données cosmologiques

Le ciel nocturne semble être un semis aléatoire d'étoiles. Mais si on l'observe sur de très grandes distances, le chaos disparaît. Les galaxies se rassemblent en de longs filaments et de vastes murs, et entre eux s'ouvrent d'immenses vides — les vides cosmiques. Cette structure est appelée la toile cosmique.

Lorsqu'une étoile plusieurs fois plus massive que le Soleil meurt, elle se contracte puis explose en supernova. Ce n'est pas seulement un éclair de lumière : tout le processus, de l'effondrement du noyau à l'expansion de l'enveloppe, génère des frémissements de l'espace lui-même.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est refroidi de manière inégale. À certains endroits, des plis ont pu se former — des filaments d'énergie fins comme un cheveu, mais incroyablement denses. Les physiciens les appellent des cordes cosmiques.

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…

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.

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.

2.1 × 10⁻⁹ — c'est à peu près l'écart de température observé sur le ciel, comme si l'on mesurait, à la surface de l'océan, des ondulations hautes d'une fraction de millimètre. Cette infime inhomogénéité est gravée dans le fond diffus cosmologique et raconte les tout premiers instants.

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…

L'Univers est un orchestre grandiose où l'énergie sombre dirige l'expansion. Il y a dix milliards d'années, le chef a changé de geste : la pression négative qui freinait l'assemblage des galaxies a cédé la place à une accélération de l'expansion – celle-là même que Saul Perlmutter…

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.

Les amas de galaxies sont les plus grands ensembles gravitationnels de l'Univers. Dans la lueur des rayons X, produite par le plasma chaud, se cache l'histoire de l'expansion de l'univers, de la matière noire invisible et de la mystérieuse énergie noire.

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.

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 ?

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.

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.

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.

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.

Un recensement qui ne note que les distances entre les maisons passe à côté de beaucoup de choses. On peut savoir où sont les villes et où sont les villages, mais on ne peut pas distinguer un gratte-ciel d'une maison individuelle.

Un immense gâteau en couches, où les couches de pâte sont l'espace et la garniture est une région particulière, semblable à un mur invisible. Ce mur n'est pas en briques, mais en énergie, et il pourrait être aussi épais que l'Univers entier. Si un tel mur existe, il devrait étirer les couches de pâte différemment : celles qui sont le long de lui s'écartent plus vite, et celles qui sont en travers, plus lentement.

La lumière ancienne, qui voyage depuis 14 milliards d'années, nous parvient de toutes les directions. Elle semble parfaitement uniforme, mais si on y regarde de près, on y distingue de minuscules fluctuations — comme des rides sur une pellicule lisse. Ces rides ne sont pas du bruit aléatoire, mais une chronique chiffrée de l'Univers.

L'univers est une immense ville. La matière noire en est la charpente invisible, et l'énergie noire la force qui étire les rues. Longtemps considérées comme indépendantes, une nouvelle étude les surprend en pleine conversation secrète.

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.

Lorsque deux étoiles mortes entrent en collision dans une galaxie lointaine, deux messagers nous informent de l'événement : un frémissement de l'espace — l'onde gravitationnelle — et un éclat de lumière. Les deux messagers traversent l'Univers pour nous rejoindre, mais leurs chemins peuvent légèrement différer.

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.

Le frémissement de l'espace résonne comme un orchestre. Les ondes gravitationnelles captées par les détecteurs LIGO et Virgo racontent les collisions de trous noirs. Parfois, la musique laisse entendre de fausses notes – d'infimes écarts par rapport à la partition d'Einstein.

Vous arpentez à pas comptés une immense salle plongée dans l'obscurité totale. Vous allez d'un mur à l'autre en comptant vos pas, et soudain vous réalisez : les distances ne concordent pas comme elles le devraient. On dirait que le sol n'est pas plat, mais bombé ou creusé en cuvette.

Un interprète est distrait par le moindre bruit dans la salle, et une réunion d'une heure s'étire sur deux. C'est à peu près ce que font les gluons, les particules qui transmettent l'interaction forte à l'intérieur des protons. D'habitude, ils filent dans tous les sens, maintenant les quarks ensemble.

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.

Un album contenant des centaines de photos de famille renferme de nombreuses histoires. Si l'on examine chaque cliché séparément, on pourrait facilement croire que l'oncle est un véritable géant : ce jour-là, il se tenait sur une marche plus haute que les autres. Mais en feuilletant tout l'album, on comprend vite que sa taille est tout à fait ordinaire, c'est juste que la marche apparaît sur quelques photos.

Dans les premiers instants après le Big Bang, le cosmos ressemblait à un étang géant en train de refroidir. Comme l'eau qui gèle se couvre d'un réseau de fissures, l'Univers en refroidissement aurait pu se craqueler – mais non pas de glace, plutôt de fils infiniment fins d'énergie pure. Ces fils sont appelés cordes cosmiques.

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.

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.

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.

Si l'on regarde une carte des galaxies lointaines, elle n'est pas parfaitement uniforme : d'un côté du ciel, il y en a un peu plus, de l'autre, un peu moins. Ce déséquilibre a été remarqué dans plusieurs relevés du ciel, et il ne ressemble pas à un hasard.

Une galaxie ressemble à un manège géant : les étoiles et le gaz tournent autour du centre, et la vitesse de leur mouvement révèle la quantité totale de matière dans ce manège. Si nous ne voyions que la matière lumineuse, les parties externes tourneraient plus lentement que ne le montrent les observations.

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.

La lumière de chaque étoile est son passeport, mais les mentions y sont écrites dans le langage des couleurs. Pour les vieilles géantes, ces documents sont presque indiscernables, et il était impossible d'en déchiffrer les détails à la main.

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.