Modèle ΛCDM

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En cosmologie, le modèle ΛCDM^[1],[2] (se prononce « Lambda CDM », qui signifie en anglais Lambda - Cold Dark Matter, c'est-à-dire le modèle « lambda - matière noire froide ») ou modèle de concordance^[3],[4] est un modèle cosmologique du Big Bang paramétré par une constante cosmologique notée par la lettre grecque Λ et associée à l'énergie sombre. Il est souvent appelé modèle standard du Big Bang, car c'est le modèle le plus simple qui rende compte des propriétés de l'Univers observable :

• l'existence et la structure du fond diffus cosmologique^[5],[6] ;
• la structure à grande échelle de la distribution des galaxies^[5],[6] ;
• l'abondance des nucléons^[5] et celle des éléments légers (hydrogène, hélium et lithium)^[6] ;
• l'expansion de l'Univers^[6] et l'accélération de son expansion^[5].

Ce modèle suppose que la théorie de la relativité générale décrit correctement la gravité à l'échelle cosmologique. Il est apparu à la fin des années 1990, après une période où plusieurs propriétés observées de l'Univers semblaient mutuellement incompatibles, et où aucun consensus n'existait sur la composition des densités d'énergie de l'Univers.

Description

Le modèle ΛCDM se fonde sur trois hypothèses^[7] :

• le principe cosmologique^[8], en vertu duquel l'Univers est homogène et isotrope à grande échelle ;
• le principe d'universalité^[8], en vertu duquel la gravitation est décrite par la relativité générale à toutes les échelles ;
• le contenu en matière de l'Univers, donné par la matière noire froide (CDM), les baryons et le rayonnement.

L'Univers contient, de plus, de l'énergie sombre. La lettre grecque Λ est usuellement le symbole de la constante cosmologique, qui est la forme la plus simple d'énergie sombre.

Un tel modèle est aujourd'hui considéré comme le modèle cosmologique le plus simple pouvant décrire l’univers observable. Il est à la base du modèle standard de la cosmologie. Il a supplanté le modèle SCDM, identique si ce n’est qu’il ne possède pas d'énergie sombre, dans le courant des années 1990.

La motivation de ce type de modèle provient de la combinaison de plusieurs observations qui contraignent certains paramètres cosmologiques :

• la détection indirecte de matière noire, par son influence gravitationnelle au sein des galaxies et des amas de galaxies ;
• l’estimation de la densité de cette matière noire, qui est inférieure à la densité critique de l'Univers ;
• les contraintes sur la courbure spatiale de l’Univers, qui indiquent que sa densité totale est très proche de la densité critique ;
• l’observation de l’accélération de l'expansion de l'Univers par l'étude de la distance de luminosité des supernovas de type Ia, qui implique l’existence d’énergie sombre.

La combinaison de ces contraintes rend nécessaire la présence de matière sombre, ainsi que l’adjonction d’une autre forme de matière, l’énergie sombre, ayant un effet répulsif sur l’expansion de l’Univers.

Le modèle ΛCDM minimal^[9] — dit vanilla en anglais^[10],[11] — est défini par six paramètres^{[12],[13],[14]} aux effets indépendants^[15], à savoir^[13] :

${\displaystyle \left\{A_{s},\;n_{s},\;\omega _{b},\;\omega _{m},\;\Omega _{\Lambda },\;\tau \right\}}$,

où :

• ${\displaystyle A_{s}}$ est l'amplitude globale du spectre primordial^[16] ;
• ${\displaystyle n_{s}}$ est l'indice spectral^[17],[18] des perturbations primordiales scalaires de densité^[17] ;
• ${\displaystyle \omega _{b}}$ est la densité de baryons^[13],[19], avec^[13] : ${\displaystyle \omega _{b}=\Omega _{b}h^{2}}$ ;
• ${\displaystyle \omega _{m}}$ est la densité de matière^[13] non-relativiste^[19], avec^[13] : ${\displaystyle \omega _{m}=\Omega _{m}h^{2}}$ ;
• ${\displaystyle \Omega _{\Lambda }}$ est la densité fractionnelle^[13] de constante cosmologique^[16] ;
• ${\displaystyle \tau }$ est l'épaisseur^[17] ou profondeur optique de la réionisation^[18].

La densité de photons est fixée par la température mesurée ${\displaystyle T_{0}}$ du fond diffus cosmologique : ${\displaystyle T_{0}=2,725\;\mathrm {K} }$^[13].

Les neutrinos sont considérés comme de masse nulle^[13].

L'Univers est supposé plat^[13].

Critiques du modèle

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Le modèle standard, bien que privilégié par la majorité des physiciens, fait l'objet de critiques pour ses hypothèses ad-hoc concernant des problèmes cosmologiques connus et non expliqués de façon jugée satisfaisante par le modèle ΛCDM : problème de la formation des structures, problème de la platitude, asymétrie baryonique, problème des baryons manquants, problème de la rotation des galaxies, problème de l'accélération de l'expansion de l'Univers...

Diverses variantes de ce modèle coexistent donc, très souvent inspirées de la relativité générale, parmi lesquelles les théories MOND, l'Univers de Milne, les modèles bi-métriques et les théories des cordes (voir la liste des divers modèles cosmologiques).

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• [Aghanim et Dole 2020] Nabila Aghanim et Hervé Dole, « Les résultats cosmologiques de la mission Planck », Reflets de la physique, n^o 64,‎ janvier 2020, p. 4-10 (DOI 10.1051/refdp/202064004 , lire en ligne [PDF]). 
• [Bartolo, Matarrese et Viel 2018] (en) Nicola Bartolo, Sabino Matarrese et Matteo Viel, « Cosmology : searching for deviations from the standard cosmological model », dans Roberto Aloisio, Eugenio Coccia et Francesco Vissani (éd.), Multiple messengers and challenges in astroparticle physics [« Multiples messagers et défis en physique des astroparticules »], Cham et L'Aquila, Springer et GSSI, hors coll., mars 2018 (réimpr. janvier 2019), 1^re éd., VII-552 p., 15,6 × 23,4 cm (ISBN 978-3-319-65423-2 et 978-3-030-09739-4, EAN 9783319654232, OCLC 1202705026, BNF 45808272, DOI 10.1007/978-3-319-65425-6, Bibcode 2018mmea.book.....A, SUDOC 229325408, présentation en ligne, lire en ligne), chap. 7, p. 499-552.
• [Baumann 2022] (en) Daniel Baumann, Cosmology [« Cosmologie »], Cambridge, CUP, hors coll., juin 2022, 1^re éd., XIX-463 p., 19,4 × 25,2 cm (ISBN 978-1-108-83807-8, EAN 9781108838078, OCLC 1332954144, DOI 10.1017/9781108937092, SUDOC 263185338, présentation en ligne, lire en ligne). 
• [Bouchet 2005] François Bouchet, « Cosmologie », dans Alain Aspect et al., avant-propos de Michèle Leduc et Michel Le Bellac, Einstein aujourd'hui, Les Ulis et Paris, EDP Sciences et CNRS, coll. « Savoirs actuels / physique », janvier 2005, 1^re éd., VIII-417 p., 15,5 × 23,2 cm (ISBN 2-86883-768-9 et 2-271-06311-6, EAN 9782868837684, OCLC 61336564, BNF 39916190, SUDOC 083929657, présentation en ligne, lire en ligne), chap. 7, p. 321-417. 
• [Daniel et Peter 2019] Jean-Yves Daniel et Patrick Peter, Cosmologie : la science de l'Univers, Louvain-la-Neuve, De Boeck Supérieur, coll. « LMD / physique », octobre 2019, 1^re éd., IV-284 p., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-8073-2124-3, EAN 9782807321243, OCLC 1127536715, BNF 46522104, SUDOC 240590430, présentation en ligne, lire en ligne).
• [De Angelis et Pimenta 2018] (en) Alessandro De Angelis et Mário Pimenta, Introduction to particle and astroparticle physics : multimessenger astronomy and its particle physics foundations [« Introduction à la physique des particules et astroparticules : l'astronomie multimessager et ses fondements en physique des particules »], Cham, Springer, coll. « Undergraduate lecture notes in physic », juin 2018, 2^e éd. (1^re éd. septembre 2015), XXX-733 p., 15,5 × 23,5 cm (ISBN 978-3-319-78180-8, EAN 9783319781808, OCLC 1054857247, DOI 10.1007/978-3-319-78181-5, Bibcode 2018ipap.book.....D, SUDOC 230046991, lire en ligne).
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  • [Koyama 2018] (en) Kazuya Koyama, « Gravity beyond general relativity », International Journal of Modern Physics D, vol. 27, n^o 15,‎ novembre 2018, article n^o 1848001 (OCLC 7963247962, DOI 10.1142/S0218271818480012, Bibcode 2018IJMPD..2748001K).
• [Lesgourgues 2021] Julien Lesgourgues, « Fond diffus cosmologique », dans Richard Taillet (dir.), L'Univers jeune : cosmologie primordiale, Londres, ISTE, coll. « Enclyclopédie / sciences / Univers / cosmologie et relativité générale », septembre 2021, 1^re éd., VIII-350 p., 16 × 23,4 cm (ISBN 978-1-78948-032-0, EAN 9781789480320, OCLC 1280457061, BNF 47060200, SUDOC 258148616, présentation en ligne, lire en ligne), chap. 2, p. 93-174. 
• [Montani et al. 2011] (en) Giovanni Montani, Marco Valerio Battisti, Riccardo Benini et Giovanni Imponente, Primordial cosmology [« Cosmologie primordiale »], Singapour, World Scientific, hors coll., janvier 2011, 1^re éd., XXIV-591 p., 15,2 × 22,8 cm (ISBN 978-981-4271-00-4, EAN 9789814271004, OCLC 744521930, DOI 10.1142/7235, SUDOC 152357521, lire en ligne).
• [Omont 2017] Alain Omont, À l'orée du cosmos : un siècle de révolution dans l'astronomie, Les Ulis, EDP Sciences, coll. « Une introduction à », novembre 2017, 1^re éd., XI-263 p., 17 × 24 cm (ISBN 978-2-7598-1909-6, EAN 9782759819096, OCLC 1014020183, BNF 45408297, SUDOC 221338756, présentation en ligne, lire en ligne). 
• Ouvrages spécialisés sur la cosmologie

Articles connexes

• Histoire et chronologie de l'Univers
• Densité critique
• Modèle standard de la cosmologie
• Table des constantes astrophysiques

Liens externes

• [Planck HFI] François R. Bouchet (responsable de la rédaction), « Le modèle de base, dit de concordance » , Planck HFI.

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