champs magnétiques primordiaux

La lumière issue de l'époque la plus chaude de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. C'est le fond diffus cosmologique — une faible lueur qui remplit tout le ciel.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers s'est gonflé à une vitesse prodigieuse — on appelle cette phase l'inflation. Même le vide n'était pas calme : des secousses quantiques agitaient les champs, comme le vent fait onduler les blés. L'un de ces champs, le champ de Higgs sombre, a pu s'écarter par hasard de sa position la plus stable.

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.

L'Univers a résonné intensément dans ses premiers instants. À l'époque de l'inflation, lorsque l'expansion de l'espace dépassait la vitesse de la lumière, les énergies en jeu étaient colossales — des milliers de milliards de fois supérieures à celles du Grand collisionneur de hadrons.

Depuis que Edwin Hubble a découvert la fuite des galaxies, la loi d'expansion de l'univers — la loi de Hubble — demeure la pierre angulaire de la cosmologie.

En 1981, Alan Guth a proposé le scénario de l'inflation cosmologique — une expansion fulgurante de l'espace qui a étiré les fluctuations quantiques jusqu'à l'échelle de galaxies entières.

Dans le plasma incandescent de l'Univers naissant, juste après l'expansion inflationniste imaginée par Alan Guth, régnait l'ère de la domination cinétique.

L'Univers est rempli de matière noire invisible. Comme une goutte d'eau qui, en s'évaporant, laisse un cristal de sel, un trou noir peut s'évaporer en laissant derrière lui un résidu stable minuscule. Cette idée a été développée par Stephen Hawking et Jacob Bekenstein.

L'Univers est en expansion, et son histoire comporte deux épisodes étonnants qui ne cadrent pas encore avec un modèle simple. Le premier est une courte période de jeunesse où tout s'éloignait plus vite que prévu, comme si quelqu'un avait appuyé sur l'accélérateur. Le second est l'accélération actuelle, comme si la même pédale était de nouveau enfoncée, mais plus doucement.

Les trous noirs peuvent être légers — issus d'étoiles mourantes — ou supermassifs — au cœur des galaxies. Il manquait le chaînon intermédiaire.

La lumière ancienne, qui voyage depuis 14 milliards d'années, nous parvient de toutes les directions. Elle semble parfaitement uniforme, mais si on y regarde de près, on y distingue de minuscules fluctuations — comme des rides sur une pellicule lisse. Ces rides ne sont pas du bruit aléatoire, mais une chronique chiffrée de l'Univers.

Dans le chaudron bouillant du Big Bang primordial, le vide, telle une [liquide surfondu], pouvait entrer en ébullition par bulles d'une nouvelle phase. Longtemps, les physiciens ont placé leurs espoirs dans ces bulles comme source de trous noirs primordiaux (TNP) — des candidats idéaux pour la matière noire.

Une poignée de pièces de cuivre éparpillées sur un treillis triangulaire se fige dans un ordre étrange lorsqu'on y fait passer un courant. C'est à peu près ce que font les minuscules aiguilles magnétiques — les spins des électrons — dans un cristal au nom rare : la Y-kapellasite.

Les amas globulaires sont des « pelotes » denses de centaines de milliers d'étoiles qui orbitent autour du centre de la Voie lactée. Certains sont nés dans notre Galaxie, d'autres ont été capturés lorsque la Voie lactée a absorbé des galaxies naines satellites.

Un immense nuage de gaz sombre s'étendait à travers l'univers jeune. À l'intérieur, comme des doigts invisibles, les lignes de champ magnétique issues de la naissance même du monde le traversaient. Ces champs agissent sur les particules chargées, les poussant les unes vers les autres — comme une brise légère qui rassemble les feuilles mortes en tas.

Un minuscule trou noir de la taille d'un noyau atomique flotte dans le bouillon brûlant de l'univers primordial. Normalement, une telle petite créature devrait s'évaporer rapidement, libérant son énergie comme une goutte d'eau sur une poêle brûlante. Mais si l'espace est plus complexe qu'il n'y paraît et contient des dimensions cachées, tout change.

Dans un grand nuage de gaz où naissent les étoiles, les lignes de champ magnétique sont alignées à peu près dans la même direction, comme les fibres d'un morceau de feutre.

Huit géantes rouges — de vieilles étoiles gonflées, semblables à ce que deviendra notre Soleil — jouent faux. Leur surface oscille régulièrement, comme une cloche, mais dans cette sonnerie on entend des ratés : certains tons disparaissent, le rythme se brise.

Autour des jeunes étoiles tourbillonnent des disques de gaz et de poussière — le matériau de construction des futures planètes. À l'intérieur de ces disques, les grains de poussière ne volent pas au hasard : ils s'alignent le long de lignes invisibles où le gaz s'écoule.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers n'était ni vide ni silencieux : il était rempli de plasma brûlant, de particules et de champs magnétiques. Parmi ces particules, il y avait peut-être des axions – de légères particules quasi insaisissables, candidates à la matière noire.

Le télescope spatial James Webb a repéré, dans l'Univers primordial, de minuscules objets rouges anormalement brillants. Leur lumière dépasse de plusieurs centaines de fois ce que l'on attendrait de galaxies ordinaires de cette époque.

Immédiatement après le Big Bang, l'univers ressemblait à une soupe bouillonnante : des paires de particules et d'antiparticules émergeaient du vide puis s'y engloutissaient. Mais l'expansion brutale — l'époque décrite par Alan Guth et Andrei Linde — a mis un couvercle sur cette marmite.

L'Univers n'a pas commencé dans le silence, mais avec un fracas grandiose — les ondes gravitationnelles primordiales, ondulations de la trame même de l'espace-temps, portent encore l'écho de cet événement. Les astrophysiciens tentent de capter cet écho par deux méthodes complémentaires.

Un laser puissant frappe une minuscule cible, qui se transforme instantanément en un nuage de gaz surchauffé, du plasma. Dans ce nuage naissent spontanément des champs magnétiques. Comme des mains invisibles, ils empêchent la chaleur de s'échapper librement du centre brûlant.

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.

Quelque part au-dessus de nos têtes, chaque seconde, un proton accéléré à une énergie des millions de fois supérieure à celle du Grand collisionneur de hadrons percute l'atmosphère. Il frappe une molécule d'air, et une cascade naît – une large pluie atmosphérique de milliers de particules.

Dans ses premiers instants, l'Univers ressemblait à une pâte qui tantôt lève rapidement, tantôt s'immobilise une seconde. Durant ces brèves poussées — que l'on appelle expansion entrecoupée — même d'infimes champs magnétiques ont pu croître, comme des bulles dans une pâte bien battue.

Dans la vase au fond des étangs vivent des bactéries qui portent en elles de minuscules aiguilles magnétiques. Ces aiguilles sont des chaînes de cristaux de magnétite, et elles aident les bactéries à nager le long du champ magnétique terrestre, comme l'aiguille d'une boussole, à la recherche de meilleures conditions.

L'Univers jeune ressemblait à un chantier où, au lieu de monter les étages lentement, on utilisait des blocs prêts à l'emploi. Ces blocs, ce sont les trous noirs primordiaux, nés dans les premières fractions de seconde après le Big Bang.

La matière noire n'est peut-être pas faite de particules, mais de trous noirs datant du Big Bang.

La fusion de trous noirs engendre une onde gravitationnelle. Parfois, sur son chemin, elle rencontre une galaxie ou un amas de matière noire, prédite par Fritz Zwicky et découverte par Vera Rubin.

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.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire. Une des hypothèses : ce serait de minuscules trous noirs, nés au moment du Big Bang. Avec une masse d'astéroïde et une taille plus petite qu'un atome, ils traversent les planètes sans laisser de trace.

L'Univers, après le Big Bang, était presque parfaitement homogène. Presque, car de minuscules inhomogénéités de densité, étirées par l'inflation, sont devenues les germes des galaxies. Mais si ces mêmes inhomogénéités pouvaient engendrer non seulement des étoiles, mais aussi des trous noirs ?

Nuit du 4 mars 2024. Le radiotélescope MeerKAT, en Afrique du Sud, capte une impulsion d'une milliseconde : un sursaut radio rapide venu de 17.4 gigaparsecs de profondeur. C'est une lumière qui a mis 10.5 milliards d'années pour atteindre la Terre.