ombre des amas de galaxies

La lumière d'une galaxie lointaine nous parvient à travers sa propre poussière. Cette poussière n'est pas un brouillard uniforme, mais des nuages déchiquetés, semblables à des lambeaux de coton.

En juillet 1969, alors qu'Apollo 11 volait vers la Lune, les astronautes ont remarqué quelque chose d'inhabituel : de brefs éclairs de lumière qui apparaissaient même les yeux fermés. Au début, on a mis cela sur le compte de la fatigue, mais les flashs se sont répétés chez différents équipages.

Le ciel nocturne semble noir, mais si l'on retire les étoiles et que l'on accumule la lumière longtemps, une lueur ténue apparaît – la lumière totale de toutes les galaxies nées depuis 13,8 milliards d'années. Les astronomes l'appellent la lumière extragalactique de fond.

Un comptable a passé en revue toutes les usines, les entrepôts et les magasins, mais le bilan ne colle pas : la moitié de la marchandise s'est comme volatilisée. C'est à peu près ce que vivent les astronomes depuis des décennies en cherchant la matière ordinaire dans l'Univers actuel.

La lumière issue des tout débuts de l'univers voyage vers nous depuis 13,8 milliards d'années. Pendant ce temps, sa polarisation — la direction de ses oscillations — a pu subir une rotation, comme l'aiguille d'une boussole qu'on aurait discrètement tournée. Ce phénomène est appelé par les physiciens biréfringence cosmique.

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…

Dans la galaxie spirale du Feu d'artifice, il y a 6410 pouponnières d'étoiles. C'est le nombre de régions où naissent actuellement des étoiles massives, révélé par un algorithme appliqué aux anciennes images ultraviolettes de Hubble.

Deux galaxies – notre Voie lactée et son compagnon, le Grand Nuage de Magellan – tournent lentement l'une autour de l'autre. Leur attraction gravitationnelle agite les confins lointains de la Voie lactée, comme un caillou jeté dans un étang fait onduler l'eau.

La température au centre d'un amas de galaxies atteint cent millions de degrés. Ces systèmes, les plus grands liés gravitationnellement, sont des laboratoires naturels où la nature cache 85% de sa masse dans la matière noire invisible.

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.

Le bouillon brûlant de l'Univers primordial s'est refroidi de manière inégale. À un moment donné, des bulles de nouvelle phase ont commencé à éclater – comme des bulles de vapeur dans l'eau qui bout. Seulement, ces bulles n'étaient pas faites de vapeur, mais d'un nouvel état de la matière, dans lequel les particules du secteur sombre se sont agglutinées en amas plus gros.

Quelques instants avant une éclipse totale, de rapides bandes d'ombre glissent sur le sol, comme des rides à la surface de l'eau. Ce phénomène a défié les scientifiques pendant des siècles. Il s'avère que tout est une question de nature ondulatoire de la lumière. Le Soleil n'est pas une lampe ponctuelle, mais un disque immense.

La lumière traverse un film froissé – et en ressort légèrement modifiée. C'est à peu près ce que ressentent les ondes gravitationnelles nées dans l'Univers primordial lorsqu'elles traversent la répartition grumeleuse des galaxies et de la matière noire.

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 résonne. Pas au sens habituel — sa symphonie est inscrite dans les infimes variations de densité dont sont issues les galaxies et nous-mêmes.

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.

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.

L'univers n'est pas un vide, mais une immense sphère cristalline, parcourue de frontières invisibles — les parois de domaine, figées après des transitions de phase.

Un étang où des cercles s'étendent depuis une pierre jetée. C'est pareil à l'échelle de l'Univers : un sursaut d'énergie dans le secteur sombre — une substance invisible qui n'émet pas de lumière — crée des ondulations dans le tissu de l'espace. Ces ondulations modifient le chemin des particules de lumière qui voyagent vers nous depuis la naissance même du cosmos.

Les amas de galaxies géants sont des villes de milliers d'îles stellaires, maintenues ensemble par la gravité. À l'intérieur, un gaz brûlant rayonne en rayons X.

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.

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.

Un nageur qui fend l'eau à la vitesse des vagues qui courent à sa surface se retrouve dans une situation étrange : les vagues qu'il crée lui-même ne peuvent ni le dépasser ni rester en arrière. Elles s'accumulent à la proue du nageur et se figent.

Au centre de la Voie lactée, parmi les nuages denses de gaz et de poussière, se trouve une région appelée Sagittaire C. Elle ressemble à un carrefour animé : des étoiles y naissent, des flux de matière s'y heurtent, et tout cela est éclairé par des rayons X. Pendant longtemps, cette lueur est restée une énigme.

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.

Au centre de la Voie lactée, une barre d'étoiles tourne – un amas allongé, semblable à une pale en rotation. Sa gravité crée un champ rythmique autour d'elle, comme les vagues d'un bateau à moteur.

Le fond diffus cosmologique est une faible lumière héritée du Big Bang. Il remplit uniformément le ciel, mais rencontre des obstacles sur son chemin. L'un d'eux est constitué par les amas de galaxies, au sein desquels se trouve un gaz très chaud.

Les trous noirs de plus d'un trillion de soleils agissent comme des parasols cosmiques. Ils projettent une ombre sur la faible lueur résiduelle du Big Bang — cette lumière ancienne qui remplit tout le ciel.

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 les galaxies des Antennes, qui se percutent l'une l'autre, d'immenses nuages de gaz sont entrés en collision à une vitesse de 50 kilomètres par seconde. C'est comme deux trains lancés l'un contre l'autre : le choc a comprimé le gaz, qui s'est embrasé en de nouvelles étoiles.

Au centre de l'amas de galaxies RXCJ1558.3-1410, une vie invisible bouillonne. Le gaz chaud s'y refroidit, mais quelque chose l'empêche de se contracter pour donner naissance à de nouvelles étoiles. Les astronomes ont pointé un radiotélescope vers cet amas et ont vu une faible lueur — un mini-halo.

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.

Des milliers d'univers sont nés dans un ordinateur pour, un jour, parler du nôtre. Chacun avec ses amas de galaxies, disposés selon les lois de la gravitation, comme des petits pois dans un bocal secoué avec plus ou moins de force. La façon dont les petits pois se répartissent permet de deviner quelle main a secoué le bocal.

Les particules de matière noire peuvent se comporter comme de la mélasse : dans un modèle, elles ne se gênent pas ; dans un autre, elles se bousculent légèrement, créant une viscosité. Cela détermine la vitesse à laquelle les trous noirs géants au centre des galaxies tombent l'un vers l'autre et fusionnent.

C'est Vera Rubin qui a découvert que les étoiles des confins des galaxies se déplacent trop vite, comme si une toile invisible les retenait. Et Fritz Zwicky a été le premier à soupçonner qu'une masse invisible immense se cache dans les amas de galaxies.