profondeur optique

Un chasseur tend des collets dans la forêt. Il connaît les habitudes de l'animal, mais ne sait pas s'il se fera prendre. C'est à peu près ainsi que les physiciens installent des détecteurs pour tenter de capturer les particules de matière noire — cette substance invisible qui, pense-t-on, constitue une grande partie de la masse de l'Univers.

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.

La spectroscopie a toujours été une manière d'entendre l'inaudible. Au XIXe siècle déjà, Johann Jakob Balmer déchiffrait les raies harmonieuses de l'hydrogène — une simple harmonie numérique qui préfigurait la théorie quantique.

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.

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.

Un régiment de soldats défile sur la place d'armes. Tant que chacun suit le pas, le mouvement reste net et coordonné. Mais dès que quelqu'un casse le rythme, la cohésion se perd. Dans le monde microscopique, les électrons jouent ce rôle de troupe : lorsque leurs oscillations sont synchrones, la matière émet une raie fine et nette.

Toute mesure de lumière se heurte à une limite fondamentale : les photons arrivent sur le capteur de la caméra de manière irrégulière. Cette ondulation naturelle (bruit de grenaille) brouille les détails fins — comme si vous tentiez de distinguer un instrument discret dans un orchestre à travers le bruit de la salle.

Une goutte d'eau sur une feuille sous le soleil disparaît plus vite que ne le prévoient les calculs thermiques. Il y a quelques années, une hypothèse a émergé : la lumière, par elle-même, sans chauffer, pourrait arracher les molécules d'eau de la surface. On a appelé cela l'effet photomoléculaire.

Une galaxie lointaine où naissent des centaines d'étoiles devrait briller dans la lumière de l'oxygène. C'est ce que pensaient les astronomes : les jeunes étoiles chaudes chauffent le gaz, qui émet alors une lueur infrarouge caractéristique à une longueur d'onde de 63 microns.

Un grain de verre flotte dans un faisceau laser. Il est poussé par les molécules d'air, les photons, même la gravité terrestre — et en observant ses vibrations, on peut comprendre ce qui l'a poussé. Mais toute mesure a une limite : le bruit propre de la particule empêche de voir un signal faible.

Dans le désert d'Atacama, au Chili, à près de cinq kilomètres d'altitude, se dresse un radiotélescope qui capte les ondes millimétriques venues des profondeurs de l'espace.

La lumière qui traverse une cellule colorée perd une partie de sa puissance, comme le faisceau d'une lampe de poche qui traverse un verre de thé. Plus la couleur est dense, plus la lumière est absorbée. Mais jusqu'ici, le microscope ne montrait qu'une ombre plate de ce processus, pas son volume.

La lumière, en traversant une vitre, se réfracte de la même manière dans toutes les directions. Mais dans les cristaux en couches minces, c'est différent : la lumière qui se propage le long des couches perçoit le matériau autrement que celle qui les traverse.

La matière noire est invisible, mais sa gravité régit le mouvement des étoiles et des galaxies. C'est Fritz Zwicky qui en a parlé le premier dans les années 1930, et Vera Rubin a ensuite confirmé sa réalité.

On peut faire en sorte que la lumière d'une même source « se rencontre » elle-même, et alors des franges apparaissent sur l'écran, comme les ondulations provoquées par deux cailloux jetés dans l'eau.