Avant-propos :

Les observations-clés qui fondent la cosmologie

La récession des galaxies, la nucléosynthèse primordiale, la distribution en corps noir du fond diffus cosmologique micro-onde et la mesure du spectre de ses anisotropies sont autant d'observations qui fondent la cosmologie moderne. Celle-ci est entrée depuis quelques années dans une nouvelle phase où les paramètres qui donnent les éléments quantitatifs de base des modèles cosmologiques - vitesse d'expansion de l'Univers, contenu en énergie et en matière - sont bien identifiés. Le modèle cosmologique dit concordant demande certes encore à être consolidé. Quoi qu'il en soit, les observations cosmologiques permettent de tester de plus en plus finement les différentes étapes de l'histoire thermique de l'Univers. Laboratoire de physique des hautes énergies, les observations extragalactiques sont en passe de véritablement contraindre la physique des particules au-delà du modèle standard.
De nombreuses pistes s'offrent aux chercheurs dans ce sens, identification de la matière noire, nature de l'énergie noire, exploration de la physique inflationnaire...

Objectifs du livre

Dans cette perspective l'objectif principal de ce livre est de présenter un corpus des connaissances sur lequel les cosmologues s'appuient pour décrire les aspects les plus solides des modèles cosmologiques actuels, son histoire thermique et l'évolution de sa structuration.
Si la cosmologie moderne consiste dans une grande mesure à explorer les différentes étapes que l'Univers a traversées au cours de son expansion, et donc de son refroidissement, certains moments de l'histoire thermique de l'Univers sont indéniablement mieux maîtrisés que d'autres. Les étapes les plus tardives ayant lieu à des énergies accessibles en laboratoire sont les mieux comprises ; les étapes les plus précoces, aux plus hautes énergies, apparaissent beaucoup plus spéculatives. Ainsi la structuration de l'Univers local, la formation du fond diffus cosmologique micro-onde sont des mécanismes certes complexes mais qui s'inscrivent dans un cadre théorique bien connu. A contrario un cadre théorique bien établi manque pour décrire certaines séquences de l'Univers primordial, leptogenèse ou baryogenèse, inflation, qui sont peut-être autant de clés pour comprendre de nouveaux aspects de physique des hautes énergies.
Des progrès dans notre compréhension de ces phénomènes passeront néan­moins par l'amélioration des observations cosmologiques. Celles-ci ont fait des progrès spectaculaires ces dernières années. En particulier un outil d'investigation exceptionnel a vu le jour : les anisotropies du fond diffus cosmologique permettent en effet de sonder avec une précision inégalée aussi bien les propriétés physiques du fluide cosmique au moment de la recombinaison que les mécanismes à l'origine des grandes structures de l'Univers. La physique du fond diffus cosmologique micro-onde est un passage obligé pour la cosmologie moderne. Néanmoins les avancées de cosmologie observationnelle des prochaines années impliqueront immanquablement d'autres types d'observations. En particulier les relevés extragalactiques de grande taille, comptage d'objets, effets de lentille gravitationnelle faible, absorbants sur les lignes de visée, apportent des contraintes complémentaires précieuses aux observations du fond micro-onde. Ces dernières ne rendent donc pas obsolètes les observations des grandes structures de l'Univers qui sont plus que jamais un outil indispensable à notre compréhension aussi bien du contenu en matière/énergie de l'Univers que de l'origine des structures. L'émergence des non-linéarités en particulier est au coeur de bien des domaines de recherche. De nombreuses sections du livre donneront une ouverture vers ce type de développement, que ce soit d'un point de vue de dynamique gravitationnelle à diverses époques de l'histoire de l'Univers ou d'un point de vue statistique avec toutes les questions d'ordre pratique que pose l'existence de couplages de modes.
L'objectif principal de ce livre est ainsi de donner les concepts et les outils théoriques permettant de comprendre comment ces diverses observations se complètent et comment elles permettent en principe d'aborder non seulement des problèmes d'astrophysique mais aussi des problèmes de physique fondamentale. Ce livre ne prétend pourtant pas être un cours ni de relativité générale, ni de physique des hautes énergies - on trouvera ailleurs de bons ouvrages consacrés à ces sujets. Il s'attache davantage à présenter les cadres théoriques qui permettent de comprendre les observations cosmologiques les plus récentes. Un objectif central est en particulier de présenter les divers aspects de la théorie de formation des grandes structures de l'Univers, de leur origine, de leur dynamique et de leurs propriétés statistiques.
Ce document s'adresse a priori aux étudiants commençant une thèse en cosmologie ou à tout chercheur désireux d'approfondir les fondements théoriques qui sous-tendent les interprétations actuelles des observations cosmologiques. Les chapitres s'enchaînent de manière assez logique, toutefois certaines sections ou certains paragraphes peuvent contenir des aspects ou des concepts plus élaborés dont la lecture n'est pas indispensable à la compréhension générale du livre. Ces parties sont signalées par les mentions. Enfin de nombreux compléments, regroupés en fin de chapitre, approfondissent ou illustrent les sections principales.