paramètres cosmologiques

Une goutte d'encre se répand dans un verre d'eau : ses bords se déplacent plus vite que son centre, et la forme de la goutte change. De même, un amas de matière noire qui s'effondre sous son propre poids se dilate de manière non uniforme : ses différentes coquilles s'éloignent à des vitesses différentes.

Au cœur d'une vieille ville se dresse une tour avec une horloge que l'on n'a jamais remise à l'heure depuis sa construction. En mesurant son retard, on peut calculer à quel point le temps s'est étiré depuis.

À force de fixer longtemps la fenêtre nocturne, on finit tôt ou tard par se heurter à une noirceur au-delà de laquelle on ne voit rien. Ce n'est pas simplement une clôture lointaine – c'est le bord de l'Univers accessible, l'horizon cosmique. La lumière des étoiles plus lointaines n'a tout simplement pas eu le temps de nous parvenir.

Le modèle standard ΛCDM (qui inclut l’énergie noire et la matière noire froide) est la partition de la symphonie cosmique. Il décrit comment, après le Big Bang, l’espace s’est dilaté. Comment la matière noire s’est agglomérée. Comment les galaxies se sont allumées.

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…

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 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.

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 primordial s'est dilaté à une vitesse fulgurante — on appelle cette phase l'inflation. Mais comment exactement ? Certains modèles décrivent l'expansion comme une montée exponentielle abrupte, d'autres comme un mouvement plus calme en loi de puissance.

En cosmologie, un drame se prépare : deux instruments principaux — l'orchestre de l'Univers primordial et l'ensemble de chambre du cosmos moderne — interprètent la même symphonie d'expansion à des tempos différents.

L'Univers est un orchestre qui joue la symphonie du Big Bang. Longtemps, on a cru que le chef d'orchestre était l'énergie noire – un métronome immuable qui donne le tempo à l'expansion.

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'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.

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.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky fut le premier à remarquer que les galaxies des amas se déplacent trop vite — quelque chose d'invisible les retenait. Plus tard, Vera Rubin mesura la rotation des galaxies spirales, confirmant que le cosmos est imprégné de matière noire.

La cosmologie est une musique des sphères, et la constante de Hubble nous a longtemps semblé un métronome fiable.

La cosmologie traverse une faille tectonique. Les supernovae calibrées par les céphéides, mesurées par l'équipe de Adam Riess, indiquent une vitesse d'environ 73 km/s par mégaparsec.

Juste après le Big Bang, l'espace aurait pu vibrer sous l'effet des phénomènes quantiques, comme une corde de guitare. En s'atténuant, ces oscillations auraient laissé une marque dans la fuite des galaxies : un effet de mémoire.

Si vous allumez une lampe dans une pièce, elle éclaire les murs. Mais si vous placez la même lampe dans une immense salle, la lumière atteint à peine les coins. De la même manière, le rayonnement des jeunes étoiles agit sur le gaz d'une galaxie : il arrache des électrons aux atomes d'hydrogène, faisant briller le gaz.

L'univers obéit à des règles strictes, comme les joueurs autour d'une table. L'une d'elles : la gravitation attire toujours, et l'énergie ne peut pas être négative.

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.

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.

Un café chaud posé sur la table refroidit : la chaleur se propage du centre chaud vers les bords. C'est à peu près ce que font, selon les auteurs, l'univers lui-même – mais à l'échelle de milliards d'années-lumière.

L'Univers ne supporte pas la monotonie. Il y a un siècle, Edwin Hubble et Georges Lemaître nous ont offert une image élégante : un cosmos en expansion, lisse comme la surface d'un ballon gonflé.

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.

On gonfle un ballon, mais à chaque pression sur la pompe, le caoutchouc ne se contente pas de s'étirer — il modifie légèrement son élasticité. De manière similaire, la gravité fonctionne dans ce nouveau modèle : non pas comme une scène rigide pour le spectacle cosmique, mais comme un matériau vivant qui réagit à chaque parcelle de matière.

Une casserole de soupe bouillante qui se met soudain à refroidir à toute allure — voilà à quoi ressemblait l'Univers quelques minutes après le Big Bang. La température chutait, et les protons et les neutrons commençaient à s'agglutiner pour former les premiers noyaux : hydrogène, hélium, deutérium et lithium.

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.

On gonfle un ballon. D'abord, il se gonfle lentement, puis quelqu'un ajoute brusquement de l'air — et le ballon se dilate plus vite. Mais voilà que le flux d'air faiblit, et le ballon recommence à se gonfler plus lentement.

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.

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.

L'Univers est une toile immense faite de matière noire invisible et de galaxies, tendue par l'expansion de l'espace. Les neutrinos, ces particules fantômes presque insaisissables, s'accrochent à peine aux fils, mais leur masse totale modifie imperceptiblement la tension de tout le réseau.

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.

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.

L'Univers est en expansion, et les scientifiques veulent savoir à quelle vitesse et de quoi il est composé. Pour cela, ils comparent les données provenant d'explosions d'étoiles lointaines, d'ondes sonores dans l'Univers primordial et de la faible lueur résiduelle du Big Bang. Chaque ensemble de données est comme une pièce de mosaïque, et il faut les assembler pour former une image d'ensemble.

Un programmeur écrit du code, l'exécute, voit l'erreur et corrige. Désormais, ce processus peut être confié au programme lui-même. L'apprentissage profond en imagerie médicale sait déjà améliorer des algorithmes, mais il exige généralement beaucoup de données et d'exemples prêts à l'emploi.

Dans le modèle cosmologique standard ΛCDM, les galaxies s'éloignent sous la poussée de l'énergie noire, un ressort invisible. Cependant, différentes méthodes de mesure de la vitesse de l'expansion donnent des nombres différents, comme si la règle avait une échelle déréglée.

L'Univers est en expansion, et les galaxies s'éloignent comme les raisins secs dans une pâte qui lève. Mais depuis la fin des années 1990, on sait que cette expansion s'accélère. Quelle force pousse les galaxies à s'éloigner de plus en plus vite ? C'est l'une des plus grandes énigmes de la physique.