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Un voyage dans le passé de 15 milliards d'années

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Deux chercheurs du laboratoire Giovanni Domenico CASSINI (CNRS) , en collaboration avec un chercheur italien et un chercheur russe viennent de montrer qu'il est possible de remonter dans le temps au début de l'Univers, il y a environ quinze milliards d'années, et d'établir, pour chaque galaxie de l'Univers actuel, l'endroit d'où provient la matière qui la forme actuellement. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature du 16 mai 2002.

La structure présente de l'Univers est très irrégulière ; les observations astronomiques révèlent que les galaxies s'organisent en grandes structures formées de murs et de filaments d'extension gigantesque mais d'épaisseur relativement faible (figure). En revanche, l'Univers primitif avait une répartition de matière presque uniforme ne présentant que de très légères variations de densité d'un point à un autre. Ces « fluctuations de densité » peuvent maintenant être détectées indirectement à travers les fluctuations du fond cosmologique, un rayonnement qui garde l'empreinte de ce qui s'est passé quelques centaines de milliers d'années après le début de l'Univers lorsque la température, d'abord très élevée, s'est abaissée, permettant aux particules de lumière (photons) de s'échapper et de nous parvenir sans encombre.

Ne peut-on reconstruire directement ces fluctuations de densité en résolvant les équations du mouvement de la matière à l'envers (en remontant le temps) à partir des positions actuelles connues des galaxies? Il faudrait pour cela connaître aussi les vitesses de ces galaxies, ce qui n'est que très rarement le cas. Le problème a néanmoins une solution unique dont l'élaboration s'appuie sur la théorie du transport de masse. Le premier exemple de ce type de problème a été formulé en 1781 par le mathématicien Gaspard Monge à propos d'une question de génie civil : comment transporter au moindre coût de la terre d'un lieu dans un autre en imposant les volumes occupés par les « déblaies » et les « remblaies »? Dans ce cas, le coût pour un élément de masse est proportionnel à la distance parcourue.

Les chercheurs se sont basés sur des travaux du cosmologue russe Yakov Zel'dovich datant des années 1970 et sur ceux, plus récents, du mathématicien niçois Yann Brenier, pour montrer que le problème de la reconstruction cosmologique est du même type que celui considéré par Monge, mais avec un coût proportionnel au carré de la distance parcourue. Grâce à un algorithme d'optimisation dû pour l'essentiel à l'astronome niçois Michel Hénon, ils ont pu déterminer, en quelques heures de calcul sur une machine de l'Observatoire de la Côte d'Azur, les positions initiales et les vitesses de plusieurs dizaines de milliers de galaxies. Ces reconstructions, réalisées sur des univers artificiels simulés à l'ordinateur, ont montré que la nouvelle technique donne d'excellents résultats aux échelles supérieures à une dizaine de millions d'années-lumière (la distance parcourue par la lumière en une année).

De grands efforts sont faits actuellement par les astronomes pour mesurer les positions complètes (direction dans le ciel et distance) d'un grand nombre de galaxies. Dans quelques années nous disposerons de catalogues possédant de l'ordre du million de galaxies. La nouvelle technique de reconstruction et ses améliorations (qui visent à travailler à des échelles de quelques millions d'années-lumière) devraient nous donner une nouvelle fenêtre sur l'Univers primitif et permettre ainsi de mieux comprendre comment il s'est formé.

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