cosmologie des supernovae

Les rayons gamma sont la lumière la plus énergétique de l'Univers. Mais une partie d'entre eux, d'énergie intermédiaire, est restée longtemps invisible : les instruments ne pouvaient pas les détecter, laissant un vide dans le ciel. Les scientifiques l'appellent le « vide du MeV », d'après l'unité d'énergie que portent ces rayons.

L'Univers nous envoie constamment des signaux, mais beaucoup sont trop faibles pour être perçus. Les neutrinos reliques, ces particules issues du Big Bang, traversent la Terre par milliards chaque seconde, mais en capturer ne serait-ce qu'un seul relève de l'exploit.

Six coureurs sprintent sur la piste, et les juges mesurent leur vitesse sans remarquer le vent arrière. Le vent souffle dans leur dos, et les chronomètres affichent un meilleur résultat que la réalité.

Mesurer les distances dans l'Univers n'est pas une mince affaire. Presque toutes les méthodes reposent sur la lumière, or celle-ci peut être absorbée par la poussière, diffusée ou déformée sur le chemin. C'est un peu comme essayer de distinguer un phare lointain à travers le brouillard et la brume. Les neutrinos, eux, sont tout autre chose.

L'Univers est un immense océan sombre. Nous ne voyons que l'écume lumineuse à sa surface — les étoiles et les galaxies. Et dans les profondeurs se cachent deux forces invisibles : la matière noire, qui par sa gravité empêche les galaxies de se disperser, et l'énergie noire, qui, au contraire, repousse l'espace lui-même, accélérant…

En 1998, les physiciens ont surpris les neutrinos en flagrant délit : la particule change de type en plein vol. Cela n'est possible que si elle a une masse. C'est devenu la seule preuve en laboratoire d'une physique au-delà du modèle standard. Mais combien pèse exactement un neutrino ? C'est toujours une énigme.

Une étoile massive épuise son carburant – et son cœur s'effondre en une fraction de seconde. Une supernova naît, accompagnée d'une pluie de neutrinos brève mais intense. Ces particules interagissent à peine avec la matière, elles s'échappent donc librement, emportant l'information sur la catastrophe.

La cosmologie s'est fourrée dans un sacré pétrin. Les deux principales façons de plonger dans le passé de l'Univers — par la lueur primordiale (le rayonnement fossile) et par des objets plus tardifs comme les supernovae — donnent des chiffres différents pour le taux d'expansion (la constante de Hubble) et pour le degré d'agglutination de la matière.

Le chasseur de lumière ancienne — le télescope James Webb — a pointé ses miroirs vers une parcelle minuscule du ciel et a capté un étrange signal. L'objet, nommé de travail beacon_1420-$$5253_{4770}$$, a brillé puis s'est éteint.

En cosmologie, un drame se prépare : deux instruments principaux — l'orchestre de l'Univers primordial et l'ensemble de chambre du cosmos moderne — interprètent la même symphonie d'expansion à des tempos différents.

La cosmologie ressemble à un orchestre où les différents pupitres se mettent soudainement à jouer en désordre. Les mesures de la vitesse d'expansion de l'Univers (la constante de Hubble) dans l'Univers primordial et dans l'Univers tardif donnent des chiffres différents.

L'orchestre cosmologique ne s'accorde pas sur un seul diapason. Il y a deux groupes d'instruments : les uns écoutent le bourdonnement du jeune univers — le fond diffus cosmologique, les autres lisent les notes sur les galaxies matures et les supernovae.

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.

Les supernovae de type Ia sont les accords finaux, éblouissants, de la symphonie de l'évolution stellaire : lorsqu'une naine blanche franchit la limite prédite par Subrahmanyan Chandrasekhar, elle explose avec une telle luminosité qu'elle éclipse un instant…

La cosmologie est une musique des sphères, et la constante de Hubble nous a longtemps semblé un métronome fiable.

Des cosmologistes ont organisé une confrontation entre deux types d'explosions cosmiques. Les supernovae de type Ia sont des étoiles qui s'embrasent avec une luminosité presque identique, ce qui en fait des balises fiables pour mesurer les distances dans l'Univers.

Un ressort comprimé reste immobile pendant des années. On croirait qu'il est figé pour toujours, mais à l'intérieur du métal, les atomes se réarrangent lentement — et un jour, le ressort claque, passant à une nouvelle position, plus libre.

On gonfle un ballon. D'abord, il se dilate rapidement, puis plus lentement, et soudain, il accélère à nouveau, comme si quelqu'un actionnait une pompe. C'est précisément ce qui semble se passer avec notre Univers.

Les neutrinos sont les particules massives les plus répandues dans l'Univers. Ils nous traversent par milliards chaque seconde, mais ne laissent presque aucune trace. Leur attraction collective, bien que minuscule, peut influencer le mouvement de galaxies entières.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

L'Univers tient le registre de chaque étoile naissante. En 13,8 milliards d'années, tant d'étoiles se sont allumées dans les galaxies que leur « recensement » permet de déduire la nature même du cosmos, comme les cernes d'un arbre révèlent le climat des années passées.

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.

Des cosmologistes ont mesuré la vitesse à laquelle les galaxies lointaines s'éloignent dans différentes parties du ciel. Pour cela, ils ont utilisé deux types de « règles cosmiques » : les amas de galaxies et les explosions de supernovae d'un certain type.

Les superbulles sont des géantes cosmiques, comparables à des bulles de savon, mais au lieu d'un film de savon, elles contiennent du gaz raréfié entre les étoiles, et elles ne sont pas gonflées par un souffle, mais par une série d'explosions de supernovae.

Lorsqu'une étoile massive explose, ses débris se dispersent dans toutes les directions, comme les fragments d'un feu d'artifice. Mais comment savoir à quelle distance de nous une telle explosion s'est produite ? Les astronomes ont trouvé un moyen : ils observent les nuages de gaz avec lesquels ces débris entrent en collision. L'idée est simple.

On considère généralement l'énergie noire comme une propriété innée du cosmos, agissant dès les premiers instants. Mais un nouveau modèle suggère qu'elle se comporterait comme l'eau au point d'ébullition : longtemps imperceptible, puis s'activant soudainement à un moment critique.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui bombardent sans cesse la Terre depuis les profondeurs de l'espace.

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.

La lumière d'une étoile lointaine met des milliards d'années à nous parvenir, et pendant ce temps, l'Univers a le temps de s'étendre. Comment vérifier que nous comprenons correctement ce trajet ?

La lumière d'un lampadaire qui traverse des stores vénitiens scintille : les bandes bougent, et la luminosité augmente puis diminue. À ce rythme, on peut deviner la largeur du lampadaire lui-même.

Lorsqu'une étoile lointaine explose, sa lumière met des milliards d'années à nous parvenir. Les astronomes mesurent à quel point elle paraît faible et en déduisent la distance. Habituellement, on utilise pour cela des modèles complexes avec l'énergie sombre et d'autres mystères.

Dans les nuages froids de gaz interstellaire, le carbone se cache dans les molécules de monoxyde de carbone (CO), comme le sucre dissous dans le thé. Mais près des étoiles massives et chaudes, ce « thé » entre en ébullition : le rayonnement intense déchire les molécules, et le carbone se libère sous forme d'atomes isolés ou d'ions.

L'univers est un gâteau préparé selon une seule recette, mais la cuillère à café et la balance de cuisine affichent obstinément des quantités de sucre différentes.

Deux méthodes de mesure de la vitesse d'expansion de l'Univers donnent une image contradictoire. Les mesures effectuées à partir des explosions de supernovae par l'équipe de Adam Riess indiquent une expansion plus rapide que les données du rayonnement fossile – la lumière émise après le Big Bang.

Les supernovae de type Ia sont comme des lampes de même puissance : plus la lumière est faible, plus la source est lointaine. Ces supernovae servent à mesurer les distances des galaxies lointaines. Mais la poussière cosmique, telle une vitre sale, atténue et teinte la lumière, ce qui fausse les calculs précis.

Les astronomes utilisent les supernovae de type Ia — des explosions thermonucléaires de naines blanches — comme « chandelles standard » : leur luminosité maximale a longtemps été considérée comme identique dans tous les coins de l'Univers.