L'astrophysicienne Françoise Combes, la médaille d’or 2020 du CNRS, professeure au Collège de France et chercheuse à l'Observatoire de Paris. © Jul / Futura
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L'édito de Françoise Combes : ces trois énigmes signalent-elles une nouvelle astrophysique et cosmologie ?

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

Pour les 20 ans de Futura, il est intéressant de pointer quelques sujets passionnants en astrophysique, qui posent toujours autant de questions. Le plus ancien est celui de la matière noire, qui nous hante depuis des décennies.

L’article de Laurent Sacco fait le point sur les récents débats très animés concernant les galaxies ultra-diffuses, appelées UDG (Ultra-Diffuse Galaxies). Ce sont des galaxies de grande taille mais dont la masse d'étoiles est celle des galaxies naines. Leur densité de surface est très faible, et la théorie prédit qu'elles devraient être dominées par la matière noire. Il est vrai que certaines le sont, par contre, d'autres en interaction avec des galaxies plus massives, ne le sont pas.

Est-ce un problème de mesure, d'interprétation ? ou bien sont-elles encore hors d'équilibre, car perturbées par les forces de marée ? Ces galaxies sont aussi des tests pour les théories alternatives à la matière noire.

Un autre domaine dans lequel les progrès ont été rapides ces dernières années est celui des sursauts radio rapides, ou FRB (Fast Radio Bursts). Duncan Lorimer et ses collaborateurs, en 2007, publiaient leur découverte et, pendant plusieurs années, les FRB sont restés très mystérieux car ils ne se répétaient pas ; il était impossible de savoir quels astres en étaient responsables. Dans la dernière décennie, des répétitions ont été détectées, et de plus en plus de FRB, certains dans la Voie lactée, ce qui a permis de remonter à des étoiles à neutrons, et surtout des objets à champ magnétique intense, les magnétars.

Aujourd'hui, les instruments précurseurs de l'interféromètre SKA (Square Kilometer Array) en détectent des centaines, comme le décrit Nathalie Mayer dans son article. Tous les mystères ne sont pourtant pas résolus...

Présentation de son cours 2016-2017 par la Professeur Françoise Combes : « Énergie noire et modèles d'univers ». © Collège de France

L'énigmatique et paradoxale expansion accélérée du Cosmos

Une tension concernant la valeur de la constante de Hubble est une nouvelle source de débat, et va peut-être déboucher sur la découverte d'une nouvelle physique (ndlr : un article sur ce débat est aussi publié aujourd'hui pour les 20 ans de Futura).

La constante de Hubble-Lemaître a connu une histoire mouvementée. Edwin Hubble la découvre en 1929 avec les mesures de vitesses des galaxies de Vesto Slipher, les distances obtenues par la loi, récemment découverte, de la relation période-luminosité des Céphéides, par Henrietta Leavitt, en 1909. Cette première relation entre distance et vitesse des galaxies est une loi de proportionnalité avec une constante H0 égale à près de 10 fois la constante connue aujourd'hui. C'est l'abbé Lemaître qui réalise le premier qu'il ne s'agit pas vraiment d'un effet Doppler mais d'une dilatation de l'espace, prévue par les équations d'Einstein de la relativité générale de 1915. Remontant le temps, il baptise l'univers primordial comme l'atome primitif qui devient le Big Bang avec Fred Hoyle en 1949.

Cette fameuse constante a beaucoup varié au cours du XXe siècle, où les distances des galaxies sont mal connues. Elle varie entre 50 et 100km/s/Mpc, ce qui a un grand impact sur l'âge de l'Univers : plus H0 est grand, plus l'âge de l'Univers est petit.  

Au point que certaines étoiles deviennent  plus vieilles que l'Univers !

Cette illustration montre Georges Lemaître (1894-1966) à gauche, et Edwin Hubble (1889-1953) à droite. Le télescope sur la gauche est le télescope Hooker du mont Wilson en Californie. Le télescope spatial Hubble est sur la droite. © Nasa, Esa, A. Feild

Au fil du temps, et des progrès des télescopes, un nouvel indicateur de distance, une nouvelle chandelle standard, a vu le jour sous la forme des supernovae de type Ia : elles permettent de déterminer les distances bien plus loin que les Céphéides, car elles sont très brillantes. En mesurant la durée de leur courbe de lumière, il est possible d'en déduire leur luminosité intrinsèque, et donc leur distance. Surprise : ces supernovae étaient beaucoup plus éloignées que prévu par leur décalage spectral. C'est ainsi qu'a été découverte l'accélération de l'expansion en 1998 (Prix Nobel 2011), qui rend compatible l'âge de l'Univers avec l'âge des étoiles.

Pendant près de 20 ans, toutes les observations (fond cosmologique avec WMAP, Planck, lentilles gravitationnelles, SNIa, etc), sont tombées d'accord pour établir le modèle de convergence de l'Univers, avec 30 % de matière, 70 % d'énergie noire, et une constante H0 = 70km/s/Mpc. Depuis ces dernières années, toutefois, une tension se développe entre la valeur de H0 mesurée localement (Céphéides et autres chandelles standard) et celle déduite du modèle de cosmologie LCDM, avec la physique de l'univers primordial :  H0=73 d'un côté, 66 km/s/Mpc de l'autre.

Est-ce que cela vient de la masse des neutrinos ? de la quintessence, de l'énergie noire ? ou d'une autre physique ?

L'espace à découvrir est encore immense...

Depuis 13,7 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche


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