Brian Schmidt

Les trois planètes du système Kepler-51 intriguent depuis longtemps les astronomes : par leur taille, elles rappellent Saturne, mais leur densité est inférieure à celle de l'eau. Ces mondes « super-gonflés », dont les masses ne dépassent pas dix fois celle de la Terre, sont comme des pissenlits cosmiques — massifs mais presque sans poids.

Le Système solaire effectue une révolution complète autour du centre de la Voie lactée en 210 millions d'années. La dernière fois que nous étions du même côté de la Galaxie, les premiers dinosaures parcouraient la Terre. Ce chiffre, 243.72 km/s, a pu être affiné grâce à de rares étoiles qui traversent la Galaxie comme des boulets de canon.

Dans le bouillon bouillonnant de l'Univers naissant, toutes les particules perdaient leurs différences, comme des légumes à une température infernale. Retrouver cette recette simple est le but de la physique moderne. La théorie SO(10) – une extension du modèle standard – propose une telle recette.

L'Univers est en expansion, et le rythme de cette expansion est dicté par l'énergie noire, cette force mystérieuse qui accélère la fuite des galaxies.

L'électron s'échappe du noyau de tritium avec une énergie de 18,57 keV, laissant derrière lui un partenaire invisible : le neutrino. Si ce neutrino a accès à la cinquième dimension, sa masse se décompose en une tour entière d'états, et chacun d'eux prélève sa part du spectre.

Le télescope ACT, dans le désert chilien d'Atacama, a scruté le ciel de 2007 à 2022. Son objectif : le fond diffus cosmologique, cette lumière qui voyage vers nous depuis 13,8 milliards d'années.

La lumière d'une galaxie lointaine s'est dédoublée, triplée, quadruplée, et au centre est apparu un cinquième fantôme. Voici HerS-3 : une jeune galaxie, pleine de poussière et d'étoiles naissantes, dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle, un objet massif qui courbe les rayons comme le verre d'une loupe.

L'Univers joue une pièce de théâtre, et le rôle principal est dévolu à l'énergie noire. Pendant longtemps, l'acteur a semblé immuable : la constante cosmologique (l'énergie du vide qui accélère l'expansion de l'Univers) donnait le même ton.

La galaxie NGC 3627, beauté spirale de la constellation du Lion, recèle une trace qui ne correspond à aucun scénario standard. Une étroite bande de gaz froid, une traînée moléculaire, s'étend sur plus de 8 kiloparsecs (milliers de parsecs, chacun valant environ 3260 années-lumière) pour une largeur d'environ 200 parsecs.

Des astronomes ont découvert dans l'Univers un objet invisible pesant à peine un million de soleils — une broutille à l'échelle cosmique, cent fois plus léger que tout ce qu'on avait pu « peser » à de telles distances. L'objet lui-même n'émet aucune lumière, mais il s'est trahi en courbant la lumière d'une galaxie encore plus lointaine.

Le disque d'étoiles de la Voie lactée ressemble à un brillant moulinet, tandis que la matière noire — cette substance invisible qui ne se manifeste que par la gravité — forme un nuage invisible autour. Pour la première fois, sa forme a été mesurée avec précision.

C'est Vera Rubin qui a découvert que les étoiles des confins des galaxies se déplacent trop vite, comme si une toile invisible les retenait. Et Fritz Zwicky a été le premier à soupçonner qu'une masse invisible immense se cache dans les amas de galaxies.

La matière noire est la fondation invisible de l'Univers. Vera Rubin en a prouvé l'existence grâce au mouvement des étoiles, mais les particules n'ont toujours pas été attrapées.

Les particules de matière noire peuvent se comporter comme de la mélasse : dans un modèle, elles ne se gênent pas ; dans un autre, elles se bousculent légèrement, créant une viscosité. Cela détermine la vitesse à laquelle les trous noirs géants au centre des galaxies tombent l'un vers l'autre et fusionnent.

Quand Edwin Hubble a découvert l'expansion de l'univers et que Vera Rubin a mis en évidence la matière noire, l'édifice de la cosmologie semblait solide.

Prédits par Wolfgang Pauli et nommés par Enrico Fermi, les neutrinos sont des particules quasi insaisissables. Au cœur des supernovas géantes et des fusions d'étoiles à neutrons, il s'en produit une quantité inimaginable. Chaque particule possède une saveur qui peut changer.

Des scientifiques ont décrit un nouveau type d'étoile invisible qui se comporte comme une lentille respirante. Cette étoile est composée de bosons ultralégers (des particules pas encore découvertes). Son attraction provoque la courbure de l'espace-temps — c'est cela la lentille, qui se dilate et se contracte rythmiquement, comme si elle respirait.

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.

Un trou noir ne se contente pas d'aspirer la matière — tel un vortex cosmique géant, il courbe le tissu même de la réalité et force les rayons lumineux à contourner sa masse, les concentrant en un foyer.

Des atomes ultra-froids peuvent se comporter comme un tout. Si un neutrino naît dans un tel nuage, il s'éclipse généralement sans laisser de trace.

Les données du relevé de galaxies DESI suggèrent que l'énergie noire était plus puissante dans le passé qu'aujourd'hui. Un tel comportement « fantôme » menace l'Univers d'un Big Rip – une fin où même les atomes se désintègrent. Mais le modèle KMIX explique cela par une illusion.

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.

La matière noire est un océan invisible qui, comme l'ont montré les observations de Vera Rubin, empêche les étoiles des galaxies de s'éparpiller.

Après le Big Bang, l'univers était brûlant et dense. Dans les amas de matière noire — cette substance invisible que seule la gravité révèle — les particules s'entrechoquaient, s'annihilant pour produire un rayonnement puissant. Cette chaleur cachée, tel un foyer invisible, réchauffait les nuages de gaz de l'intérieur.

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.

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.

L'Univers est en expansion, et chaque amas de galaxies participe à une danse grandiose. Le rythme de cette danse est donné par la constante de Hubble, mesurée pour la première fois par Edwin Hubble il y a près d'un siècle.

Le télescope James Webb a repéré dans l'Univers primordial des « points rouges » — des objets denses de quelques dizaines d'années-lumière. L'analyse spectrale de leur lumière révèle la signature de l'hydrogène.

Dans les ténèbres de l'espace interstellaire dérivent des millions de planètes vagabondes — des mondes sans attache à aucune étoile. On ne peut presque pas les voir, mais quand un tel vagabond passe devant une étoile lointaine, sa gravité courbe la lumière et crée un instant une loupe cosmique.

Dans un immense spectromètre à Karlsruhe, semblable à un gigantesque fût métallique, on capture des particules quasi impossibles à attraper. Les neutrinos sont les fantômes du monde microscopique : chaque seconde, des trillions de ces particules traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez. Mais ils ont une masse, et les scientifiques veulent la mesurer.

Sans l'échafaudage invisible de la matière noire, les galaxies se seraient disloquées. L'astronome Vera Rubin l'avait déjà démontré dans les années 1970 : les étoiles tournent comme si une masse invisible les retenait. Mais une nouvelle étude révèle que la matière noire n'est pas qu'un simple lest passif.

La masse courbe l'espace-temps, un peu comme une lourde pierre déforme une route asphaltée. La lumière qui passe à proximité contourne cette dépression, son trajet s'allonge et elle retarde. Cet effet Shapiro a été observé de nombreuses fois par les astronomes autour du Soleil et des planètes.

Par sa gravité, le Soleil crée un verre à pied invisible dans lequel la matière noire d'une variété particulière — ultra-légère — ne clapote pas de manière chaotique, mais occupe des marches d'énergie strictes, comme des couches de liquide transparentes.

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.

La paroi de la vessie n'est pas un ballon en caoutchouc. Lorsque l'organe se vide, sa surface se plisse comme du papier froissé, et la tension varie d'un endroit à l'autre. Auparavant, pour mesurer cela, on déposait des points de repère sur le tissu. Mais le colorant lui-même modifie le comportement du tissu vivant, comme une couche de ruban adhésif en trop sur un ballon de baudruche.

L'énigme de la matière noire a été étudiée par Fritz Zwicky et Vera Rubin. Pendant longtemps, on se la représentait comme un échafaudage froid et inerte, qui ne faisait que maintenir les galaxies ensemble.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un trou noir — un objet prédit par les solutions des équations de Karl Schwarzschild. Autour de lui s'étend une couronne incandescente — une région de plasma raréfié, chauffé à des milliards de degrés.

En utilisant des marqueurs de couleur sur les images du James Webb, les astronomes ont repéré des galaxies qui disparaissent en ultraviolet — le brouillard d'hydrogène à une certaine distance coupe leur lumière. C'est ainsi qu'ils ont trouvé les plus anciens systèmes stellaires.

Dans de minuscules galaxies satellites, les étoiles de la périphérie tournent plus vite que ne le permet la matière visible. Comme si un motif apparaissait sur le tissu de l'espace, pour lequel il manque des fils.

Les télescopes modernes le montrent : les galaxies lointaines s'éloignent de plus en plus vite. On appelle cela l'énergie noire, mais sa nature reste une énigme. De plus, les calculs de la vitesse d'expansion dans l'Univers jeune et dans l'Univers tardif ne concordent pas.