Résumé
Comment se sont formées les grandes structures, à partir d’un état initial de l’Univers parfaitement homogène, ne possédant à z = 1 000 (dernière surface de diffusion du fonds de rayonnement cosmologique) que des fluctuations d’amplitude relative 10–5 ? On peut montrer que, dans un univers en expansion, une fluctuation de densité ne peut croître par sa propre gravité que proportionnellement à la taille caractéristique de l’Univers, soit comme 1/(1 + z). Ainsi à partir de z = 1 000 les fluctuations ne pourraient atteindre aujourd’hui qu’une amplitude de 10–2, donc toujours pas non linéaire. Si l’on veut expliquer l’existence de galaxies aujourd’hui, il faut absolument disposer de matière noire exotique, qui n’interagit pas avec les photons. Cette matière peut alors s’effondrer sous l’effet de son auto-gravité bien avant z = 1 000, et former des puits de potentiel, ou « galaxies noires », dans lesquels les baryons à partir de z = 1 000 vont tomber pour former des étoiles. Le spectre de puissance de ces structures peut être calculé et correspond bien à un spectre initial indépendant d’échelle (attendu dans les théories d’inflation, à l’origine des fluctuations primordiales). Le spectre observé vient d’une modification, d’un retournement (ou « tilt ») dû au fait que certaines échelles ne pouvaient pas se développer, étant plus petites que l’horizon, dans la période dominée par le rayonnement. Les photons empêchent ces structures de s’effondrer, car ils se déplacent à la vitesse c. Lorsque le rayonnement est dilué par l’expansion, et que la matière domine, ces structures peuvent alors se développer. Il est possible de calculer analytiquement le développement de ces structures, tant qu’elles ne sont pas très non linéaires (formalisme de Press-Schechter). Puis, les simulations cosmologiques sont nécessaires. Celles-ci ont beaucoup de succès à grande échelle, tant que la physique des baryons ne joue pas un grand rôle. À l’échelle des galaxies, l’accord avec les observations n’est pas bon, il faut alors prendre en compte les phénomènes de feedback, dus à la formation d’étoiles et aux noyaux actifs, pour rendre compte de la taille des galaxies (toujours trop grandes dans les simulations).
