mesure des distances cosmiques

Le modèle standard cosmologique ressemble à une recette de gâteau où tout est strictement mesuré : la matière noire est comme de la farine sans grumeaux (pression nulle), et l'énergie noire comme une levure idéale (équation d'état strictement égale à moins un).

L'onde gravitationnelle issue d'une fusion de trous noirs, c'est comme le son d'une cloche dans la nuit. L'intensité du son permet de savoir à quelle distance se trouve la source.

Mesurer les distances dans l'Univers n'est pas une mince affaire. Presque toutes les méthodes reposent sur la lumière, or celle-ci peut être absorbée par la poussière, diffusée ou déformée sur le chemin. C'est un peu comme essayer de distinguer un phare lointain à travers le brouillard et la brume. Les neutrinos, eux, sont tout autre chose.

L'aube cosmique nous est cachée par un épais voile de temps. Pour voir derrière, il faut capter le signal radio des nuages d'hydrogène neutre — le fameux signal global à 21 cm. Mais il est si faible que le bruit propre du récepteur le submerge.

En 1998, les physiciens ont surpris les neutrinos en flagrant délit : la particule change de type en plein vol. Cela n'est possible que si elle a une masse. C'est devenu la seule preuve en laboratoire d'une physique au-delà du modèle standard. Mais combien pèse exactement un neutrino ? C'est toujours une énigme.

La cosmologie s'est fourrée dans un sacré pétrin. Les deux principales façons de plonger dans le passé de l'Univers — par la lueur primordiale (le rayonnement fossile) et par des objets plus tardifs comme les supernovae — donnent des chiffres différents pour le taux d'expansion (la constante de Hubble) et pour le degré d'agglutination de la matière.

Une étoile à neutrons est l'ancien noyau d'une étoile massive, comprimé à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse comme une montagne.

Une surface noire et froide – voilà à quoi ressemblait depuis des milliards d'années l'océan d'énergie noire, cette substance invisible qui accélère l'expansion de l'univers. Mais le spectrographe DESI a capté une ride à peine perceptible.

Prédites par Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont des balises dans l'océan sombre du cosmos. Elles jaillissent lors de collisions de trous noirs et parcourent l'Univers en ridant l'espace.

Un projecteur éclaire droit dans les yeux, et à quelques pas de là, une minuscule luciole scintille. C'est à peu près à cela que ressemble la chasse à une planète de type terrestre autour d'une étoile voisine : la planète est de cent millions à dix milliards de fois plus faible que son étoile, et dans le ciel, elles se confondent presque en un seul point.

La cosmologie moderne est en dissonance. Les mesures locales de la constante de Hubble à partir des supernovae et des céphéides donnent environ 73 km/s/Mpc, tandis que les contraintes globales issues du fond diffus cosmologique dans le cadre du modèle standard ΛCDM…

Dans le bulbe galactique, où la lumière de milliards d'étoiles se fond en une lueur continue, quatre géants froids sont passés inaperçus. On ne peut pas les voir au télescope — trop loin, trop faibles.

L'orchestre cosmologique ne s'accorde pas sur un seul diapason. Il y a deux groupes d'instruments : les uns écoutent le bourdonnement du jeune univers — le fond diffus cosmologique, les autres lisent les notes sur les galaxies matures et les supernovae.

À la fin des années 1990, le ciel étoilé a réservé une surprise : Saul Perlmutter et Adam Riess ont découvert que l'expansion de l'univers s'accélère.

L'Univers est un immense orchestre interprétant la partition de l'expansion. Les galaxies s'éloignent au rythme d'une musique inaudible : l'énergie noire.

L'Univers ressemble à une forêt dense : de près, on voit des arbres-galaxies individuels, regroupés en bosquets, mais de loin, tout se fond en une verdure continue. La limite au-delà de laquelle le cosmos devient homogène s'appelle l'échelle angulaire d'homogénéité — c'est la taille d'une portion de ciel à partir de laquelle les galaxies sont réparties uniformément.

Longtemps, l'énergie noire — cette force mystérieuse qui accélère l'expansion de l'Univers — a été considérée comme éternelle et immuable, telle une levure qui ne perdrait jamais de sa vigueur.

On gonfle un ballon. D'abord, il se dilate rapidement, puis plus lentement, et soudain, il accélère à nouveau, comme si quelqu'un actionnait une pompe. C'est précisément ce qui semble se passer avec notre Univers.

Deux horloges affichent des heures différentes. L'une est sur notre table, l'autre est loin dans le passé, dans la lueur laissée par le Big Bang. La première, en observant les galaxies proches, mesure la vitesse d'expansion de l'Univers – environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec.

L'univers est structuré comme une éponge : il y a des régions denses, remplies de galaxies et de gaz, et des pores géants — les vides cosmiques. Ces vides occupent une grande partie de l'espace, mais leur contenu restait une énigme — la matière y se manifeste à peine.

Edwin Hubble et Georges Lemaître ont découvert l'expansion de l'univers il y a près d'un siècle.

Les neutrinos sont les particules massives les plus répandues dans l'Univers. Ils nous traversent par milliards chaque seconde, mais ne laissent presque aucune trace. Leur attraction collective, bien que minuscule, peut influencer le mouvement de galaxies entières.

L'Univers tient le registre de chaque étoile naissante. En 13,8 milliards d'années, tant d'étoiles se sont allumées dans les galaxies que leur « recensement » permet de déduire la nature même du cosmos, comme les cernes d'un arbre révèlent le climat des années passées.

Prenez deux boules lourdes et écartez-les d'un mètre : elles s'attirent avec une force qui diminue d'un facteur quatre lorsqu'on double la distance. Cette loi a été découverte par Newton, et elle fonctionne dans une pièce, dans le système solaire, dans une galaxie.

L'explosion d'une étoile massive est un événement brillant mais bref. L'éclair lui-même dure des semaines, mais la poussière qu'il a chauffée autour de l'étoile continue de briller en infrarouge pendant des années.

Des cosmologistes ont mesuré la vitesse à laquelle les galaxies lointaines s'éloignent dans différentes parties du ciel. Pour cela, ils ont utilisé deux types de « règles cosmiques » : les amas de galaxies et les explosions de supernovae d'un certain type.

Si l'espace est une toile, ses coups de pinceau ne peuvent pas être infiniment fins. Il existe une plus petite distance en dessous de laquelle il n'y a pas de sens à mesurer. Cette « granularité » quantique change la géométrie elle-même : le mouvement des galaxies et la croissance des grandes structures reflètent son influence.

Lorsqu'une étoile massive explose, ses débris se dispersent dans toutes les directions, comme les fragments d'un feu d'artifice. Mais comment savoir à quelle distance de nous une telle explosion s'est produite ? Les astronomes ont trouvé un moyen : ils observent les nuages de gaz avec lesquels ces débris entrent en collision. L'idée est simple.

La lumière d'une étoile lointaine met des milliards d'années à nous parvenir, et pendant ce temps, l'Univers a le temps de s'étendre. Comment vérifier que nous comprenons correctement ce trajet ?

La lumière d'un lampadaire qui traverse des stores vénitiens scintille : les bandes bougent, et la luminosité augmente puis diminue. À ce rythme, on peut deviner la largeur du lampadaire lui-même.

Mesurer l'expansion de l'univers, c'est un peu chronométrer une course alors que la piste s'étire. Les fusions d'étoiles à neutrons servent de sirènes standard : leurs ondes gravitationnelles émettent un « volume » connu, donc un signal plus faible signifie une distance plus grande.

La lumière des galaxies lointaines, en traversant les amas de matière, se déforme — tout comme le fond d'une piscine se brise sous la ondulation de l'eau. Les astronomes mesurent ces infimes courbures de forme et obtiennent une carte de la « ondulation » gravitationnelle.

L'univers est un gâteau préparé selon une seule recette, mais la cuillère à café et la balance de cuisine affichent obstinément des quantités de sucre différentes.

Deux méthodes de mesure de la vitesse d'expansion de l'Univers donnent une image contradictoire. Les mesures effectuées à partir des explosions de supernovae par l'équipe de Adam Riess indiquent une expansion plus rapide que les données du rayonnement fossile – la lumière émise après le Big Bang.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie. Si l'on trace un graphique du nombre de particules en fonction de leur énergie, la courbe est régulière, puis chute soudainement. Ces ruptures sont appelées « genoux ».