'Univers
• Matiere noire
• Energie noire