Le cadre : le modèle cosmologique décrivant l'Univers

La cosmologiecosmologie observationnelle est un domaine fascinant où l'exploration de territoires vierges fait partie du quotidien des chercheurs. Les questions posées sont fondamentales et touchent à nos origines : comment se sont formées les premières étoilesétoiles et galaxiesgalaxies, quelle est la séquence d'évolution qui a conduit à des galaxies comme notre Voie LactéeVoie Lactée, et qui a produit in fine la vie sur une planète orbitant autour d'une étoile fabriquée par cette gigantesque machine « UniversUnivers » ?

Carte de la sphère céleste montrant les fluctuations (ou anisotropie) du fond diffus cosmologique, observées par le satellite WMAP. © Nasa, Goddard, WMAP Science Team, Wikimedia commons, DP

Nous vivons des années extraordinaires. Pour la première fois, nous avons élaboré un modèle d'Univers qui rend compte de l'essentiel des observations, basé sur la théorie du Big BangBig Bang. Après des décennies de controverses, il semble que nous ayons une mesure précise de l'âge de l'Univers avec 13,7 milliards d'années, et de son contenu fait de 4 % de matièrematière « baryonique », les atomesatomes et moléculesmolécules que nous connaissons bien, de 22 % de matière sombrematière sombre dont les effets gravitationnels se font imperturbablement sentir, et de 74 % d'énergieénergie dite sombre, apparentée à une mystérieuse énergie du vide (voir figure 3).

Figure 3 : Composition de l'Univers, 4 % seulement sous forme des atomes que nous connaissons, 22 % sous forme de matière noire dont nous pouvons mesurer les effets gravitationnels, et les 74 % restants sous forme d'une mystérieuse énergie noire. © Domaine public

La composition de l'Univers : une « soupe cosmique »

Si l'on mettait ces ingrédients et quelques autres dans une éprouvetteéprouvette, en accélérant le temps, on devrait obtenir toute la « soupe cosmique » des étoiles et autres galaxies. Tout pourrait être parti des minuscules fluctuations dans la densité de l'Univers, après les toutes premières phases d'inflation puis de recombinaisonrecombinaison. Ces fluctuations sont maintenant observées dans la carte du fond de ciel cosmologique dont la température de 2,7 degrés au-dessus du froid absolu (soit environ -270 degrés centigrades !) est le résidu fossilefossile de l'explosion primordiale exactement prédit par la théorie du Big Bang. Cette température n'est en effet pas uniforme, on mesure des fluctuations de température infimes de l'ordre de 1/100.000^e de degré.

Le satellite Cobe, puis WMAP ont produit des cartes détaillées de ces fluctuations sur tout le ciel. Pour des données encore plus précises, en 2009, l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne lançait les observatoires Planck et Herschel réalisés par Thales Alenia Space.

L'incroyable est que dans ces fluctuations de température l'on puisse extraire les paramètres fondamentaux qui décrivent notre Univers : son âge, la quantité de baryonsbaryons et de matière noire, la part de cette fameuse énergie noire, ainsi que l'époque dite « de réionisationréionisation ». Chaque petite fluctuation présente dans cette carte qui représente l'Univers 300.000 ans après le Big Bang va ensuite évoluer sous l'action de la gravitégravité, et constituer un halo de matière qui grossit en avalant ses voisins. C'est à cette époque que l'on pense que les premières étoiles et galaxies ont pu commencer à s'assembler et que leur luminositéluminosité a pu dissiper les voiles de l'âge noir. Dans chaque halo de matière, une partie se condense à un point tel que des réactions thermonucléaires s'enclenchent et que les premières étoiles naissent, une autre partie importante restant sous forme de matière noire (qui ne rayonne pas) assurant la cohésion de l'ensemble.

Figure 6 : Une des tranches du sondage 2dFGRS réalisé en mesurant les distances de plus de 250.000 galaxies (points bleus) dans un volume de plus de 1,5 milliard d'années autour de nous. La distribution des galaxies en filaments, amas et autres structures complexes est évidente. © Domaine public

La structure complexe du milieu interstellaire

Les galaxies s'assemblent en groupes et en amas, en filaments, des régions de l'Univers restent vides, ainsi naît la structure complexe de l'Univers observée par les grands sondages de galaxies dans notre environnement proche (sondages 2dFGRS, Figure 6 ; Sloan Digital Sky Survey). Le devenir de l'Univers dépend de la quantité de matière totale présente dans l'Univers. Les mesures de l'expansion de l'Univers avec WMAP, avec les balises que sont les supernovassupernovas et avec le cisaillement gravitationnel produit sur la propagation de la lumièrelumière par la matière sur la ligne de visée, indiquent un univers dominé à 74 % par l'énergie noireénergie noire, 22 % par la matière noire et 4 % par l'ensemble de la matière telle que celle qui nous entoure. Autrement dit, 74 % du contenu de l'Univers nous est totalement inconnu, nous avons des idées mais aucune preuve pour 22 %, et nous nous attachons à mesurer avec précision l'ensemble des étoiles et galaxies qui constituent les derniers 4 % en espérant obtenir des informations indirectes sur les 96 % restants !

Les simulations numériquessimulations numériques utilisant les supercalculateurssupercalculateurs les plus puissants du monde font office d'éprouvette pour les apprentis faiseurs d'Univers. On injecte tous les ingrédients qui caractérisent l'Univers, on ajoute la gravitationgravitation, les processus physiquesphysiques qui régulent la formation et la mort des étoiles, et les interactions diverses entre étoiles, gazgaz et poussières. Le résultat est étonnant de précision, les simulations reproduisent les observations avec un luxe de détails. Le « Millennium run », la plus grande simulation à ce jour conduite par le consortium VirgoVirgo contient plus de 10 milliards de particules qui ont évolué dans les mémoires des superordinateurs pendant plusieurs semaines.

Figure 4 : Simulations numériques du Millennium produites par la collaboration Virgo. De gauche à droite, les fluctuations initiales se développent au cours du temps sous l'action de la gravité pour former l'ensemble des galaxies et du tissu de grandes structures observées aujourd'hui ; plus de 13 milliards d'années se sont écoulées entre les deux extrêmes de cette séquence. © Domaine public

Pour autant, aussi spectaculaires que soient ces résultats pour reproduire les grandes lignes (voir Figure 4 et Figure 5), ils sont loin de reproduire l'ensemble des observables et de nombreuses zones d'ombre demeurent, en partie parce que les ordinateursordinateurs ne peuvent représenter chaque galaxie que par quelques particules, mais aussi par notre ignorance des phénomènes fins qui régissent la physique des galaxies.

Figure 5 : La simulation du Millennium montre bien la complexité de la structure de l'Univers. À très grandes échelles, l'Univers est uniforme, alors qu'à des échelles de la taille des amas de galaxies la distribution de matière est très inhomogène. © Domaine public