croissance des structures

Une vieille boule d'étoiles, qui a rassemblé des centaines de milliers de soleils, tourne depuis des milliards d'années à la périphérie d'une galaxie naine. D'après les calculs, elle aurait dû depuis longtemps s'effondrer vers le centre, comme une pierre lourde dans de la gelée. Mais la boule tient bon, et ce fait empêche les astrophysiciens de dormir depuis plusieurs décennies.

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.

Dans la pénombre de l'aimant, la personne surveille de rares éclairs sur un écran. Une caméra infrarouge filme sa pupille mille fois par seconde, tandis qu'un appareil d'imagerie par résonance magnétique enregistre quelles zones du cerveau s'activent.

Une vieille ville se dote de nouveaux faubourgs. Au centre, des ruelles étroites où la vie s'est presque figée, et en périphérie, un chantier bouillonne. C'est l'image d'une galaxie spirale dont le noyau abrite des étoiles vieillies depuis longtemps, tandis que le disque externe continue de former des étoiles.

Une usine capable de produire un million de pièces par heure n'en fabrique pourtant qu'une centaine. C'est à peu près ce que fait notre Univers, si on le regarde à travers le prisme de l'entropie — cette mesure du désordre qui, selon les lois de la physique, ne peut qu'augmenter. Les principales « machines » de cette usine sont les trous noirs supermassifs.

Un ensemble de jazz : d’abord une cacophonie de notes aléatoires. Puis — un riff accrocheur qui résonne encore et encore. C’est aussi l’énigme de l’origine de la vie — mais en langage chimique.

Le modèle standard ΛCDM (qui inclut l’énergie noire et la matière noire froide) est la partition de la symphonie cosmique. Il décrit comment, après le Big Bang, l’espace s’est dilaté. Comment la matière noire s’est agglomérée. Comment les galaxies se sont allumées.

En 1929, Edwin Hubble a pointé son télescope vers des galaxies lointaines et a découvert qu'elles s'éloignent. Quatre-vingt-dix ans plus tard, deux mesures de cette vitesse d'éloignement – l'une issue de la lumière ancienne, l'autre d'étoiles proches – refusent obstinément de coïncider.

L'Univers ressemble à une immense charpente invisible. Nous ne la voyons pas directement, mais nous savons qu'elle existe : c'est grâce à elle que les galaxies et les amas tiennent ensemble. Cette charpente, c'est la matière noire. La version la plus populaire dit qu'elle est « froide » et qu'elle est constituée de particules lourdes et lentes.

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.

Imaginez l'Univers primordial comme une cloche de dimensions inimaginables. L'inflation — l'époque d'expansion fulgurante imaginée par Alan Guth — la frappe, et une onde se propage à travers le tissu de l'espace-temps.

Depuis que Fritz Zwicky a remarqué que les amas de galaxies se déplacent trop vite, et que Vera Rubin a mesuré la rotation des bras spiraux, la matière noire reste la grande énigme de la cosmologie.

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.

Quand nous plongeons notre regard dans le cosmos, nous voyons le passé. La loi d'Edwin Hubble transforme le décalage vers le rouge en machine à remonter le temps : la lumière de la galaxie UDS 12999 a mis 7,6 milliards d'années pour nous parvenir — plus de la moitié de la vie de l'Univers.

Dans les premiers instants qui ont suivi le Big Bang, l'Univers n'était pas un vide silencieux, mais un chaudron bouillonnant de plasma, parcouru d'ondes sonores. Lorsque la température a baissé, le cosmos a connu des transitions de phase – des réorganisations spontanées qui ont fait naître des bulles de nouvelle phase.

Dans la quête de la nature de la matière noire, l'une des hypothèses les plus intrigantes plonge ses racines dans les tout premiers instants après le Big Bang.

Tout a commencé par un déficit de masse. Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en mesurant les vitesses dans les amas de galaxies, fut le premier à soupçonner la présence d'une matière invisible.

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.

Au centre d'une galaxie, la gravité condense la matière noire en une « épine » dense. Une telle épine de matière noire ressemble à un entonnoir de particules invisibles autour d'un corps massif. Mais si le centre et les particules sont des trous noirs primordiaux, le tableau se brise.

Les galaxies lenticulaires sont les « discrètes » du cosmos : elles ont un disque, mais pas de bras spiraux brillants. Leur origine est restée longtemps mystérieuse. Une équipe de scientifiques a lancé la simulation informatique Hydrangea et a suivi le destin de chaque galaxie, de sa jeunesse à nos jours.

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.

Dans la construction du Système solaire, comme dans un menu de dégustation gastronomique, la recette n'est pas toujours fixée à l'avance — parfois, le dernier ingrédient est ajouté alors que le plat est déjà sur le feu.

Grâce au télescope James Webb, des astronomes ont plongé leur regard dans un ancien quasar, le cœur éblouissant d'une galaxie où un trou noir géant aspire la matière. Il s'avère que ce dernier ne fait pas que détruire, il crée aussi : ses puissants jets et ses ondes de choc agissent comme un véritable moulin cosmique.

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.

Le forgeron forge une épée. À chaque coup de marteau, le métal incandescent s'aplatit, mais le marteau lui-même, l'enclume et l'air ambiant s'échauffent légèrement. Une partie de l'énergie du coup se dissipe irrémédiablement en chaleur — et cet échange, familier à quiconque a déjà planté un clou, se révèle être la clé des plus grandes énigmes du cosmos.

Jetez une pierre dans un étang, et des cercles se forment. Quelque chose de semblable se produit à l'intérieur d'amas compacts de matière noire lorsqu'ils se trouvent dans un environnement particulier : un champ scalaire.

Un ballon de baudruche ne se dégonfle pas d'un seul coup : d'abord, des creux apparaissent à sa surface, qui courent, fusionnent, et finalement le ballon se ratatine en un point. C'est à peu près ce que font les parois de domaine – de fines cloisons qui divisaient l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang.

Dans un parc urbain, les arbres poussent plus vite que dans une forêt profonde. Non parce que le sol y est meilleur, mais parce que les branches s'y entrecroisent plus souvent et que les graines s'y échangent. C'est à peu près ce que vivent les galaxies du protomamasque de la Toile — un immense amas de matière qui, dans des milliards d'années, deviendra un amas mature.

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.

Si l'on ne remue pas un cocktail en couches, le sirop lourd descend au fond. Une jeune planète est un océan bouillonnant de roche en fusion. En refroidissant, des minéraux s'y cristallisent : certains, comme le fer, deviennent plus lourds et coulent, d'autres flottent. On pourrait penser qu'une couche dense s'accumule près du noyau.

Une foule sur une place de ville se comporte différemment selon que les gens se tiennent par la main ou non. Si chacun ne fait qu'effleurer le coude de son voisin, les gens se dispersent facilement dans toutes les directions — la foule s'étend comme un tapis uniforme.

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.

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.

Après le Big Bang, la matière noire et la matière ordinaire (principalement de l'hydrogène) se sont séparées en termes de vitesse.

Un ballon se gonfle tout seul, alors que personne ne souffle dedans. C'est à peu près ce à quoi ressemble l'expansion accélérée de l'Univers – et pour l'expliquer, on invoque généralement l'énergie noire, une force invisible et incompréhensible. Mais et si le ballon se gonflait parce que de nouvelles molécules d'air apparaissent continuellement à l'intérieur ?

Chaque coquillage est un journal de croissance en pierre. Le mollusque ne le construit pas selon un plan, comme un architecte, mais ajoute simplement du matériau le long du bord, en suivant toujours la même règle. C'est comme si un escargot collait chaque jour une nouvelle bande à sa maison, en la décalant légèrement et en augmentant sa taille.

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.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais chaque galaxie ressent son attraction. On se l'imagine souvent comme une mer de particules identiques et silencieuses. La nouvelle étude dresse un tableau plus vivant : deux sortes de particules, lourdes et légères, en échange constant.

Dans un nuage, des milliers de minuscules gouttelettes d'eau flottent dans l'air. Pour qu'il pleuve, elles doivent grossir : s'agglutiner en grosses gouttes et devenir assez lourdes pour tomber sur le sol.

Deux amas de galaxies sont entrés en collision, comme deux nuées d'abeilles qui se traversent mutuellement. L'un d'eux est la célèbre « Balle ».