occultation du fond diffus cosmologique

La lumière issue de l'époque la plus chaude de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. C'est le fond diffus cosmologique — une faible lueur qui remplit tout le ciel.

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.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est gonflé à une vitesse prodigieuse — on appelle cette phase l'inflation. Même le vide n'était pas calme : des secousses quantiques agitaient les champs, comme le vent fait onduler les blés. L'un de ces champs, le champ de Higgs sombre, a pu s'écarter par hasard de sa position la plus stable.

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.

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.

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.

À deux millions d'années-lumière de nous, autour de la jeune étoile CI Tau, tourbillonne un disque de gaz et de poussière — un berceau protoplanétaire.

Le modèle cosmologique standard ΛCDM, où la matière noire et l'énergie noire jouent les architectes en chef de l'Univers, prédit depuis des décennies les données astronomiques avec la précision d'un chronomètre suisse. Trois génies en ont posé les fondations.

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.

L'Univers ressemble à un immense entrepôt où un inventaire rigoureux a été effectué il y a très longtemps. Le rayonnement fossile est un registre ancien de tout ce qui existait 380 000 ans après le Big Bang. Selon ce registre, la proportion de matière dans le « budget » cosmique (le paramètre Oméga_m) est connue avec une grande précision.

Un nuage géant de matière invisible agit comme un miroir déformant — il dévie la lumière d'une galaxie lointaine. Grâce à ces distorsions, les astronomes peuvent peser le nuage et sonder ses entrailles.

Au centre de la Voie lactée, comme une poupée russe dans une autre, se cache un trou noir supermassif, entouré d'un essaim d'étoiles et d'une coquille invisible de matière noire. Cette coquille, ou « pic », devrait en théorie être très dense près de l'horizon.

L'Univers grandit comme une métropole : les galaxies-gratte-ciel s'élèvent sur une charpente invisible faite de matière noire — sa gravité attire les matériaux de construction. Pendant ce temps, l'énergie noire fait continuellement s'étendre la ville elle-même.

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.

Dans une cuisine, on a une balance pour la farine et un verre doseur pour l'eau. Séparément, ils sont précis, mais pour faire du pain, la recette exige un rapport parfait. Un débat similaire agite les astronomes à propos de la vitesse d'expansion de l'univers.

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.

Un projecteur éclaire une salle obscure. Entre la lampe et le mur, une lentille invisible passe — et la tache de lumière devient un instant plus brillante, se déplace légèrement.

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

Le faisceau d'une lampe de poche glisse sur un verre irrégulier. Le verre, ce sont les amas massifs de galaxies, et la lampe de poche, c'est la lumière ancienne née peu après le Big Bang. En passant près de ces amas, la lumière ne se contente pas de les contourner comme l'eau contourne une pierre.

Une pâte à cake figée est parsemée de minuscules raisins secs. Si la pâte est homogène, tous les raisins gonfleront de la même manière, et le cake sera régulier. Mais si la pâte contient des grumeaux — certaines zones plus sucrées, d'autres plus fades — alors les raisins se répartiront de manière inégale : il y en aura beaucoup à certains endroits, et peu à d'autres.

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 nuage géant de gaz et de poussière, si froid que la chaleur y est à peine perceptible — à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu. C'est TMC-1, dans la constellation du Taureau, l'un des berceaux de molécules les plus sombres et les plus denses de notre Galaxie.

L'Univers ressemble à une éponge géante : de brillants filaments de galaxies enlacent d'immenses vides sombres. À l'intérieur de ces filaments et de ces murs se cachent des amas de matière noire invisible — les halos.

Cinq galaxies qui ont depuis longtemps cessé d'allumer de nouvelles étoiles ressemblent à des maisons aux fenêtres éteintes. Mais le radiotélescope ALMA et le télescope spatial James Webb ont regardé à l'intérieur et ont vu : dans ces maisons « endormies », un feu couve encore.

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.

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.

Les astronomes tentent de capter l'écho radio du Big Bang, cette faible lueur qui imprègne tout l'Univers. Mais leurs récepteurs sont submergés par le bruit : notre Galaxie regorge de poussière interstellaire lumineuse, dont le rayonnement peut facilement être confondu avec le signal venu du passé.

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.

Les amas globulaires sont de denses archives stellaires où est consignée la jeunesse de la galaxie. Mais lire cette chronique était entravé par des chronomètres imprécis : les estimations d'âge variaient d'un milliard d'années.

Au cœur de la constellation d'Ophiuchus se trouve la galaxie NGC 6447. Jusqu'à récemment, elle était calme et discrète, comme une maison aux fenêtres éteintes. Mais au cours des 14 dernières années, quelque chose s'est allumé en son centre — et cela est désormais visible en infrarouge.

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 fond diffus cosmologique est une faible lueur qui subsiste après le Big Bang, comme la trace d'un feu qui se refroidit. Il renferme le code des ondes gravitationnelles qui ont pu naître dans les premières fractions de seconde, lorsque l'Univers s'est gonflé plus vite que la lumière.

La lumière provenant de galaxies lointaines traverse des amas de matière, et la gravité de ces amas courbe légèrement son trajet, comme une lentille. En mesurant à quel point les images des galaxies lointaines sont déformées, on peut déduire la distribution de la matière et la manière dont la gravité agit sur la lumière.

La lumière d'un phare lointain se reflète sur le brouillard environnant, et le délai de cette réflexion permet d'estimer la distance. Si le brouillard est hétérogène, la réflexion arrive plus tôt ou plus tard — et la distance s'en trouve faussée.

Dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie qui orbite autour de notre Voie lactée, des astronomes ont capturé cinq étoiles qui ressemblent à des fossiles d'un passé très lointain.

Le ciel nocturne est plein d'étoiles, mais elles ne représentent qu'une infime partie de ce qui existe dans l'Univers. Les astronomes ont depuis longtemps remarqué une étrangeté : les galaxies tournent si vite qu'elles devraient se disperser, mais elles ne le font pas.

L'énergie noire et la matière noire sont les chefs d'orchestre invisibles du cosmos. On les considère généralement comme indépendantes, mais une nouvelle étude propose de les voir comme des partenaires de danse. La meneuse — l'énergie noire — fait varier la masse des particules de matière noire.

La fusion de trous noirs engendre une onde gravitationnelle. Parfois, sur son chemin, elle rencontre une galaxie ou un amas de matière noire, prédite par Fritz Zwicky et découverte par Vera Rubin.