distribution des galaxies

Un fleuve dessiné sur une carte n'est toujours qu'une ligne. Mais placez-vous sur la rive, et vous verrez : dans le lit, il y a des courants plus rapides, des tourbillons, des bras qui tantôt se rejoignent, tantôt se séparent. La toile cosmique est comme ce fleuve, mais fait de matière noire, et jusqu'à récemment, les astronomes la dessinaient d'un seul trait.

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.

L'Univers primordial n'est pas simplement un bouillon chaud de particules. Dans les premières fractions de seconde, la symétrie miroir aurait pu être brisée : le monde et son reflet ne seraient plus tout à fait identiques.

Un sursaut radio rapide est une brève mais puissante émission d'ondes radio provenant de l'espace lointain. En chemin vers nous, le signal traverse des nuages de gaz ténu, et plus il y a de gaz sur le trajet, plus le signal est étalé en fréquences.

Imaginez un manuscrit ancien sur lequel une nouvelle histoire a été écrite par-dessus l'ancien texte. Avec le temps, la couche supérieure s'amincit et laisse transparaître les lignes du passé. C'est exactement ainsi, tel un palimpseste, que sont faits les amas globulaires, les systèmes stellaires les plus vieux de l'Univers.

Lorsque, après le Big Bang, le cosmos en refroidissement a perdu sa symétrie primordiale, des tensions sont apparues dans les champs — comme des microfissures qui se forment dans un verre en refroidissement. Les monopôles globaux, prédits par Gerard 't Hooft et Polyakov, sont devenus de telles « cicatrices » sur le corps de l'univers.

Le principe cosmologique — l'affirmation que l'Univers est homogène et isotrope à grande échelle — est le gardien de notre compréhension du monde depuis Edwin Hubble et Georges Lemaître, dont les idées sont à la base du modèle du Big Bang.

Au cœur d'une minuscule galaxie se trouve un amas dense d'étoiles et de matière noire. Cet amas, appelé soliton, n'est pas figé : il tremble et oscille, telle une gelée sur une assiette.

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 ?

Deux trous noirs qui se rapprochent avant l'impact évoquent des patineurs en couple : chacun tourne sur son axe, et ensemble ils enroulent une danse commune. Ce tire-bouchon commun — le spin effectif — peut être mesuré par les ondes gravitationnelles qui se propagent depuis la paire comme des ronds dans l'eau.

À travers les ondulations de l'eau, les galets au fond d'une piscine semblent décalés et déformés. De la même manière, la gravité de la matière noire invisible courbe la lumière des galaxies lointaines — un phénomène appelé lentille gravitationnelle faible.

L'histoire classique de la naissance de l'univers à partir d'un point incandescent Big Bang se heurte à des questions gênantes : pourquoi le cosmos est-il si homogène et qu'y avait-il avant la singularité ?

Le ciel nocturne nous réserve parfois des énigmes à couper le souffle. L'une d'elles est un anneau de galaxies qui s'étend sur un tiers de l'horizon. Les astronomes l'ont baptisé « Grand anneau céleste » : un amas de galaxies étiré en un mince filament qui se referme en une circonférence d'environ 400 mégaparsecs de diamètre.

Sur une aire de jeux, on vient de lancer le manège. Dans les premières secondes, les enfants s'agglutinent encore, s'accrochent aux barres, et l'ensemble est chaotique. Mais après quelques instants, la force centrifuge les aligne en cercle, donnant au mouvement une forme nette.

Si vous jetez une poignée de paillettes dans une rivière, certaines suivront le courant, d'autres tournoieront dans de petits remous. Les galaxies de l'Univers font de même : elles ne s'éloignent pas seulement à cause de l'expansion, elles tourbillonnent aussi dans des flux géants, comme des copeaux de bois dans des tourbillons invisibles.

Le ciel nocturne semble aussi lisse que la surface d'un lac paisible. Mais si l'on observe les sursauts gamma – de brèves et éblouissantes explosions visibles à travers tout l'Univers – on découvre des vagues dans cette étendue. Des scientifiques ont pris un catalogue de ces sursauts et ont divisé le ciel en deux hémisphères.

Une étoile hérite de la composition chimique du nuage de gaz qui l'a vue naître, tout comme un enfant hérite des gènes de ses parents.

Lancez deux cailloux identiques du sommet d'une montagne : si l'un atterrit un centimètre plus à gauche, au bout d'une minute ils se retrouveront dans des vallées différentes. La galaxie est comme cette montagne, mais avec des milliards de cailloux et une pente qui s'étire sur des millions d'années.

Une corde de guitare ne produit que certaines notes lorsqu'on la pince sur les frettes. De même, le disque de gaz et de poussière autour d'une jeune étoile est parcouru d'ondes stationnaires, mais seules certaines vibrations survivent.

Dans les premiers centaines de millions d'années après le Big Bang, le cosmos ressemblait à un club de jeunes bruyant : les galaxies s'allumaient, entraient en collision, et formaient des étoiles par centaines.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

Dans les nuages de gaz froid où naissent les étoiles géantes, tout est en effervescence. Le gaz se comprime, tourbillonne, se fragmente en amas – les futures étoiles. On a longtemps pensé que le champ magnétique y mettait de l'ordre : comme des fils invisibles, il étirait les amas perpendiculairement à lui-même.

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.

L'Univers ressemble à une toile d'araignée géante : les galaxies ne sont pas dispersées au hasard, mais regroupées en nœuds et le long de filaments. À l'intérieur des filaments, il y a beaucoup de gaz, et c'est là que de nouvelles étoiles s'allument le plus souvent. Mais comment cela a-t-il évolué avec le temps ?

Le télescope James Webb a scruté l'amas de galaxies AS1063 et a distingué des dizaines de milliers d'amas globulaires — des « paquets » d'étoiles denses dispersés dans tout l'amas. Leur position coïncide avec la carte de la masse invisible, établie à partir de la courbure de la lumière des galaxies lointaines.

Si vous versez une poignée de perles colorées sur le sol, elles se répartiront différemment : certaines formeront des tas, d'autres rouleront dans les coins. C'est à peu près ainsi que les galaxies de différentes couleurs – bleues, vertes et rouges – sont dispersées dans l'Univers.

Une carte de ville où, au lieu des rues, on aurait les vitesses des voitures, et au lieu des immeubles, la teneur en métaux des étoiles. Avec une telle carte, on peut repérer le centre et les périphéries sans connaître les distances exactes. C'est précisément cette approche qu'ont adoptée les astronomes pour notre Galaxie, en utilisant les diagrammes « longitude–vitesse » (ℓ–v).

À grande échelle, l'Univers ressemble à une toile d'araignée géante : les amas de galaxies brillants sont reliés par de longs filaments de galaxies, de gaz et de matière noire. On pensait auparavant que la matière s'écoulait le long de ces filaments comme dans des tuyaux vers les amas.

Une géante rouge ressemble à un ballon qui laisse échapper lentement son gaz. L'étoile gonfle, ses couches externes s'affaiblissent, et le vent stellaire emporte de la masse dans l'espace. Mais combien exactement l'étoile perd-elle ? C'est une question importante : de la réponse dépend ce que deviendra son reste — naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir.

Dans les régions presque vides du cosmos, les galaxies tournent de manière coordonnée, comme les danseurs d'une même troupe. Cette danse crée une différence dans la lumière d'un côté à l'autre : d'un côté, un étirement, de l'autre, une compression.

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.

Un signal radio lointain voyage jusqu'à nous à travers le gaz, et plus il y a de gaz sur son chemin, plus le signal est « ralenti ». Les astronomes utilisent cet effet pour peser l'enveloppe invisible de notre Galaxie — son halo.

Les astronomes lisent l'histoire des galaxies à travers leurs portraits. Autrefois, ils utilisaient soit la longue analyse de la lumière par couleurs, soit les rapides photos avec filtres, perdant les détails de la forme.

Sur une autoroute rapide, le flux régulier de voitures se transforme parfois en embouteillage à cause de ralentissements aléatoires. Dans l'Univers jeune, l'expansion générale des galaxies après le Big Bang ressemblait à ce mouvement ordonné.

Quand Edwin Hubble a découvert l'expansion de l'univers et que Vera Rubin a mis en évidence la matière noire, l'édifice de la cosmologie semblait solide.

Dans le nuage sombre NGC 6334I-North, à 5500 années-lumière de la Terre, l'interféromètre radio ALMA a aperçu quelque chose d'inattendu : autour d'une jeune étoile massive tourne un disque de gaz et de poussière, et à l'intérieur, sept condensations denses. Chacune d'elles pourrait devenir une étoile.