mesure du fond diffus cosmologique

Les huit cartes du ciel prises par les différents détecteurs du télescope Planck ressemblent à huit atlas routiers d'une même ville, dessinés par différents cartographes. Chaque atlas est tourné d'un angle qui lui est propre : l'un tenait sa planchette légèrement inclinée, un autre légèrement pivotée. Si l'on superpose les atlas, les rues ne coïncident pas.

Imaginez que vous regardez une chaîne de montagnes lointaine à travers le brouillard matinal. Les contours des sommets sont flous, et si le brouillard est hétérogène, certains versants se perdent plus que d'autres. C'est à peu près ainsi que les astronomes perçoivent la lumière ancienne de l'Univers, qui met 13,8 milliards d'années à nous parvenir.

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.

Les cosmologistes sont confrontés à une situation amusante : deux outils fiables dessinent des cartes légèrement différentes du même Univers. L'un est la carte de la lumière ancienne (le rayonnement fossile), l'autre est la carte de la distribution des galaxies. Dans l'ensemble, ils concordent, mais dans le détail, ils divergent.

L'Univers ressemble à une immense charpente invisible. Nous ne la voyons pas directement, mais nous savons qu'elle existe : c'est grâce à elle que les galaxies et les amas tiennent ensemble. Cette charpente, c'est la matière noire. La version la plus populaire dit qu'elle est « froide » et qu'elle est constituée de particules lourdes et lentes.

264 kilomètres par seconde : c'est à cette vitesse que le Système solaire traverse le nuage de matière noire. Son existence a été révélée par les galaxies : elles tournaient trop vite pour que la masse visible les retienne, et Vera Rubin fut la première à soupçonner une charpente cachée.

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.

Le télescope « James Webb » a plongé son regard dans une époque où l'Univers avait moins d'un milliard d'années et y a aperçu d'étranges objets — des « petits points rouges ». Ce sont des trous noirs de la masse de millions de soleils, mais nichés dans des galaxies très compactes et chimiquement presque intactes.

Dans les premières secondes après le Big Bang, l'Univers nous a laissé non seulement de la lumière, mais aussi quelque chose de bien plus insaisissable — le fond de neutrinos reliques. Cet écho de la création imprègne chaque centimètre cube, mais nous ne le remarquons presque pas.

La cosmologie ressemble à un orchestre où les différents pupitres se mettent soudainement à jouer en désordre. Les mesures de la vitesse d'expansion de l'Univers (la constante de Hubble) dans l'Univers primordial et dans l'Univers tardif donnent des chiffres différents.

Le rayonnement fossile, c'est la lumière fossilisée des premiers instants. Peu après le Big Bang, les fluctuations quantiques microscopiques ont été étirées par l'inflation jusqu'aux échelles des superamas de galaxies.

Depuis l'enfance, nous avons l'habitude de penser que l'espace est infini et isotrope. Mais Albert Einstein et Georges Lemaître se demandaient déjà : l'Univers ne serait-il pas refermé sur lui-même, comme un ruban de Möbius ou un tore tridimensionnel ?

Un bourdonnement parcourt tout l'Univers. Ce n'est pas un son, mais un frémissement de l'espace lui-même — le fond d'ondes gravitationnelles. Il est créé par des paires de trous noirs supermassifs qui tournent l'un autour de l'autre au centre de galaxies lointaines. Chaque paire est comme un instrument grave dans un immense orchestre.

En 2015, les détecteurs ont pour la première fois capté une onde gravitationnelle — un frémissement de l'espace provenant de la fusion de trous noirs. Depuis, ces signaux sont devenus une nouvelle fenêtre sur l'Univers pour l'astrophysique.

L'Univers à 700 millions d'années, c'est un chantier bruyant où les premières lumières commencent à peine à s'allumer. Les télescopes ont capté un signal de cette époque lointaine : la galaxie REBELS-25, massive et pleine de carburant stellaire.

Une vieille photographie, prise au moment de la naissance de l'Univers, nous transmet sa lumière depuis près de 14 milliards d'années. Ce cliché, c'est le fond diffus cosmologique, l'écho refroidi du Big Bang. On y voit les infimes irrégularités à partir desquelles les galaxies ont ensuite grandi.

Un ressort comprimé reste immobile pendant des années. On croirait qu'il est figé pour toujours, mais à l'intérieur du métal, les atomes se réarrangent lentement — et un jour, le ressort claque, passant à une nouvelle position, plus libre.

Le rayonnement fossile est la lueur résiduelle du Big Bang, que nous observons sur les ondes millimétriques. Mais il possède aussi une traîne de grandes longueurs d'onde qui s'étend dans le domaine radio.

Les trous noirs peuvent être légers — issus d'étoiles mourantes — ou supermassifs — au cœur des galaxies. Il manquait le chaînon intermédiaire.

Des amas en mouvement de galaxies et de matière noire invisible créent des sillages dans la lueur résiduelle du Big Bang, comme des bateaux qui troublent un étang.

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.

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.

Au cœur même de la Voie lactée, quelque chose émet continuellement une lueur gamma. Cette lumière est particulière : son énergie est exactement de 511 000 électronvolts. Une telle énergie apparaît lorsqu'un électron rencontre son antiparticule, le positron, et que les deux s'annihilent en laissant une bouffée de lumière.

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.

La lumière d'une étoile lointaine, en traversant l'atmosphère de la planète K2-18b, a laissé dans le spectre d'étranges « empreintes digitales ». Les astronomes ont collecté cette lumière pendant 420 heures avec le télescope spatial James Webb et l'ont décomposée en couleurs, comme un arc-en-ciel.

La lumière qui voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années est comme une vieille photographie dont les détails apparaissent avec un développement soigneux. Le rayonnement fossile (luminescence résiduelle du Big Bang) conserve l'empreinte des premiers instants de l'Univers, mais son signal est faible et déformé.

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.

La lumière issue des tout premiers instants de l'Univers voyage vers nous depuis des milliards d'années. En chemin, elle passe près d'immenses amas de galaxies. Leur gravité courbe légèrement cette lumière, comme une vitrine déforme la rue que l'on voit à travers elle. Lorsque les amas grandissent, la courbure devient plus marquée. Cet effet est appelé l'effet Rees-Sciama.

Dans le désert glacé de l'Antarctique, le télescope SPT-3G scrute les profondeurs de l'Univers. Sa cible : le rayonnement micro-onde primordial issu du Big Bang. Mais sur son chemin vers nous, ce rayonnement traverse d'immenses amas de galaxies remplis de gaz incandescent.

Au pôle Sud, où l'air est sec et transparent aux ondes millimétriques, se dresse un télescope qui ne regarde pas les étoiles, mais la lumière la plus ancienne de l'Univers. Cette lumière, c'est le fond cosmique micro-onde, le rayonnement refroidi après le Big Bang qui remplit tout le ciel.

À la fin des années 1990, Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt ont découvert, grâce aux observations des supernovae, que l'expansion de l'univers s'accélère.

La matière noire n'est peut-être pas faite de particules, mais de trous noirs datant du Big Bang.

Tout appareil, du grille-pain au smartphone, chauffe lorsqu'il fonctionne. C'est le résultat inévitable de la transformation de l'énergie : il reste toujours une trace thermique, comme une plaque de cuisson encore chaude après la cuisson.

Selon la théorie du Big Bang, développée par Georges Lemaître, l'Univers a commencé par un point chaud et dense, puis a connu une expansion rapide — cette inflation a été proposée par Alan Guth.

Les sursauts radio rapides sont de brillantes éruptions cosmiques qui, tel un coup de pistolet de départ, lancent une course d'ondes radio à travers l'Univers. Les astronomes les ont utilisés pour vérifier si le photon — la particule de lumière — possède une masse.

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 ?