effet Sunyaev-Zel'dovich

En juillet 1969, alors qu'Apollo 11 volait vers la Lune, les astronautes ont remarqué quelque chose d'inhabituel : de brefs éclairs de lumière qui apparaissaient même les yeux fermés. Au début, on a mis cela sur le compte de la fatigue, mais les flashs se sont répétés chez différents équipages.

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 gaz chaud des amas de galaxies brille dans le domaine des rayons X, et une part importante de cette lumière provient d'atomes de fer ayant perdu de nombreux électrons. Ces atomes laissent dans le spectre des raies brillantes caractéristiques, semblables à des empreintes digitales.

La lumière issue des tout débuts de l'univers voyage vers nous depuis 13,8 milliards d'années. Pendant ce temps, sa polarisation — la direction de ses oscillations — a pu subir une rotation, comme l'aiguille d'une boussole qu'on aurait discrètement tournée. Ce phénomène est appelé par les physiciens biréfringence cosmique.

380 000 ans après le Big Bang, l'Univers s'était suffisamment refroidi pour que la lumière se découple du plasma. Ce Fond diffus cosmologique baigne encore le cosmos — comme le premier accord d'une symphonie, écho d'un commencement torride.

Le rayonnement fossile n'est pas qu'une faible lueur à 2,7 K. C'est une photographie de l'Univers 380 000 ans après le Big Bang, lorsque le plasma primordial est enfin devenu transparent à la lumière. Mais pour les physiciens théoriciens, ce qui s'est passé encore plus tôt est bien plus intéressant.

Le rayonnement fossile, c'est la lumière fossilisée des premiers instants. Peu après le Big Bang, les fluctuations quantiques microscopiques ont été étirées par l'inflation jusqu'aux échelles des superamas de galaxies.

Les tout premiers instants de la vie de l'univers évoquent l'accordage d'un instrument de musique complexe. Les fluctuations quantiques, étirées par l'expansion fulgurante (l'inflation), sont devenues les « notes » à partir desquelles les galaxies se sont ensuite formées.

La lumière traverse un film froissé – et en ressort légèrement modifiée. C'est à peu près ce que ressentent les ondes gravitationnelles nées dans l'Univers primordial lorsqu'elles traversent la répartition grumeleuse des galaxies et de la matière noire.

Un nuage géant de matière invisible agit comme un miroir déformant — il dévie la lumière d'une galaxie lointaine. Grâce à ces distorsions, les astronomes peuvent peser le nuage et sonder ses entrailles.

Des amas en mouvement de galaxies et de matière noire invisible créent des sillages dans la lueur résiduelle du Big Bang, comme des bateaux qui troublent un étang.

Un orchestre de millions d'instruments joue une seule note, mais chacun entre à son moment et avec sa propre intensité. C'est ainsi que résonne le fond stochastique d'ondes gravitationnelles — le grondement des fusions de trous noirs impossibles à distinguer individuellement.

Un étang où des cercles s'étendent depuis une pierre jetée. C'est pareil à l'échelle de l'Univers : un sursaut d'énergie dans le secteur sombre — une substance invisible qui n'émet pas de lumière — crée des ondulations dans le tissu de l'espace. Ces ondulations modifient le chemin des particules de lumière qui voyagent vers nous depuis la naissance même du cosmos.

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

Lorsque les premières étoiles se sont allumées, leur lumière ultraviolette a commencé à arracher les électrons des atomes d'hydrogène. L'univers, de brouillard neutre, s'est transformé en plasma transparent.

Prenez deux boules lourdes et écartez-les d'un mètre : elles s'attirent avec une force qui diminue d'un facteur quatre lorsqu'on double la distance. Cette loi a été découverte par Newton, et elle fonctionne dans une pièce, dans le système solaire, dans une galaxie.

Dans le désert d'Atacama, au Chili, se dresse un télescope qui ne regarde pas les étoiles, mais la lumière la plus ancienne de l'Univers : le fond diffus cosmologique. Cette lumière voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années, depuis que l'Univers est devenu transparent. En chemin, elle traverse des nuages de gaz chaud autour des galaxies.

Le télescope spatial James Webb a aperçu d'anciennes galaxies abritant des trous noirs démesurés — trop massifs pour un âge si tendre après le Big Bang. Pour une croissance normale, le temps aurait manqué, donc ils se sont formés autrement.

Lorsque deux amas de galaxies entrent en collision, des ondes de choc naissent dans l'espace qui les sépare — comme le bang supersonique d'un avion, mais au lieu de l'air, c'est un gaz ténu. Ces ondes compriment le gaz et accélèrent les particules chargées à des énergies énormes.

Un nageur qui fend l'eau à la vitesse des vagues qui courent à sa surface se retrouve dans une situation étrange : les vagues qu'il crée lui-même ne peuvent ni le dépasser ni rester en arrière. Elles s'accumulent à la proue du nageur et se figent.

Le fond diffus cosmologique est une faible lumière héritée du Big Bang. Il remplit uniformément le ciel, mais rencontre des obstacles sur son chemin. L'un d'eux est constitué par les amas de galaxies, au sein desquels se trouve un gaz très chaud.

Dans l'amas de galaxies de la Chevelure de Bérénice, à environ 320 millions d'années-lumière de nous, s'étend un nuage invisible à l'œil nu. Il brille dans le domaine radio – c'est un halo radio, un amas géant de particules chargées accélérées à une vitesse proche de celle de la lumière.

L'Univers ressemble à un océan où des vagues de différentes longueurs déferlent sur le rivage. Les vagues les plus longues sont les inhomogénéités géantes dans la distribution de la matière, que l'on voit dans le rayonnement fossile. La théorie standard dit que de telles vagues devraient exister à toutes les échelles.

La lumière issue des tout premiers instants de l'Univers voyage vers nous depuis des milliards d'années. En chemin, elle passe près d'immenses amas de galaxies. Leur gravité courbe légèrement cette lumière, comme une vitrine déforme la rue que l'on voit à travers elle. Lorsque les amas grandissent, la courbure devient plus marquée. Cet effet est appelé l'effet Rees-Sciama.

Dans le désert glacé de l'Antarctique, le télescope SPT-3G scrute les profondeurs de l'Univers. Sa cible : le rayonnement micro-onde primordial issu du Big Bang. Mais sur son chemin vers nous, ce rayonnement traverse d'immenses amas de galaxies remplis de gaz incandescent.

Dans les galaxies des Antennes, qui se percutent l'une l'autre, d'immenses nuages de gaz sont entrés en collision à une vitesse de 50 kilomètres par seconde. C'est comme deux trains lancés l'un contre l'autre : le choc a comprimé le gaz, qui s'est embrasé en de nouvelles étoiles.

Un trou noir est invisible tant qu'une étoile ne passe pas à proximité. Alors, les forces de marée étirent l'étoile comme un cuisinier étale sa pâte, et une partie de la matière tombe dans le trou, émettant un dernier éclat. Ces événements, appelés disruptions par effet de marée, sont une occasion rare de peser un trou noir qui, autrement, resterait invisible.

Au pôle Sud, où l'air est sec et transparent aux ondes millimétriques, se dresse un télescope qui ne regarde pas les étoiles, mais la lumière la plus ancienne de l'Univers. Cette lumière, c'est le fond cosmique micro-onde, le rayonnement refroidi après le Big Bang qui remplit tout le ciel.

Au centre de l'amas de galaxies RXCJ1558.3-1410, une vie invisible bouillonne. Le gaz chaud s'y refroidit, mais quelque chose l'empêche de se contracter pour donner naissance à de nouvelles étoiles. Les astronomes ont pointé un radiotélescope vers cet amas et ont vu une faible lueur — un mini-halo.

Les neutrinos cosmiques sont des particules fantômes qui traversent la Terre sans encombre. Le télescope IceCube, enfoui dans les glaces de l'Antarctique, a un jour capté un tel neutrino, et il coïncidait avec une éruption infrarouge.

Selon la théorie du Big Bang, développée par Georges Lemaître, l'Univers a commencé par un point chaud et dense, puis a connu une expansion rapide — cette inflation a été proposée par Alan Guth.

Notre Soleil émet des flux de neutrinos — des particules qui interagissent à peine avec la matière. En traversant la matière dense du Soleil, ils changent de type — ce que les scientifiques appellent leur « saveur ». C'est comme une voix qui se modifie en traversant une foule : plus l'environnement est dense, plus la distorsion est forte.