Cosmologie et astrophysique extragalactique astro-ph.CO

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion rapide : l'inflation. Mais peut-être qu'avant cela, il se contractait, puis a rebondi. Les deux scénarios laissent une empreinte presque identique dans le rayonnement fossile, et les cosmologistes débattent depuis des décennies pour savoir lequel est le bon.

La galaxie NGC 1560 est une modeste île d'étoiles et de gaz à dix millions d'années-lumière de nous. Sa courbe de rotation, mesurée pour la première fois en 1991, est devenue une icône pour ceux qui cherchent une alternative à la matière noire.

Deux télescopes regardent le même Univers et voient des vitesses différentes. Les mesures locales sur les supernovae donnent 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, tandis que les données du fond diffus cosmologique, dans le modèle standard, prédisent 67.36 ± 0.54.

Dans la pièce sombre de l'Univers primordial, une première étincelle a jailli. Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, alors que le cosmos n'était rempli que d'hydrogène et d'hélium, sont nées les étoiles de population III, des géantes sans métaux dont la lumière a pour la première fois déchiré les ténèbres primordiales.

En avril 2023, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA ont capté une onde gravitationnelle provenant de la fusion de deux trous noirs. Avec des masses de 137 et 103 masses solaires, l'événement GW231123 est le plus massif jamais observé.

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.

Dans les laboratoires terrestres, on obtient un condensat de Bose-Einstein en refroidissant un nuage d'atomes à des milliardièmes de kelvin. Les atomes perdent leur individualité et se fondent en une seule onde quantique qui se comporte comme un tout.

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 ?

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 radiomètre ARCADE2, embarqué sur un ballon stratosphérique, a détecté un excès de rayonnement radio, tandis que l'expérience au sol EDGES a observé un creux anormalement profond dans le spectre de l'hydrogène à 21 cm.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre dans une danse serrée, et autour d'eux naît quelque chose d'étonnant : une molécule gravitationnelle. Un nuage de bosons ultra-légers, des particules de masse inférieure à l'électron-volt, enveloppe la paire comme le nuage électronique dans l'ion H2+.

La communauté cosmologique vit depuis plusieurs années dans un état de guerre civile sourde. Deux camps mesurent la vitesse d'expansion de l'Univers et obtiennent des réponses différentes. Planck, scrutant le rayonnement fossile, dit : 67,4 km/s/Mpc. SH0ES, grimpant l'échelle des distances des céphéides aux supernovae, insiste : 73,2.

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.

Au fond du cryostat, sous les couches de bobines supraconductrices, repose une pile de centaines de couches semiconductrices. Chaque couche a une épaisseur de quelques nanomètres : de l'arséniure de gallium, puis de l'arséniure d'aluminium-gallium. Les électrons à l'intérieur de ces couches sont confinés dans un plan, comme des fourmis sur une feuille de papier.

Un flocon de neige, en tombant d'un nuage, choisit entre une forme gauche et une forme droite. La différence entre les deux est presque imperceptible, comme un souffle de vent, mais c'est précisément ce souffle qui décide du motif qui se formera.

Il y a cent ans, les observatoires magnétiques n'enregistraient que les lentes respirations du noyau terrestre. Aujourd'hui, leurs données deviennent un terrain de chasse pour la physique des particules.

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.

Trois branches de la physique — la cosmologie, la physique des particules et la physique nucléaire — ont longtemps fonctionné comme des rives isolées.

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.

Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes de l'Univers : une étoile mourante s'effondre en un trou noir, libérant des flux d'énergie. Cela arrive souvent après l'explosion d'une supernova.

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.

L'Univers primordial était loin d'être parfait : certaines régions s'étiraient plus vite que d'autres, créant des plis et des distorsions. Mais le rebond quantique — le passage de la contraction à l'expansion, provoqué par les lois du monde microscopique — corrige tout.

L'Univers est une piste grandiose sur laquelle les galaxies, telles des voitures, s'éloignent de plus en plus vite. La pédale d'accélérateur est actionnée par la mystérieuse énergie noire.

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.

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.

Le télescope James Webb a recueilli des milliers de spectres de galaxies lointaines — des empreintes colorées de leur lumière. Pour ne pas se noyer dans cette diversité, les astronomes ont confié à un programme le soin de trier les trouvailles.

Tout juste après le Big Bang, des astres inhabituels ont pu naître : les étoiles sombres. Contrairement au Soleil, elles ne brûlaient pas de carburant nucléaire, mais se nourrissaient des collisions de particules de matière noire, qui libèrent de l'énergie lors de ces chocs.

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.

Les sursauts radio rapides sont de brillantes éruptions cosmiques qui, tel un coup de pistolet de départ, lancent une course d'ondes radio à travers l'Univers. Les astronomes les ont utilisés pour vérifier si le photon — la particule de lumière — possède une masse.

Juste après le Big Bang, des trous noirs primordiaux flottaient dans le plasma brûlant – des amas de masse gros comme une montagne, comprimés dans un volume atomique. Selon la prédiction de Hawking, ils s'évaporaient lentement, émettant un rayonnement comme de minuscules poêles.

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.

La matière noire, cette charpente invisible du cosmos, a révélé son existence par les tourbillons des galaxies à Fritz Zwicky et Vera Rubin. De quoi est-elle faite ? C'est resté une énigme pendant un demi-siècle. Une nouvelle hypothèse dresse un tableau inhabituel.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en observant l'amas de la Chevelure de Bérénice, a remarqué des vitesses anormalement élevées des galaxies : leur mouvement indiquait la présence d'une immense masse cachée, liant gravitationnellement le système.

L'Univers vit dans un état de faux vide — comme l'eau derrière un barrage. Derrière se cache le vrai vide — un abîme aux lois différentes. En temps normal, l'eau ne peut que s'infiltrer en mince filet à travers les pores (effet quantique), mais cela ne change presque rien au niveau.

Dans le monde familier, il y a trois dimensions. Mais les physiciens envisagent l'existence de directions cachées, repliées sur elles-mêmes. Si l'une d'elles est enroulée en bouteille de Klein — une surface sans intérieur ni extérieur — les lois fondamentales se brisent.

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.