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Vaste question que de savoir ce qui compose le cosmos: on ne connaîtrait que 5% de celui-ci... soit la matière ordinaire, dite baryonique: les planètes, les étoiles, la Terre et nous. C'est la matière qui interagit avec la lumière en l'absorbant, en l'émettant ou en la réfléchissant.
La cosmologie est la branche de la physique qui a pour but l'étude de l'origine, de la nature, de la structure et de l'évolution de l'Univers. Sa théorie dominante est celle du Big Bang, la naissance explosive de tout ce que nous connaissons, il y a 13,8 milliards d'années.
>> Frise chronologique de l'Histoire de l'Univers:
Le Big Bang est caractérisé par l'inflation de l'Univers. Le fonds diffus cosmologique – CMB pour cosmic microwave background – est la rémanence de cet événement (voir l'illustration en tête de ce chapitre). Avant le CMB, tout le cosmos était opaque, la lumière ne circulait pas: il est donc impossible de voir avant lui. [Yinweichen/Whidou & Simon Villeneuve - National Science Foundation/CC BY-SA 3.0]
Dans un voyage en cosmologie, on croise notamment des ondes gravitationnelles, des trous noirs, Albert Einstein, la physique des particules, la matière et l'énergie sombres.
Trois quarts de l'Univers est constitué d'une forme d'énergie inconnue, l'énergie noire (dark energy); avec la matière noire (dark matter), également inconnue, cela forme environ 95% de l'Univers. Les 5% restants sont de la matière ordinaire – dite baryonique – constitutive de tout ce que nous connaissons. [Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences - nobelprize.org]A noter que "sombre" – la traduction de "dark", en anglais – ou "noire" sont les deux adjectifs utilisés en français pour décrire ces entités dont les scientifiques n'ont pas encore réussi à décrire la nature exacte; ces qualificatifs sont aussi utilisés car ces composantes n'interagissent pas du tout avec la lumière.
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Avec Euclid, conçu expressément dans ce but, il s'agit de lever un coin du voile sur ce qui compose 95% de l'Univers mais dont on ignore totalement la nature. Et la question est importante: 25% de matière noire, c'est cinq fois plus que la matière dite ordinaire! C'est en observant la manière dont les objets visibles se comportent que les scientifiques sont arrivés à déduire que la matière noire existe bel et bien.
Encore aujourd'hui, matière et énergie sombres restent théoriques, mais les scientifiques ne peuvent s'en passer pour comprendre et expliquer le cosmos. Leurs effets sont observables, notamment avec le phénomène des lentilles gravitationnelles: elles sont comme des loupes spatiales permettant de voir des objets lointains situés derrière elles.
>> Illustration d'une lentille gravitationnelle:
Une lentille gravitationnelle est utilisé par les astronomes pour étudier des galaxies très éloignées et très peu lumineuses, comme celle se trouvant en haut à gauche. Ici, l'échelle a été fortement exagérée: en réalité, cette galaxie est beaucoup plus éloignée et petite. Entre l'observatoire sur Terre et cette très lointaine galaxie, un amas de galaxies elliptiques – dont la gravité est très forte – courbe l'espace-temps; la lumière (en blanc) va suivre cette courbure et produire des images déformées et souvent multiples de la galaxie d'arrière-plan (en orange). Malgré la distorsion, un effet de loupe est produit: les astronomes peuvent obtenir des informations qui ne seraient pas disponibles sans cet effet de lentille gravitationnelle. [L. Calçada - NASA/ESA]
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Attractive, la matière noire agirait comme un ciment au sein des galaxies, ce qui expliquerait pourquoi celles-ci ne se dispersent pas en nuées d'étoiles. Cette mystérieuse matière serait aussi responsable de la façon dont les galaxies se meuvent dans les amas de galaxies, ou la façon dont elles sont agencées à très grandes distances, soit ce que l'on nomme la toile cosmique. Les galaxies se forment grâce à la gravité, dans les régions où se trouve le plus de matière noire.
Quant à l'énergie sombre, elle représente 70% de l'Univers et elle est encore plus mystérieuse. Répulsive, son existence est nécessaire pour expliquer l'accélération de l'expansion de l'Univers: celle-ci a débuté il y a environ 5 milliards d'années. Deux groupes travaillant en astrophysique, menés par les physiciens Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Reiss, ont découvert en 1998 que, durant les huit premiers milliards d'années de son Histoire, l'expansion de l'Univers se ralentissait petit à petit, mais que, soudain, 8 milliards d'années après le Big Bang, une accélération de plus en plus rapide a été observée. Cette étude a valu le prix Nobel de physique en 2011 à ces trois chercheurs.
>> Une vidéo expliquant l'Histoire de l'Univers selon le modèle du Big Bang:
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Cette accélération qui s'emballe est pour le moins contre-intuitive si l'on compare le Big Bang à une explosion: "Les cosmologistes ont alors proposé l'existence d'une nouvelle forme d'énergie pouvant expliquer ce phénomène: l'énergie sombre. Elle serait dans les moindres recoins de l'Univers", explique la professeure de l'UNIGE Camille Bonvin, dans une vidéo sur sa chaîne YouTube.
"Elle aurait des propriétés très étranges", ajoute la chercheuse. "Cette énergie n'a jamais été détectée directement". Par conséquent, une autre interprétation a été proposée pour la remplacer: celle de la gravitation modifiée. La chercheuse complète: "Peut-être que les lois de la gravitation se comportent de manière différente que celles prédites par Einstein à très grandes distances". Un thème abordé plus bas dans ce Grand Format.
>> La professeure Camille Bonvin (UNIGE) décortique les questions qu'Euclid emmène avec lui et explique son fonctionnement:
Avec Euclid, les astronomes veulent sonder la nature de l'énergie sombre et la composition de la matière noire en comprenant la manière dont toutes deux évoluent à travers le temps.
En résumé, la cosmologie actuelle se base sur le modèle appelé Lambda-CDM ou, qui indique un Univers complètement dominé par la matière et l'énergie noires. Il part donc du principe que le cosmos est composé de photons, de neutrinos, de matière ordinaire – baryonique, avec des électrons – et de la matière noire froide, qui n'interagit que gravitationnellement, sans oublier la présence de l'énergie sombre.
>> Ecouter le professeur Stéphane Paltani (UNIGE), spécialiste en astrophysique des hautes énergies et en cosmologie: