Comment la lumière antique révèle le contenu de l’univers

Une photographie du cosmos naissant révèle les quantités précises de matière noire et d’énergie sombre dans l’univers, laissant peu de place à la discussion.

Au début de l’année 2003, Chuck Bennett a appris le contenu précis du cosmos.

A cette époque, la plupart des cosmologistes avaient conclu que l’univers contenait bien plus que ce que l’on pouvait voir. L’observation des galaxies en rotation suggère que des échafaudages de matière invisible maintiennent leurs étoiles ensemble, tandis qu’une forme d’énergie répugnante les sépare. Pour en savoir plus, Bennett et son équipe de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ont passé une année à collecter des micro-ondes provenant de toutes les directions dans les rayons lumineux du ciel qui ont quitté leur source il y a longtemps, alors que l’univers n’avait que 380 000 ans. En prenant cette photographie du jeune cosmos, l’équipe WMAP a pu déterminer son âge et sa forme et déterminer exactement la quantité de matière noire et d’énergie noire qu’il contient.

« Tout d’un coup, nous avons eu cette liste de chiffres », se souvient Bennett, astrophysicien à l’université Johns Hopkins.

L’équipe a annoncé ses premiers résultats en février 2003. Leur carte du « fond micro-ondes cosmique » (CMB), qu’ils ont affinée les années suivantes, indiquait que la matière familière des planètes, des gaz et des étoiles ne représente que 4,6% du cosmos, tandis que la matière noire invisible en représente 24%. Les 71,4 % restants du diagramme circulaire cosmique devaient être de l’énergie sombre, qui, pense-t-on, imprègne le tissu spatial lui-même. Les chiffres n’ont que peu changé lorsque le successeur de WMAP, le satellite Planck, a pris une image encore plus nette du CMB dix ans plus tard. Et alors que d’autres preuves de l’énergie et de la matière noires continuent d’être contestées, leurs empreintes digitales dans le CMB n’ont pratiquement pas été remises en question.

Le CMB est « certainement l’un des piliers, sinon le plus important, de la cosmologie moderne », a déclaré Yacine Ali-Haïmoud, astrophysicien à l’université de New York.

Voici comment l’univers a griffonné un message aussi révélateur dans le fond de micro-ondes cosmique, et comment les chercheurs ont appris à le lire.

Au début, avant que les micro-ondes ne quittent leur source, l’univers était un fluide presque sans caractéristiques, fait de matière sombre et visible. Cette substance primordiale brillait autrefois d’un blanc éclatant, puis s’est refroidie en un orange clair au cours des quelques premiers centaines de milliers d’années de l’univers. Les rayons lumineux ne pouvaient pas voyager loin avant de ricocher sur les particules avoisinantes. Cette lumière diffusée maintenait le fluide brumeux et sous pression.

Mais les graines des étoiles et des planètes d’aujourd’hui avaient déjà été semées. Rien dans la nature n’est parfait, et la soupe primordiale et onctueuse est arrivée légèrement coagulée, certaines régions étant environ un millième de pour cent plus denses que le fluide environnant, et d’autres beaucoup plus minces.

Le fluide s’est affaissé sous l’effet de la gravité qui a rassemblé la matière et les ondes lumineuses l’ont écartée. Ce tiraillement a aminci les zones denses à mesure que l’excès de matière se déversait vers l’extérieur et a épaissi les zones minces à mesure que la matière se précipitait vers l’intérieur. Lorsqu’une zone devenait trop mince, les particules se précipitaient à nouveau, et vice versa, de sorte que chaque goutte oscillait entre une densité élevée et une densité faible. Heureusement, les physiciens disposent de tous les outils théoriques nécessaires pour analyser de telles ondulations d’un simple fluide à une température raisonnable. « La physique est vraiment très ancienne », a déclaré Ali-Haïmoud.

Le CMB capte le fluide ondulant à un moment précis. Après s’être étendu pendant environ 380 000 ans, le cosmos s’est suffisamment refroidi pour que les protons et les électrons s’apparient en atomes d’hydrogène, un événement appelé recombinaison. Avec peu de particules chargées à heurter, les faisceaux lumineux se sont soudainement libérés, relâchant la pression et gelant les blocs de densité en place. Depuis lors, l’univers en expansion a étendu les longueurs d’onde des rayons lumineux libérés en micro-ondes. En les recueillant dans le ciel, les télescopes WMAP et Planck ont capturé l’univers primitif et son contenu au milieu de la nuit. Leurs cartes révèlent un motif tacheté de taches plus denses et de taches plus fines, signifiant que les micro-ondes mesurent une fraction de degré plus chaud ou plus froid (tout comme le bleu indique une flamme plus chaude que le jaune).

La clé pour déchiffrer les ondulations désordonnées du CMB est que la recombinaison a conféré à une série choisie de taches une signification cosmique durable. Imaginez une goutte épaisse de matière primordiale juste assez grande pour prendre 380 000 ans pour s’amincir complètement, et la recombinaison l’a alors figée comme une tache mince éternelle. Les taches plus grandes n’ont pas eu le temps de s’amincir complètement, et les taches plus petites auraient recommencé à s’épaissir. Un ensemble particulier de petites taches a eu assez de temps pour passer d’une épaisseur maximale à une minceur maximale et revenir à une épaisseur maximale. Une autre série de taches encore plus petites a effectué exactement trois transitions, et d’autres quatre.

Les chercheurs analysent la statique de chevauchement du CMB en brouillant la carte à divers degrés et en traçant les variations de densité qu’ils voient. Le tracé qui en résulte, appelé spectre de puissance du CMB, comporte une série de pics représentant les tailles des taches spéciales qui ont atteint leur épaisseur ou leur finesse maximale au moment de la recombinaison. Si l’univers s’était développé autrement ou avait contenu un autre mélange cosmique, un modèle tonal différent se serait figé au moment de la recombinaison, un modèle que les scientifiques pourraient distinguer tout comme l’oreille peut distinguer un piano et une clarinette, a déclaré Scott Dodelson, cosmologue à l’université Carnegie Mellon.

Les plus grandes taches couvrent un degré angulaire dans le ciel moderne, soit environ deux fois la largeur de la pleine lune. Les cosmologistes peuvent en déduire la forme de l’univers – que l’espace soit plat, de sorte que les rayons lumineux restent parallèles, ou qu’il soit courbé comme une sphère. La matière et l’énergie courbent l’espace, un effet que nous ressentons comme la gravité. L’expansion de l’univers, quant à elle, aplanit l’espace et, pendant un certain temps, les cosmologistes n’étaient pas sûrs qu’un camp l’emporte. Des courbures différentes feraient paraître les plus grosses taches plus grandes ou plus petites dans le CMB (pensez à la distorsion des tailles apparentes de l’Afrique et du Groenland si nous aplatissons le globe terrestre), mais la taille de 1 degré des plus grosses taches correspond aux attentes d’un univers plat. Le WMAP a trouvé un univers dont le contenu est suffisant pour maintenir les rayons lumineux à 0,4 % près.

Les plus petites taches révèlent la composition du cosmos. Leur taille et leur épaisseur dépendent des ingrédients du liquide, tout comme les éclaboussures de la chaudrée de palourdes sont différentes de celles d’une soupe au poulet. Dans le fluide primordial, la matière noire ressentait l’attraction de la gravité, mais pas la poussée électromagnétique des rayons lumineux. La matière normale répondait aux deux. Tesla Jeltema, cosmologue à l’Université de Californie, Santa Cruz, a expliqué que les chercheurs peuvent distinguer ces deux composants du fluide en comparant l’intensité avec laquelle des taches de tailles différentes se sont détachées vers l’intérieur et vers l’extérieur – les hauteurs relatives des pics du spectre de puissance.

Personne n’a encore identifié les particules de matière noire, mais le CMB révèle le comportement à grande échelle de cette substance insaisissable. Ali-Haïmoud compare la situation à celle de scientifiques prémodernes qui comprennent la flottabilité et la pression sans même savoir que la formule chimique de l’eau était H2O. Toute tentative d’explication de l’influence apparente de la matière noire, par exemple en modifiant les lois de la gravité, devra correspondre aux pulsations particulières du fluide primordial. Aucun modèle n’a encore relevé le défi.

L’énergie sombre, quant à elle, a joué un rôle négligeable dans la jeunesse de l’univers. Sa présence peut être déduite de l’indication du CMB selon laquelle l’univers est aujourd’hui plat. Les quantités mesurées de matière sombre et visible n’ont tout simplement pas le muscle nécessaire pour aplatir l’espace. Mais ajoutez 71,4% d’énergie sombre à l’univers moderne, et tout s’équilibre.

Cette image n’est pas parfaite, car de récentes observations astronomiques ont suggéré que l’univers actuel se développe plus rapidement que la recette du CMB ne le laisse supposer. Mais les données de WMAP et de Planck ont placé la barre très haut pour les théoriciens qui cherchent des explications alternatives, non sombres, aux mouvements des étoiles et des galaxies. « Maintenant que nous avons ces cartes détaillées, » dit Dodelson, « le CMB est en lui-même assez bon pour obtenir presque tout. »

Via Nautil.us

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