Les chapitres précédents nous ont appris beaucoup de choses. Ils ont fourni une description de l'expansion de l'univers basée sur le facteur d'échelle, de quoi calculer le rayon de l'univers observable, et ont décrit comment la matière et le rayonnement réagissent à l'expansion. Maintenant, nous allons voir une portion bien plus intéressante de la cosmologie. Nous allons étudier les modèles cosmologiques, des modèles théoriques qui décrivent comment l'univers lui-même a évolué au cours du temps. Les modèles cosmologiques que nous allons voir dans ce cours donnent au minimum les résultats suivants : l'évolution du facteur d'échelle au cours du temps (la fonction formula_1, le rayon observable de l'univers, son âge (s'il en a un), une formule pour le facteur de Hubble, et parfois d'autres données supplémentaires (T(t) : température à tout instant, ...).
Dans ce chapitre, nous allons voir quelques modèles cosmologiques "ad hoc". Par "ad hoc", on veut dire qu'on fait des hypothèses purement arbitraires pour démontrer le modèle. De tels modèles sont à contraster avec des modèles démontrés à partir de principes physiques fondamentaux. Les modèles démontrés à partir de lois physiques plus fondamentales sont en effet un peu plus compliqués et seront vus dans les chapitres qui suivent. Le prochain chapitre porte d'ailleurs sur les modèles de Friedmann, qui sont les modèles les plus utilisés en cosmologie physique. Dans ce chapitre, nous allons voir des modèles plus simples. La démarche de ce chapitre consistera simplement à postuler une loi d'évolution pour le facteur d'échelle, à postuler la fonction formula_1. Une fois cela fait, nous pourrons établir une formule pour le facteur de Hubble, le rayon cosmologique, etc. Une telle démarche demande de choisir une fonction formula_1 en fonction de ses propriétés mathématiques, de sa facilité pour faire les calculs, etc. Dans les modèles cosmologiques physiques, cette loi formula_1 est démontrée à partir de principes physiques plus fondamentaux.
Dans ce chapitre, nous allons voir plusieurs modèles. Le premier est celui pour lequel la loi formula_1 est linéaire. Il s'agit d'un modèle très simple, mais qui n'est pas réaliste du tout. Cependant, ce modèle permet d'introduire deux grandeurs fondamentales : le temps et le rayon de Hubble. De plus, il sert de point de comparaison avec le second type de modèles : ceux pour lesquels la loi formula_1 est une loi de puissance. Enfin, nous verrons ce qui se passe quand le facteur d'échelle croit de façon exponentielle. En soit, ces trois modèles font que l'univers est en expansion, mais de manière différente. Une croissance linéaire n'a rien à voir avec une croissance exponentielle, ni avec une croissance en loi de puissance. Nous verrons cependant que les modèles cosmologiques physiques, ceux de Friedmann, donnent une croissance soit exponentielle, soit en loi de puissance. Nous pourrons donc réutiliser les résultats de ce chapitre dans les chapitres ultérieurs sur les modèles physiques. Les modèles "ad hoc" que nous allons voir vont nous donner des résultats qui faciliteront l'étude de modèles plus physiques, plus compliqués.
Le modèle à croissance linéaire.
Pour commencer, nous allons étudier un premier modèle : le modèle à croissance linéaire. Il est aussi appelé modèle formula_7, en raison d'une des équations du modèle. Les cosmologistes ont étudié ce modèle à partir de l'année 2012, car de nombreux problèmes des autres modèles disparaissent dans ce modèle, mais il semble qu'il ne colle pas trop aux observations actuelles. Quoi qu’il en soit, ce modèle est intéressant à étudier et il sert de bonne introduction, avant de passer à des modèles plus compliqués.
Avec ce modèle, on suppose que l'univers gonfle de manière relativement constante avec le temps. Mathématiquement, cela se traduit par la loi d'évolution suivante pour le facteur d'échelle :
Une autre formulation, souvent utilisée, est la suivante :
Notons que les deux sont équivalentes, sous réserve que formula_14. Dans ce qui va suivre, nous utiliserons la première formulation, sauf pour ce qui est l'étude du décalage vers le rouge. Avec ces formules, nous allons calculer quelle est la valeur du facteur de Hubble qui correspond, quel est l'âge de l'univers, quel est son rayon, la vitesse de l'expansion de l'univers, etc.
Avant de poursuivre, on peut calculer la dérivée première et seconde du facteur d'échelle, deux résultats qui seront utiles pour la suite. Le calcul de la dérivée première donne :
Celle-ci étant une constante, la dérivée seconde est donc nulle.
Rappelons que la dérivée seconde du facteur d'échelle nous dit si l'expansion de l'univers accélère, ralentit ou reste constante. Pour une valeur nulle, l'expansion se fait à rythme constant.
Le calcul du facteur de Hubble et de l'âge de l'univers.
Pour calculer le facteur de Hubble, nous allons partir de la dérivée du facteur d'échelle, qui est égale à :
En divisant par a(t), le terme de gauche devient le facteur de Hubble. On a alors :
On peut comparer l'équation précédente avec l'identité formula_19 vue dans le second chapitre. On obtient alors :
L'âge de l'univers est égal au temps de Hubble dans ce modèle.
L'évolution du facteur de Hubble dans le temps.
De l'équation formula_21, on peut déduire comment le facteur de Hubble H évolue au cours du temps. Pour cela, il suffit d'étudier ce qui se passe quand l'âge de l'univers augmente. Au fur et à mesure que le temps passe, l'âge de l'univers augmente. Ce faisant, le dénominateur de formula_21 croit et le facteur de Hubble diminue donc. Pour le dire en termes mathématiques, le facteur de Hubble est une fonction décroissante du temps. Un bon moyen de s'en rendre compte est de calculer la dérivée du facteur de Hubble :
La dérivée étant négative, on en déduit que le facteur de Hubble décroit au cours du temps. Et cette décroissance est d'autant plus rapide que l'univers est âgé.
Le calcul du paramètre de décélération.
À partir des résultats précédents, on peut calculer la valeur du paramètre de décélération. Pour rappel, celui-ci est un nombre qui dit à quelle vitesse l'expansion de l'univers accélère ou ralentit. L'expansion est décélérée s'il est positif, accélère s'il est négatif et reste constante sinon. Il se calcule en utilisant la formule suivante, vue dans le chapitre sur l'univers observable :
On injecte alors les équations formula_21 et formula_26, ce qui donne :
En clair, l'expansion garde un rythme constant, elle n’accélère pas et ne ralentit pas, comme dit précédemment.
Le rayon de Hubble.
Par définition, le rayon de Hubble est égal à :
En combinant avec l'équation formula_29, on a :
Le rayon comobile de Hubble est définit par la formule :
Par définition, on a formula_35, qui est une constante.
On remarque que toute la partie de droite ne contient que des termes constants (c et k sont tous deux constants). Ce qui signifie que le rayon comobile de l'univers est lui aussi constant. Certes, le rayon de Hubble grandit, mais il le fait au rythme que le facteur d'échelle. Les deux se compensent, donnant un rayon comobile constant.
Le calcul du rayon de l'univers observable.
Dans ce modèle, calculer le rayon de l'univers observable n'est pas une mince affaire. On a vu dans le chapitre sur l'univers observable qu'il faudrait idéalement utiliser cette formule :
Malheureusement, si on se met à faire les calculs à la main, on s’aperçoit rapidement que l'intégrale ne converge pas ! Le modèle nous dit donc que le rayon observable de l'univers est infini. Cela est un avantage, car cela résout un problème majeur, appelé problème de l'horizon, qui touche les autres modèles cosmologiques. Nous en reparlerons vers la fin du cours plus en détail.
Le calcul du décalage vers le rouge.
Dans ce qui suit, nous allons supposer qu'un objet à une distance formula_38 émet de la lumière à un instant formula_12, lumière qui est reçue par l'observateur à un instant formula_9. Nous allons calculer le décalage vers le rouge de cette lumière, le "redshift". Pour gérer ce cas, nous allons devoir utiliser la formule suivante, vue dans le chapitre sur le rayonnement, qui donne le "redshift" en fonction du facteur d'échelle :
On injecte alors l'équation formula_8 :
En simplifiant, on trouve :
Il est aussi possible d'écrire le facteur de Hubble en fonction du décalage vers le rouge et réciproquement. Par exemple, imaginons qu'un objet émette de la lumière à un instant formula_45, quand le facteur de Hubble est égal à formula_46 et le facteur d'échelle à formula_47. Sa lumière est reçue par l'observateur à l'instant formula_9, quand le paramètre de Hubble et le facteur d'échelle valent formula_49 et formula_1. On peut alors démontrer l'équation suivante :
Qui peut se reformuler comme suit :
Un modèle trop simplifié pour être réaliste.
Les scientifiques ont estimé le rayon de l'univers observable, et leurs résultats semblent relativement proches du rayon de Hubble. Là encore, comme pour la coïncidence entre âge de l'univers estimé et temps de Hubble, personne ne sait si c'est une coïncidence ou quelque chose de plus important. En théorie, l'égalité formula_53 est respectée en permanence dans le modèle linéaire. Par contre, elle n'est respectée que pour un instant formula_9 bien précis dans les autres et violée dans tous les autres cas. Le fait que l'égalité soit respectée dans notre monde est donc soit une grosse coïncidence, soit elle trahit quelque chose de fondamental qui est encore mal compris. Par contre, les résultats empiriques concernant les mesures de "redshift", ou via d'autres mesures indirectes, ne collent pas du tout avec ce modèle. Autant l'égalité formula_53 est respectée, autant les autres prédictions du modèle ne le sont pas.
Et les mesures ne sont pas seules à nous dire que ce modèle est trop simpliste pour décrire fidèlement l'univers. La théorie nous dit que ce modèle n'est valide que pour un univers vide, c'est à dire en absence de matière. Toute présence de matière biaise les résultats du modèle. Et aux dernières nouvelles, la matière existe...
Le modèle à croissance en loi de puissance.
Maintenant, nous allons étudier le cas d'une expansion en loi de puissance.
En clair, nous allons étudier le cas où le facteur d'échelle est égal à :
Une autre formulation, souvent utilisée, est la suivante :
Les deux formulations sont équivalentes si l'on postule formula_63. Dans ce qui suit, nous utiliserons la première formulation.
Le calcul du facteur de Hubble et des paramètres associés.
Pour calculer le facteur de Hubble, nous allons partir de la dérivée du facteur d'échelle, qui est égale à :
On divise alors par a(t) pour obtenir le facteur de Hubble :
Pour résumer : 
L'évolution du facteur de Hubble.
Pour savoir comment évolue le facteur de Hubble dans le temps, le mieux est encore une fois de calculer sa dérivée. La dérivée du facteur de Hubble est égale à :
On pourrait croire qu'elle est négative, en raison du signe -, mais tout dépend de la valeur de n. C’est le cas si n est positif ou nul, mais il peut être négatif.
Le calcul du paramètre de décélération.
À partir des résultats précédents, on peut calculer la valeur du paramètre de décélération. Pour le calculer, on applique la formule suivante, vue dans le chapitre sur l'univers observable :
On injecte l'équation formula_70 dans l'équation précédente, ce qui donne :
On injecte alors l'équation formula_67, ce qui donne :
Ce qui se simplifie en :
On peut réécrire le tout comme suit :
En clair, l'expansion dépend du coefficient formula_59.
Le calcul de l'âge de l'univers.
L'équation : formula_67 permet de calculer l'âge de l'univers formula_9 à partir du facteur de Hubble. En isolant formula_9 dans l'équation précédente, on trouve en effet :
Reformulons en utilisant le temps de Hubble : 
On voit que l'âge de l'univers est un multiple du temps de Hubble, le coefficient de proportionnalité n'étant autre que l'exposant de la loi de puissance.
Le calcul du rayon de Hubble.
Il est possible, à partir des résultats précédents, de calculer le rayon de Hubble assez facilement. Pour rappel, celui-ci est la distance à partir de laquelle les objets semblent aller plus vite que la lumière à cause de l'expansion. Pour rappel, il vaut :
On injecte alors l'équation : formula_67 :
Dans ce modèle, le rayon de Hubble augmente avec le temps.
Le calcul du rayon de l'univers observable.
À partir des résultats précédents, nous pouvons trouver le rayon de l'univers observable, qui n'est pas le même que le rayon de Hubble. Pour cela, il faut cependant se rappeler ce qu'on a vu dans le chapitre sur l'univers observable. Pour calculer le rayon de l'univers observable, il faut procéder en deux étapes. Premièrement, il faut calculer le rayon comobile, le rayon calculé en supprimant l'effet de l'expansion. Ensuite, on corrige ce rayon comobile pour ajouter l'expansion de l'univers. Si on note formula_88 le rayon de l'univers à l'instant t, alors le rayon comobile est égal à formula_89. Le passage du rayon comobile au rayon observé se fait donc simplement en multipliant par le facteur d'échelle formula_1. La deuxième étape est donc triviale. Par contre, la première étape, le calcul du rayon comobile, fait intervenir une intégrale assez compliquée. Pour rappel, le rayon comobile se calcule avec la formule suivante :
Pour calculer le rayon comobile, nous allons introduire l'équation formula_92 dans la précédente, ce qui donne :
La constante k peut être sortie de l'intégrale, ce qui donne :
On utilise alors la formule formula_95 :
On utilise alors la formule formula_97 :
On regroupe les termes comme suit :
Par définition, le terme formula_100 est égal à formula_101, ce qui donne :
On peut donc en déduire le rayon propre de l'univers observable en multipliant des deux côtés par formula_1 :
La relation entre rayon de Hubble et rayon de l'univers observable.
Les équations précédentes montrent que le rayon de l'univers observable n'est pas égal au rayon de Hubble ! Il y a une différence entre formula_107 et le rayon de l'univers observable formula_104. La relation entre les deux variables se calcule comme suit :
Multiplions au numérateur et au dénominateur par 1 - n :
En réorganisant les termes, on trouve :
Le terme le plus à droite n'est autre que le rayon de l'univers observable :
On peut aussi inverser la relation, ce qui donne :
Les deux rayons sont égaux seulement dans le cas où formula_114, ce qui donne formula_115.
On peut aussi remarquer que l'on a :
Le calcul du décalage vers le rouge.
Voyons maintenant le calcul du "redshift". Dans ce qui suit, nous allons supposer qu'un objet à une distance formula_38 émet de la lumière à un instant formula_12, lumière qui est reçue par l'observateur à un instant formula_9. Pour calculer le décalage vers le rouge de cette lumière, le "redshift", on utilise la formule suivante, vue dans le chapitre sur le rayonnement :
On injecte alors l'équation formula_56 :
On simplifie :
Sachant que formula_126, on a aussi :
En remarquant que formula_128 est une constante, les équations précédentes se simplifient en :
Le modèle à croissance exponentielle.
Pour terminer, nous allons étudier le cas d'une expansion exponentielle, décrite par :
Précisons que nous prenons formula_134, sans quoi la fonction serait décroissante, ainsi que formula_135, pour garantir que l'univers n'a pas de volume négatif. Voir le graphique ci-dessous pour comprendre pourquoi.
Précisons que les propriétés mathématiques de l'exponentielle ont une conséquence assez intéressante. En effet, une exponentielle ne peut pas s'annuler, ce qui fait qu'il n'existe pas de temps t où le facteur d'échelle s'annule. En conséquence, on n'a pas d'instant où tout l'univers est rassemblé en un unique point, on n'a pas de singularité initiale. L'univers n'a donc pas d'âge, il existe depuis un temps infini. Ce modèle est donc un petit peu particulier, dans le sens où il n'y a pas de big-bang dedans. Cela peu sembler bizarre que les cosmologistes utilisent un tel modèle, mais nous verrons dans certains chapitres que ce modèle est plus réaliste qu'il n'y parait. Et à bien y penser, l'absence de singularité est plus un avantage qu'un inconvénient.
Le calcul du paramètre de Hubble.
Une démonstration simple part du principe que le facteur de Hubble est la dérivée logarithmique du facteur d'échelle, c'est à dire la dérivée du logarithme. Pour en faire le calcul, on commence par prendre le logarithme du facteur d'échelle, ce qui colle parfaitement avec la formule exponentielle.
Le logarithme d'un produit est égal à la somme des logarithmes des opérandes :
Le logarithme et l'exponentielle s'annulent, ce qui donne :
On prend ensuite la dérivée, ce qui donne :
Le paramètre de Hubble est donc la constante r de l'exponentielle. On peut donc reformuler la loi d'expansion comme suit :
Le calcul du temps et du rayon de Hubble.
À partir du facteur de Hubble calculé juste avant, on peut calculer le temps de Hubble :
Même chose pour le rayon de Hubble :
On voit que vu que le paramètre de Hubble est constant, le temps de Hubble et le rayon de Hubble le sont aussi. Cela peut paraître bizarre que le rayon de Hubble soit constant, mais rappelez-vous qu'il ne s'agit que du rayon au-delà duquel la vitesse de fuite d'un objet est égale à formula_143. Il n'a pas de signification physique.
Le calcul du rayon de l'univers observable.
Pour trouver le rayon de l'univers observable, on utilise encore une fois l'équation suivante :
On fait le remplacement avec formula_140 :
Vu que k est une constante, on la sort de l'intégrale :
On simplifie :
Le calcul de l'intégrale donne :
On reformule :
On simplifie :
Le terme formula_152 n'est autre que le rayon de Hubble formula_153 :
On voit que le rayon de l'univers observable est plus grand que le rayon de Hubble.
Le calcul du paramètre de décélération.
À partir des résultats précédents, on peut calculer la valeur du paramètre de décélération. Pour cela, on utilise la formule vue dans le chapitre sur l'univers observable :
Le facteur de Hubble est constant, ce qui fait que sa dérivée est nulle. En injectant formula_156 dans l'équation précédente, on trouve :
Ce résultat nous dit que l'expansion de l'univers accélère.
Le calcul du décalage vers le rouge.
Passons maintenant au calcul du "redshift". Pour le calculer, on utilise la formule suivante, vue dans le chapitre sur le rayonnement :
On injecte alors l'équation formula_161 :
On simplifie :
On voit que le "redshift" augmente exponentiellement.