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Comment faire un univers

Paul M. Sutter est astrophysicien à SOLEIL Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace.

Vous voulez tenter de percer les plus grands mystères du cosmos ? Commençons par explorer les bases de la cosmologie, l’étude de tout notre univers. Oui, c’est un vrai travail – et oui, vous pouvez le comprendre aussi.

Si vous souhaitez « cuire » un univers, vous avez besoin de deux ingrédients essentiels et d’un ingrédient optionnel. Pour obtenir le cosmos que nous connaissons, vous avez besoin d’environ 25 % de matière noire et 70 % d’énergie noire. La matière noire est une forme de matière complètement invisible ; quoi que ce soit, il n’interagit pas avec la lumière. Nous ne savons pas exactement de quoi est faite la matière noire, mais nous savons qu’elle est là à travers ses machinations gravitationnelles et ses interactions avec tout le reste.

En rapport: Pouvons-nous voir l’énergie noire de la Terre ? De nouvelles expériences offrent de l’espoir.

Les astronomes cartographient indirectement la matière noire, via son attraction gravitationnelle sur d’autres objets. (Crédit image : NASA, ESA et D. Coe (NASA JPL/Caltech et STScI), CC BY)

Outre la matière noire, vous aurez besoin de gros tas d’énergie noire, ce qui est encore plus mystérieux. L’énergie noire est le nom que nous donnons à l’expansion accélérée observée de l’univers, c’est-à-dire que l’univers s’agrandit à un rythme plus rapide chaque jour qui passe. Nous soupçonnons que l’énergie noire a quelque chose à voir avec le vide de l’espace-temps lui-même. En d’autres termes, si vous aviez une boîte vide, dépourvue de toute matière et rayonnement, vous auriez en fait une boîte pleine d’énergie noire. Mais au-delà de ces soupçons insignifiants, nous sommes perplexes.

En gros, c’est tout : avec suffisamment de matière noire et d’énergie noire, vous pouvez représenter 95% du contenu de l’univers pour la majeure partie de son histoire.

Alors, qu’en est-il de cet ingrédient facultatif? C’est toute la matière normale — ce que les cosmologistes appellent la matière « baryonique » — comme les protons et les neutrons. C’est tout ce qui s’assemble en atomes et molécules, personnes et planètes, étoiles et galaxies. Toute la matière visible de l’univers n’a pas vraiment d’importance. Mais cela fait de jolies lumières dans le ciel nocturne, donc c’est un bon bonus.

La toile sombre

C’est l’univers d’aujourd’hui : un peu de matière normale, beaucoup de matière noire et une énorme charge d’énergie noire. L’énergie noire est occupée à déchirer l’univers jusqu’aux coutures, mais sinon, ne participe pas vraiment à la vie cosmologique quotidienne.

La matière noire s’agglutine en un vaste et complexe motif semblable à une toile, appelé « toile cosmique ». Il y a des boules géantes de matière noire d’un million d’années-lumière ou plus de diamètre. Il y a de longues cordes, ou filaments, de matière noire qui s’étendent entre ces boules. Il y a des déserts incroyables – les vides cosmiques – avec presque absolument rien du tout. Mais à part fournir l’épine dorsale de la structure de l’univers, la matière noire ne fait rien d’autre. Il fait sombre, après tout – incapable d’interagir avec la lumière – donc il reste en quelque sorte là.

La petite quantité de matière normale est piégée dans cette toile sombre. De petits amas de matière noire, appelés halos, hébergent une seule galaxie. Les boules géantes hébergent plusieurs galaxies – ce que nous appelons un amas de galaxies. Les filaments abritent des chaînes de galaxies en caravane à travers les années-lumière.

La toile cosmique est le plus grand motif trouvé dans la nature, remplissant tout l’univers observable (et probablement certains ; mais par définition, nous ne pouvons pas voir plus loin). Quelle est la taille de cet univers observable, pourriez-vous demander ? Les estimations actuelles le situent à environ 90 milliards d’années-lumière, bien que la taille réelle de l’univers soit probablement beaucoup, beaucoup plus grande.

La trame de fond

Alors, comment l’univers d’aujourd’hui est-il devenu l’univers d’aujourd’hui ? Comment avons-nous obtenu toute cette matière noire arrangée dans une toile cosmique géante ? Eh bien, il y a cent ans, nous avons fait une découverte remarquable, avant même de connaître toutes les choses sombres qui se passent : l’univers est en expansion.

Chaque jour, les galaxies s’éloignent les unes des autres (en moyenne, c’est-à-dire qu’un crash galactique occasionnel est tout à fait possible). Cela signifie que l’univers était différent dans le passé, et très différent dans le passé antique. Les cosmologistes peuvent remonter le temps jusqu’au moment où tout dans l’univers était réduit en un point très petit et inconfortable : il y a 13,77 milliards d’années, l’ensemble de l’univers observable avait la taille d’une pêche et avait une température de plus d’un quadrillion de degrés.

Quelle déclaration remarquable ! Comment pourrions-nous savoir quelque chose d’aussi puissant sur le cosmos en étant assis ici sur Terre ? Nous pouvons le dire parce que nous en avons la preuve.

Par exemple, nous savons que si l’univers était vraiment petit dans le passé et qu’il est vraiment grand maintenant, alors il devait être beaucoup plus chaud à l’époque (parce que toutes les mêmes choses étaient entassées dans un volume beaucoup plus petit). À une certaine phase de l’histoire du cosmos, l’univers entier a dû être un plasma, avec de petits électrons arrachés à leurs foyers atomiques. Mais à un moment critique, l’univers doit être devenu assez grand et assez froid pour que les premiers atomes se forment, libérant une rafale de rayonnement chauffé à blanc dans le processus. Ce rayonnement persiste jusqu’à nos jours, où il imprègne l’univers d’une lueur beaucoup moins intense de rayonnement micro-ondes.

Nous pouvons voir ce rayonnement micro-ondes avec les télescopes micro-ondes, et c’est, de loin, la plus grande source de lumière dans l’univers. C’est une relique du Big Bang (le nom que nous donnons à ce modèle de l’univers plus petit dans le passé), juste là dans le ciel, nuit après nuit.

Et oui, c’était une matière normale qui était responsable de la libération de ce rayonnement. Ainsi, même si la matière normale n’est qu’une composante mineure du cosmos, elle reste assez importante.

En savoir plus en écoutant l’épisode « Qu’est-ce que l’univers ? » sur le podcast Ask a Spaceman, disponible sur iTunes et askaspaceman.com. Merci à Mitchell L. pour les questions qui ont mené à cette pièce ! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.

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