fond cosmique

Un comptable a passé en revue toutes les usines, les entrepôts et les magasins, mais le bilan ne colle pas : la moitié de la marchandise s'est comme volatilisée. C'est à peu près ce que vivent les astronomes depuis des décennies en cherchant la matière ordinaire dans l'Univers actuel.

Le lait qui bout se couvre d'une peau frémissante. En observant ses mouvements, on peut deviner la force du feu sous la casserole et la teneur en matière grasse du lait. De la même manière, les astrophysiciens scrutent le fond diffus cosmologique – la plus vieille lumière qui nous parvient, émise lorsque l'Univers n'avait que 380 000 ans.

L'Univers est un immense océan sombre. Nous ne voyons que l'écume lumineuse à sa surface — les étoiles et les galaxies. Et dans les profondeurs se cachent deux forces invisibles : la matière noire, qui par sa gravité empêche les galaxies de se disperser, et l'énergie noire, qui, au contraire, repousse l'espace lui-même, accélérant…

Une pierre jetée dans l'eau laisse des cercles qui s'étendent. Une onde gravitationnelle est une ondulation de même nature, mais dans l'espace-temps. Elle est produite, par exemple, par la fusion de deux trous noirs. En physique classique, cette ondulation est éternelle : une fois créée, elle traverse l'Univers sans s'atténuer.

380 000 ans après le Big Bang, l'Univers s'était suffisamment refroidi pour que la lumière se découple du plasma. Ce Fond diffus cosmologique baigne encore le cosmos — comme le premier accord d'une symphonie, écho d'un commencement torride.

L'Univers refroidissait comme une baignoire géante après un début brûlant. 400 000 ans après le Big Bang, l'hydrogène était déjà prêt à se recombiner — les protons capturaient les électrons pour devenir des atomes neutres. Mais quelque part dans cette eau sombre, un robinet continuait de goutter.

Le mystère de l'antimatière dans l'espace n'a cessé de hanter les astrophysiciens : d'où viennent les positons qui se déposent comme des flocons de neige dans les détecteurs ? La réponse pourrait se cacher dans le fond gamma le plus omniprésent. L'Univers est imprégné d'une lumière diffuse — le fond photonique cosmique (CPB).

La naissance de l'Univers évoque moins une explosion qu'un embouteillage. D'abord, dans une fraction infinitésimale de seconde après le Big Bang, l'espace s'est étendu paresseusement, comme des voitures prises dans un bouchon. Puis est venu un brusque élan – l'expansion accélérée que les cosmologistes appellent inflation.

L'univers n'est pas un vide, mais une immense sphère cristalline, parcourue de frontières invisibles — les parois de domaine, figées après des transitions de phase.

Une tempête de poussière qui ne s'apaise pas depuis des millions d'années fait rage non pas dans un désert, mais entre les étoiles. Là flottent des nuages de gaz raréfié, traversés par des champs magnétiques. Ces champs alignent les grains de poussière, comme des aiguilles de boussole, le long des lignes de force.

Un immense étang où se propagent des ondulations causées par deux lourdes pierres qui tournent l'une autour de l'autre. Les pierres se rapprochent, les ondulations deviennent plus fréquentes et plus fortes, et bientôt les pierres vont se heurter. Les ondes gravitationnelles sont comme ces ondulations, mais non pas sur l'eau, dans le tissu même de l'espace.

Lorsque les premières étoiles se sont allumées, leur lumière ultraviolette a commencé à arracher les électrons des atomes d'hydrogène. L'univers, de brouillard neutre, s'est transformé en plasma transparent.

Après le Big Bang, l'Univers bouillonnait d'une « soupe » de feu composée de particules fondamentales. En s'étendant et en refroidissant, cette soupe s'est progressivement « solidifiée » en protons et neutrons — un peu comme une cristallisation.

Lorsqu'elles traversent un gaz magnétisé, les ondes radio voient leur polarisation légèrement déviée, un peu comme l'aiguille d'une boussole qui s'incline près d'un aimant. Cette déviation, appelée effet Faraday, a révélé l'environnement invisible autour du trou noir supermassif de la galaxie NGC 1275.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son noyau s'effondre et une onde de choc se propage vers l'extérieur. Mais avant même que l'étoile ne se déchire, des particules qui interagissent à peine avec la matière ordinaire peuvent naître dans ses entrailles. Si elles se désintègrent en lumière, l'énergie se dissipe dans le gaz dense qui entoure l'étoile.

La lumière née au moment du Big Bang a voyagé vers nous pendant près de 14 milliards d'années. Mais en chemin, elle a traversé les champs gravitationnels des galaxies et des amas de matière noire, qui ont courbé ses rayons.

Les sursauts radio rapides sont des éclairs radio fugaces venus des confins de l'univers. En une fraction de milliseconde, ils libèrent autant d'énergie que le Soleil en émet en un mois. L'un de ces sursauts, en se répétant, a permis aux scientifiques de plonger au cœur d'une récente explosion stellaire.

L'Univers ressemble à un océan où des vagues de différentes longueurs déferlent sur le rivage. Les vagues les plus longues sont les inhomogénéités géantes dans la distribution de la matière, que l'on voit dans le rayonnement fossile. La théorie standard dit que de telles vagues devraient exister à toutes les échelles.

Le Soleil éjecte de temps à autre d'immenses nuages de plasma dans l'espace — les éjections de masse coronale. À l'intérieur de ces nuages se trouvent souvent des protubérances emmêlées — des amas de matière plus froids et plus denses. C'est eux qui contiennent beaucoup d'atomes neutres, lesquels émettent une lumière vive dans certaines raies.

Le télescope spatial Einstein Probe a enregistré un orage céleste : après un bref (0,4 seconde) sursaut gamma — l'éclair cosmique — un long roulement de tonnerre en rayons X a suivi. Il a duré près de 10 minutes. C'est la première preuve directe que de telles explosions laissent une traînée de rayons X persistante.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant thermonucléaire, son cœur s'effondre et ses couches externes sont éjectées dans une explosion grandiose — une supernova (terme introduit par Fritz Zwicky en étudiant ces catastrophes).

L'Univers, après le Big Bang, était presque parfaitement homogène. Presque, car de minuscules inhomogénéités de densité, étirées par l'inflation, sont devenues les germes des galaxies. Mais si ces mêmes inhomogénéités pouvaient engendrer non seulement des étoiles, mais aussi des trous noirs ?

Nuit du 4 mars 2024. Le radiotélescope MeerKAT, en Afrique du Sud, capte une impulsion d'une milliseconde : un sursaut radio rapide venu de 17.4 gigaparsecs de profondeur. C'est une lumière qui a mis 10.5 milliards d'années pour atteindre la Terre.