Structure à grande échelle de l'Univers

Un filament de la toile cosmique s'étire à travers l'Univers jeune, et le long de celui-ci, comme des perles sur un collier, sont enfilées des galaxies. Au cœur du protocluster SSA22, qui deviendra dans des milliards d'années le centre d'un amas massif, ces perles sont encore brûlantes et poussiéreuses : en leur sein naissent des étoiles, et le gaz froid sert de carburant.

Un recensement de la population par forme du corps : c'est ainsi que l'on peut décrire ce que les astronomes ont fait avec 6348 galaxies massives. Au lieu de la taille et du poids, ils ont mesuré à quel point la lumière est concentrée vers le centre, à quel point la galaxie est aplatie et à quel point sa forme est asymétrique.

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.

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.

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.

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.

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.

Le faisceau d'une lampe de poche perce un brouillard. Plus le brouillard est épais, plus la lumière est diffusée et plus elle met de temps à atteindre l'œil. Un principe similaire s'applique aux sursauts radio rapides — ces impulsions mystérieuses et extrêmement puissantes venues de galaxies lointaines.

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.

Une casserole de bouillie en ébullition : les bulles éclatent, la vapeur s'échappe, mélangeant tout le contenu. C'est à peu près ainsi que se comportent les étoiles massives dans les nuages géants de gaz. Leur rayonnement et leur vent stellaire soufflent d'immenses cavités — les bulles moléculaires, dispersant la matière aux alentours.

Les cosmologistes ressemblent à des cartographes — sauf qu'au lieu de montagnes et de rivières, ils reportent sur la carte des forces invisibles. L'énergie noire, qui accélère l'expansion de l'Univers, demeure une énigme. L'une des hypothèses est le modèle de l'« enchevêtrement gravitationnel cinétique » (KGB).

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.

Dans le silence du monde quantique, il n'y a pas de vide. Les particules sont entrelacées par des fils invisibles : l'intrication. Les auteurs de l'étude ont supposé que le tissu même de l'espace-temps est tissé à partir de ces fils.

Dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l'Univers était le théâtre de changements rapides. Une membrane en caoutchouc tendue qui refroidit rapidement se couvre de microfissures. Un processus similaire à l'échelle cosmique aurait pu engendrer des cordes cosmiques : des filaments d'énergie extrêmement fins mais superdenses, s'étendant à travers tout l'Univers.

La gravité est une force étonnamment faible. Un petit aimant retient un trombone contre l'attraction de toute une planète. Les physiciens cherchent depuis longtemps la cause de cette faiblesse, et l'une des pistes nous mène vers des dimensions cachées.

Dans l'Univers primordial, lorsqu'il se refroidissait après le Big Bang, des défauts ont pu apparaître — un peu comme des fissures dans la glace. L'un de ces défauts est le monopôle global, une minuscule concentration de champ où l'énergie est piégée dans un nœud.

Le cosmos ressemble à un tissu de soie dont les fils de la toile sombre émergent. Les véritables toiles, nous ne les voyons qu'en minuscules lambeaux — à travers les télescopes, dans les catalogues réels de galaxie.

4 610 univers — c'est exactement le nombre de modèles cosmologiques qu'il a fallu aux astrophysiciens pour montrer que le masque gaussien ne fonctionne plus pour les données de nouvelle génération.

Dans les premiers instants après le Big Bang, la transition de phase cosmique a divisé le plasma chaud en régions avec différents vides — les états d'énergie les plus bas du champ.

Le monde qui nous entoure est en trois dimensions — mais ce n'est peut-être qu'une apparence. Certaines théories admettent que l'espace contient des dimensions supplémentaires, repliées ou étirées d'une manière particulière. L'un de ces modèles décrit un univers à cinq dimensions avec une dimension « diluée » (appelée dilaton linéaire).

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.

La matière noire — la fondation invisible de l'architecture cosmique — représente 85% de toute la masse, mais échappe à toute observation directe.

Le modèle standard de la cosmologie, qui s'appuie sur les équations d'Einstein proposées par Albert Einstein, décrit l'Univers comme un cocktail de matière noire (découverte grâce à Vera Rubin) et d'énergie noire dans…

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.

L'explosion d'une supernova lointaine nous a appris quelque chose de difficile à croire : le monde s'étend de plus en plus vite. Le moteur de cette accélération est l'énergie noire — près de 70 % de tout ce qui existe.

La lumière des galaxies lointaines met des milliards d'années à nous parvenir, mais en chemin, elle est déviée et courbée par la toile invisible de la matière noire. Cet effet, prédit par Einstein dans le cadre de la relativité générale, est appelé lentille gravitationnelle.

Une carte cosmologique ressemble à une photo des rides à la surface de l'eau : on en déduit la pierre qui a été jetée. La pierre, ce sont les propriétés de l'Univers — combien il contient de matière ordinaire, combien de matière noire, à quelle vitesse il s'étend.

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.

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 ?

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.

Dans les premiers instants après sa naissance, l'univers aurait pu être multidimensionnel — comme une feuille de papier qui aurait soudainement acquis une épaisseur. Cette « épaisseur » — les dimensions supplémentaires — a commencé à se dilater rapidement. Cette croissance ultra-rapide est appelée inflation.

Notre Univers est en expansion, et son avenir, selon les cosmologistes, est un espace de Sitter vide et froid. Comprendre sa nature quantique, c'est un peu comme essayer de lire un livre en ne regardant que la couverture.

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.

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.

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.

Quelques centaines de millions d'années à peine après le Big Bang, des trous noirs géants se formaient déjà dans l'océan de matière noire invisible. Ils naissaient directement de cette matière, sans l'aide d'étoiles.

Les astronomes dressent des cartes de galaxies et écoutent le murmure radio de l'hydrogène neutre. Le signal est si faible qu'un téléviseur en marche pourrait le noyer, mais des antennes sensibles le captent depuis les profondeurs de l'Univers.

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.

Une lourde boule repose sur un trampoline, et la toile se creuse sous elle. Toute balle qui roule à proximité finit inévitablement par glisser vers le centre. C'est à peu près ainsi que fonctionne la gravité à l'échelle de l'univers entier. Mais que se passerait-il si la toile était bombée vers le haut, comme un dôme ? Alors la balle aurait tendance à rouler vers l'extérieur.