Elles sont la part sombre de l’Univers et… de notre savoir. Matière noire et énergie noire constituent 95 % du cosmos, influent la rotation des galaxies et l’expansion de l’Univers, mais elles sont invisibles et nous ignorons de quoi elles sont faites. Les télescopes spatiaux tels Euclid tentent de percer leurs mystères.
Un mystère qui remonte au Big Bang
Selon la théorie du Big Bang, notre Univers s’est déployé lors d’une formidable poussée d’énergie et, depuis, il continue de s’étendre. Cette théorie est la plus crédible à ce jour, mais elle conserve de sérieuses inconnues. Elle suppose notamment la présence de matière et d’énergie que l’on ne sait pas voir. En résumé, la plus grande partie de l’Univers est invisible à nos yeux !
Big Bang : comment l’Univers est-il né ? | LMU #1
Pour décrire les débuts de l'univers, le Big Bang est aujourd'hui la meilleure théorie.
Mais... non, le bruitage, ça ne va pas.
C'est un peu plus violent !
Voilà, c'est mieux.
Mais donc, malgré nos connaissances, il reste des zones d'ombre.
Depuis toujours, nous cherchons à comprendre ce qu'il y a au-dessus de nos têtes. Le ciel, l'Univers.
Ce savoir, cette connaissance, c'est moi ! Totale, sans faille ?
Oh non, car l'Univers garde encore bien des mystères...
Il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers est minuscule, condensé dans la taille d'un grain de semoule.
Mais la densité, la pression, la température y sont infinies et les lois physiques que l'on connaît ne fonctionnent pas encore.
Puis, en une infime fraction de seconde, il enfle de manière extraordinaire.
Toujours au cours de cette 1re seconde surgissent des particules élémentaires.
Planètes, étoiles, galaxies... tout ça, ça n'existe pas encore.
Et l'Univers continue son expansion.
Plus tranquillement,mais il continue de se dilater et donc de se refroidir, ce qui permet aux protons et aux neutrons de se combiner.
Ils forment les premiers noyaux atomiques.
Et tout ça se passe dans les 3 minutes qui suivent le Big Bang.
Dans cet univers là, il fait encore plusieurs centaines de millions de degrés, et les photons, qui sont les particules qui portent la lumière, restent piégés dans ce tumulte.
L'Univers alors est opaque.
L'expansion se poursuit, le thermomètre continue de chuter, on va encore changer d'échelle de temps...
Voilà, car nous sommes maintenant 380 000 ans après le Big Bang.
Il fait moins de 3000°C, ce qui permet la formation des 1ers atomes : hydrogène et hélium.
Et les photons, eux, peuvent soudain circuler librement.
Autrement dit, à ce moment-là, l'énorme quantité de lumière jusqu'alors piégée est libérée.
L'Univers s'allume, genre grand coup de flash !
Mais encore à cette époque, il n'y a pas d'étoiles, il n'y a que des nuages d'atomes.
Autant vous dire qu'il y fait encore très sombre.
Il faut attendre la formation des 1res étoiles, puis des 1res galaxies et... quand ?
Bah euh... quelques millions d'années après le Big Bang.
En fait, les scientifiques ne le savent pas précisément, pas encore.
Je devrais faire un grand bond en avant avec les télescopes spatiaux comme Webb ou Euclid.
Voilà donc comment est né et s'est construit l'Univers jusqu'à aujourd'hui.
Quant à la formation du Système solaire, elle a eu lieu là, environ 10 milliards d'années après le Big-Bang, il y a donc 4,6 milliards d'années.
Et l'apparition des humains ?
Bah là, hier quoi.
Et le futur ?
Ouh là là, je ne sais pas ce que deviendra l'Univers !
Il existe beaucoup de théories sur son avenir, mais très spéculatives.
Moi, pour progresser, je regarde le passé en quête de preuves.
L'idée du Big Bang est née en 1922.
Alexander Friedmann suggère que l'Univers est en expansion, qu'il n'est pas fixe, mais qu'il s'étend.
Bon, ça fait pas le buzz.
Même Albert défend mordicus que les galaxies bougent, mais dans un univers fixe, statique.
Alors oui, il en est revenu, mais Bébert (oui on se connaît bien...), Bébert alors, avais tort.
En 1927, un certain Georges Lemaître revient à la charge.
Il démontre mathématiquement que l'Univers est en expansion, ce qui est confirmé à la même époque par Edwin Hubble, s'appuyant sur les travaux d'autres savants, comme c'est toujours le cas en science.
Hubble observe que les galaxies s'éloignent les unes des autres du fait de la dilatation de l'Univers.
Et en 1931, Lemaître pousse plus loin le raisonnement en se disant :
Si l'univers est en train de s'étendre, c'est qu'il y a eu dans le passé un commencement à cette expansion, un point unique où il était tout petit. Et BIM !
Voilà l'hypothèse du Big Bang.
Mais à cette époque encore, elle ne fait pas l'unanimité.
Aujourd'hui,le Big Bang est une théorie solide.
Aucune découverte ne l'a remise en cause.
Mieux, on a des preuves. Comme le fond diffus cosmologique.
Rappelez-vous le grand coup de flash survenu 380 000 ans après le Big Bang.
Eh bien, cette lumière subsiste encore, baignant tout l'Univers sous la forme d'un rayonnement d'ondes radio.
Ce rayonnement fossile a d'abord été théorisé dans les années 50 par 2 scientifiques américains.
Puis il a été détecté en 1965 par... hasard et par 2 physiciens américains, alors qu'ils travaillaient sur une nouvelle antenne radio.
Plusieurs satellites sont donc par la suite envoyés pour étudier ce rayonnement fossile, et notamment l'européen Planck qui l’a photographié avec une précision extraordinaire.
Mais le Big Bang garde encore des mystères.
C'est quand même le titre de la série...
Qu'est ce qui l’a provoqué ? Qu'y avait-il avant ?
Y avait-il seulement un avant ?
On ne sait pas.
Et on n’a aucune preuve concernant les 1res minutes du scénario.
Ce sont des hypothèses scientifiques.
On ne peut pas matériellement reproduire un big bang miniature dans nos labos pour le vérifier.
Et, c'est peut être mieux !
Des composants invisibles inclus dans le modèle du Big Bang
La théorie du Big Bang est admise par la majorité des astronomes, car elle correspond aux observations. Mais pour que ce modèle fonctionne, il suppose l’existence d’une matière noire froide (Cold Dark Matter, CDM en anglais) interagissant faiblement avec la matière ordinaire, celle qui compose tous les corps qui nous entourent, qu’ils soient solides, gazeux ou liquides.
Le modèle du Big Bang intègre également la présence d’une énergie noire, responsable de l’expansion de l’Univers, sous la forme d’une constante mathématique (une valeur donnée) appelée Lambda. Aussi, ce modèle cosmologique standard est connu sous le nom de « modèle Lambda CDM » (modèle ΛCDM).
On estime que l’Univers est composé à environ 5 % seulement de matière ordinaire sous forme d’étoiles, de gaz, de poussières, puis à 25 % de matière noire et 70 % d’énergie noire, appelée aussi énergie sombre.
Autrement dit, l’Univers abrite 5 à 7 fois plus de matière noire que de matière ordinaire !
Des anomalies comme indices de la matière noire
Comment détecter cette matière invisible ? En observant le ciel, des astronomes ont repéré des anomalies que les modèles cosmologiques existants ne suffisaient pas à expliquer. Ces indices ont mis les chercheurs sur la piste de l’Univers invisible.
Des étoiles qui tournent trop vite
Mais de quelles anomalies parle-t-on ? Pour le comprendre, il faut remonter à 1933. L’astronome suisse Fritz Zwicky étudie les mouvements d’un groupe de galaxies. Il constate alors que les vitesses orbitales des étoiles (à laquelle elles tournent autour du centre de la galaxie) sont trop élevées par rapport aux masses présentes. Or, les principes de la physique sont clairs : pour ne pas être éjectés de l’amas, les astres éloignés de son centre devraient ralentir.
La masse manquante
En effet, selon les lois de la gravitation, plus la distance par rapport au centre de la galaxie grandit, plus la gravitation faiblit ; l’attraction du noyau n’est plus suffisamment forte pour compenser la force centrifuge qui tire l’objet loin du centre de rotation. Cet effet s’expérimente lorsque l’on tourne trop vite sur un tourniquet et que l’on se sent entraîné vers l’extérieur.
Selon les observations de Fritz Zwicky, ça tourne trop vite. Pour lui, pas de doute : il existe une masse cachée dont l’attraction gravitationnelle maintient les galaxies dans l’amas ! Mais personne ne l’écoute…
Une matière présente partout ?
Dans les années 1970, l’Américaine Vera Rubin donne raison à Fritz Zwicky. Elle mesure la vitesse de rotation d’étoiles situées en bordure d’une dizaine de galaxies et constate également que ces vitesses, qui devraient logiquement diminuer, restent fortes et constantes. Sa théorie : un halo de matière présent en périphérie se diffuse partout dans la galaxie. Il stabilise la vitesse des étoiles, quelle que soit leur position par rapport au centre de la galaxie.
L’énergie noire, la force qui accélère l’Univers
Depuis 13,8 milliards d’années, l’énergie générée par le Big Bang devrait s’atténuer ou se stabiliser et l’Univers ralentir sa course. Or, au contraire, les galaxies s’éloignent les unes des autres, toujours plus vite. D’où l’idée qu’il existerait une force qui continue de « pousser » les éléments célestes et même de précipiter leur mouvement : l’énergie noire.
Des télescopes spatiaux pour détecter l’invisible
La matière noire n’interagit pas – ou très peu – avec la matière ordinaire ; elle est insensible aux ondes lumineuses ou radio. Mais elle est sensible à la gravité. Pour repérer sa présence, les télescopes traquent les effets indirects dus à son attraction.
Chasseurs de mirage gravitationnel
Selon la théorie de la gravitation développée par Albert Einstein, les objets massifs déforment l’espace-temps. L’Univers se courbe aux endroits où il y a beaucoup de matière. De ce fait, la lumière qui nous provient d’une galaxie est déviée par toute la matière, visible ou invisible, qui se trouve sur son chemin.
On constate le même phénomène lorsque l’on pose une bille sur un tissu tendu : le tissu se creuse sous sa masse. Si l’on jette un grain rond vers la bille, celui-ci suivra une trajectoire non pas droite, mais courbe, détournée par la déformation du tissu.
Cet effet, nommé mirage gravitationnel, ou lentille gravitationnelle, permet à partir de la déviation observée de mesurer la masse de l’objet qui en est responsable. Lorsque les masses détectables n’expliquent pas seules l’ampleur de la déformation, on déduit que la masse manquante est celle de matière noire.
Cartographier la matière noire
Depuis la Terre et dans l’espace, de puissants télescopes cartographient les galaxies et détaillent leur forme ainsi que leur distance en s’appuyant sur les images de lentilles gravitationnelles. Ces mesures permettent aux astrophysiciens d’évaluer les masses en jeu et de dresser une cartographie de la distribution de la matière noire dans l’Univers.
Les images du télescope spatial international James Webb (NASA, ESA, ASC), lancé en 2021, ont notamment dessiné des alignements de galaxies agglutinées le long de filaments autour desquels semble régner le vide. Cette organisation en réseau de filaments, qu’on appelle « toile cosmique », est due à l’attraction gravitationnelle de la matière noire.
Euclid, sur la trace de l’énergie noire
En 2023, le télescope spatial européen Euclid, dont le CNES est partie prenante, a été lancé avec pour mission de lever le voile sur ces composants de l’Univers sombre. Pour y parvenir, Euclid réalise des mesures extrêmement fines, sur un vaste pan de ciel. Son instrument imageur (VIS) capte l’image et la forme des galaxies tandis que son spectromètre proche de l’infrarouge (NISP) mesure très finement la distance qui le sépare des galaxies observées, et donc leur âge.
Combinées, l’ensemble des mesures d’Euclid dresse une carte en 3D de l’Univers aux différentes étapes de son histoire et révèle la quantité d’énergie qu’il a fallu pour le pousser et l’agrandir tout au long sa vie. On est ainsi capable de mesurer la vitesse d’expansion à différents moments, et donc de déduire l’énergie noire !
La matière noire pour répondre aux grandes questions de l’Univers ?
L’existence de la matière noire semble l’explication la plus crédible à l’organisation de l’Univers. Sans elle, la matière visible se serait dispersée sans jamais donner naissance aux étoiles, les galaxies se seraient délitées.
De même, l’énergie noire contribue à structurer l’Univers en agissant sur la distribution de toute la matière, qu’elle soit visible ou sombre.
Mais nous ignorons toujours de quoi sont composés ces éléments. Sont-ils réellement présents dans les quantités estimées jusqu’alors ? Quelle est la puissance de l’énergie noire ?
Les données fournies par Euclid, combinées aux autres observations spatiales et terrestres devraient affiner les calculs et confirmer ou… infirmer le modèle dominant Lambda Cold Dark Matter (modèle ΛCDM).
Prédire l’avenir cosmique
Connaître la quantité de matière et d’énergie noires aidera aussi à estimer comment pourrait évoluer Univers : s’arrêtera-t-il de grandir s’il contient davantage de matière et moins d’énergie ? Se stabilisera-t-il ou risque-t-il de se recontracter sur lui-même ?
Une question qui n’a pas fini de tarauder les scientifiques.
Quizz
En 1933, personne ne s’est intéressé aux théories de Fritz Zwicky sur l’existence d’une masse invisible. Pour quelle raison ?
