Un nouveau télescope pour étudier l’univers sombre

Le télescope spatial Euclid a décollé le 1er juillet 2023 à bord d’une fusée Falcon 9 et a désormais atteint sa destination : une orbite autour du soleil à 1,5 million de kilomètres de la Terre, aux côtés du vaisseau amiral de la NASA, le télescope James Webb.

Euclide a ouvert la lentille vers l’espace et est en mission : trouver et chiffrer la matière noire et l’énergie noire.

D’ici six ans, le télescope spatial imagera un tiers du ciel et prendra des photos d’un milliard et demi de galaxies.

Les analyses de toutes ces images montreront comment les forces obscures ont dicté la forme et le contenu de l’univers.

Peut-être qu’Euclide révolutionnera non seulement notre compréhension de la matière noire et de l’énergie noire, mais aussi les théories fondamentales de la cosmologie.

Les observations peuvent confirmer notre compréhension de la gravité et de l’histoire de l’univers – ou forcer les scientifiques à repartir de zéro.

La matière noire accélère les étoiles

Les galaxies sont regroupées en grands groupes appelés amas de galaxies. Déjà dans les années 1930, des observations montraient que les galaxies de ces amas tournent autour les unes des autres plus rapidement que ce que l’on peut expliquer par les étoiles que nous pouvons voir.

L’astronome suisse Fritz Zwicky a analysé le phénomène et a proposé qu’il devait y avoir une masse dans les galaxies que nous ne pouvons pas voir – et a nommé cette masse « matière noire » (en allemand « dunkle Materie »).

La matière noire amène également les étoiles d’une galaxie à orbiter autour du centre de la galaxie plus rapidement qu’elles ne le feraient autrement.

Dans les années 1970, l’astronome américaine Vera Rubin a mesuré la rotation d’un certain nombre de galaxies et il ne fait aucun doute que les galaxies contiennent plus de cinq fois plus de matière noire que de matière normale.

Depuis, les physiciens tentent de comprendre ce qu’est réellement la matière noire.

Mais la matière noire ne reflète ni n’absorbe la lumière, et elle peut traverser la matière ordinaire sans faire la moindre différence.

Chaque seconde, des milliards de particules de matière noire peuvent traverser notre corps sans que nous nous en rendions compte.

Au cours de centaines d’expériences, les physiciens ont tenté de révéler la matière noire, mais jusqu’à présent, elle n’a laissé aucune trace, à l’exception de celle de la gravité.

La gravité de la matière noire a fait en sorte que la matière ordinaire soit rassemblée dans d’immenses structures cosmiques. Les galaxies se trouvent comme des gouttes de rosée dans une toile d’araignée tridimensionnelle où les fils sont de la matière noire.

Le télescope Euclide va désormais cartographier tout cela.

Avec le télescope Euclide, les astronomes créeront une image 3D de l’univers.

L’image peut être comparée à ce que les médecins créent à l’aide d’un scanner.

Sur l’image 3D, les chercheurs peuvent voir comment les galaxies se sont regroupées sur dix milliards d’années. Ils pourront ainsi découvrir comment la matière noire a façonné l’univers.

De plus, les chercheurs exploiteront un phénomène appelé effet de lentille gravitationnelle faible pour révéler la matière noire. Cet effet doit son nom au fait que la matière noire – tout comme la matière ordinaire – courbe l’espace qui l’entoure de sorte que la lumière des galaxies lointaines doit se courber et se frayer un chemin à travers l’univers pour nous atteindre.

Ainsi, la matière noire agit comme une lentille qui donne l’impression que les galaxies sont légèrement déformées lorsque leur lumière atteint le télescope Euclide.

Les analyses des galaxies mal formées peuvent rapprocher les scientifiques de la vérité sur la matière noire.

Les scientifiques ne savent toujours pas en quoi consiste cette matière, mais ils ont deux candidats : les particules relativement lourdes appelées mauviettes (particules massives à faible interaction) et les particules plus légères appelées axions.

Les observations d’Eculid peuvent être comparées à des modèles de calcul des mauviettes et des actions et conduire ainsi les chercheurs vers la bonne conclusion.

L’univers prend de la vitesse

L’univers est en expansion. Les chercheurs l’ont déjà déterminé dans les années 1920. Les galaxies s’éloignent de plus en plus parce que l’espace réel entre elles s’agrandit et peut être mesuré.

Les astronomes ont en fait estimé que l’expansion était ralentie par la matière présente dans l’univers, car toute matière attire tout le reste par la gravité.

Mais au lieu de cela, en 1998, les scientifiques ont découvert de manière sensationnelle que l’expansion non seulement se poursuit sans relâche, mais qu’elle s’accélère. En d’autres termes, il doit y avoir une énergie qui s’oppose à la gravité et « pousse vers l’extérieur » – et elle a été surnommée énergie sombre.

Dans le modèle le plus simple, l’énergie noire est intégrée à l’espace lui-même et agit comme une force répulsive – une pression – qui provoque l’expansion de l’espace.

Plus d’espace signifie plus d’énergie sombre, ce qui donne plus d’espace, et ainsi de suite.

Mais peut-être que l’énergie noire n’est pas si simple.

Avec Euclide, les scientifiques peuvent découvrir à quelle vitesse les galaxies se sont éloignées au cours des dix derniers milliards d’années.

De cette manière, ils pourront également découvrir si l’énergie noire s’est toujours comportée de la même manière partout dans l’univers. Peut-être que la force de l’énergie noire varie, et que les physiciens devront alors trouver un nouveau modèle pour le développement de l’univers.

Les théories peuvent être réécrites

Euclide est le seul télescope spatial qui observera uniquement l’univers sombre. Mais les mesures du télescope ne suffiront pas, car les chercheurs sont en train de construire le grand observatoire américain Vera C. Rubin.

Le télescope sera érigé au sommet de la montagne Cerro Pachón, dans le nord du Chili, et en 2024, il commencera à photographier le ciel de l’hémisphère sud.

De plus, le prochain grand télescope de la NASA, le télescope spatial romain Nancy Grace, sera lancé en 2027. Il fera deux fois la taille d’Euclide et pourra voir plus loin dans l’espace.

La combinaison des données d’Euclide, Rubin et Roman peut fournir des calculs plus précis de l’énergie noire.

La vraie grande question est de savoir si le meilleur modèle de l’univers des astrophysiciens tient la route.

Les physiciens fondent leur modèle de l’univers sur deux hypothèses : que la matière dans l’univers est uniformément répartie et que l’univers se présente de la même manière dans toutes les directions et qu’il se développe également rapidement dans toutes les directions.

Si les mesures d’Euclide montrent que ce n’est pas vrai – si, par exemple, l’univers s’étend plus rapidement dans une direction – les physiciens doivent retourner à la planche à dessin.

Mais la plus grande surprise serait s’il s’avérait que la théorie de la relativité générale d’Einstein ne tient pas à grande échelle.

Les chercheurs doivent alors trouver une toute nouvelle théorie sur la gravité elle-même.