[MUSIQUE] [MUSIQUE] Depuis toujours, les êtres humains observent le ciel nocturne, les planètes, les étoiles, la voie lactée. Ils cherchent à comprendre d'où vient l'Univers et comment il est organisé. Au fil des siècles, avec les progrès scientifiques et techniques, ils ont su trouver des réponses parfois inattendues. Et cela n'avait rien d'évident, car cet Univers fait intervenir des distances tellement prodigieuses qu'on ne peut même pas voyager jusqu'à l'étoile la plus proche en dehors de notre système solaire. Alors, comment sommes-nous capables d'appréhender l'infiniment grand? Comment pouvons-nous le comprendre alors que nous ne pourrons jamais renouveler l'expérience conduisant au cosmos dans lequel nous vivons aujourd'hui? Explorer l'Univers, c'est vraiment partir pour un voyage dans l'infiniment grand. L'unité adaptée pour les distances entre les étoiles n'est pas le mètre mais l'année-lumière, c'est-à -dire la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant un an, soit environ 950 milliards de kilomètres. L'étoile la plus proche du soleil, Proxima du Centaure, est distante de 4,2 années-lumière. Notre galaxie, la Voie lactée, est une galaxie spirale regroupant environ 300 milliards d'étoiles dans un disque de près de 70 000 années-lumière de diamètre. La galaxie d'Andromède, la plus proche voisine de la Voie lactée, est à 2,5 millions d'années-lumière. Et qu'en est-il des plus grandes structures maintenues ensemble dans l'Univers par l'interaction gravitationnelle? Il s'agit des amas de galaxies. Ils pèsent entre 10 puissance 13 et 10 puissance 15 fois la masse du Soleil, et ils sont distants les uns des autres de quelques dizaines à centaines de millions d'années-lumière. Enfin, aux plus grandes échelles, l'Univers se présente sous la forme d'immenses réseaux de filaments aux intersections desquels on retrouve ces fameux amas de galaxies. Ces distances, et donc ces temps de parcours de la lumière, deviennent heureusement plus faciles à appréhender au sein du Système solaire. Par exemple, la lumière nous parvient de la surface du Soleil en huit minutes seulement, après avoir pourtant parcouru 150 millions de kilomètres. Autre exemple, un faisceau laser pointé sur la Lune peut se réfléchir sur des miroirs qui ont été posés par des sondes lunaires et nous revenir en deux secondes environ. D'ailleurs, la mesure de ce temps de parcours par télémétrie lunaire constitue l'un des tests les plus contraignants de la relativité générale. Alors, jusqu'où pouvons-nous voir dans l'Univers? Quels sont les objets les plus lointains que l'on puisse observer? En fait, la question n'est pas tout à fait celle-ci. La lumière se propageant à vitesse finie, certes grande mais finie, regarder loin est équivalent à remonter dans le temps et observer dans le passé. Ainsi, toutes nos observations concernent des évènements ou des épisodes antérieurs de la vie des astres. En 1987, lorsque des astrophysiciens se sont enthousiasmés devant l'explosion d'une supernova dans le grand nuage de Magellan, une toute petite galaxie satellite de la voie lactée, cette explosion s'est en réalité produite près de 200 000 ans plus tôt. Les astres les plus lointains connus à ce jour sont des quasars ou des galaxies primordiales dont la lumière que nous percevons fut émise il y a plus de 13 milliards d'années au tout début de l'Univers. Alors, quelle est cette image la plus ancienne de l'Univers? Dans la théorie du big bang, l'histoire de l'Univers débute il y a 13,7 milliards d'années avec un Univers extrêmement dense et chaud qui s'étend progressivement, se dilue et se refroidit. Jeune, l'Univers est en pleine effervescence avec de nombreuses particules qui sont en permanence créées et annihilées. Lorsque l'Univers est âgé de 380 000 ans environ, il s'est suffisamment refroidi pour que les noyaux d'atomes et les électrons se combinent pour former des atomes neutres, principalement de l'hydrogène et de l'hélium. Les photons qui se heurtaient sans cesse à des noyaux chargés voient enfin des atomes neutres qu'ils peuvent éviter sans peine. Ces photons nous transmettent alors l'image la plus ancienne que l'on puisse observer, connue sous le nom de fond diffus cosmologique. Cette image représente l'Univers à l'âge de 380 000 ans. Avant cela, notre Univers était opaque à la lumière, et aucune image par conséquent ne peut nous en parvenir. La lumière de ce fond diffus cosmologique est particulièrement intéressante pour l'étude de l'infiniment grand. À cette époque reculée, l'Univers était extrêmement homogène, ne présentant que de très légers écarts d'une région à une autre région de l'Univers. Mais ces petits écarts de densités sont fondamentaux pour la suite de l'histoire car les régions les plus denses se sont contractées sur elles-mêmes sous l'effet de la gravitation, donnant naissance aux étoiles et aux galaxies. Plusieurs générations d'étoiles se sont ensuite succédées, donnant naissance à des noyaux de plus en plus lourds, dont tous ceux que nous retrouvons sur Terre et qui nous constituent. Ces générations d'étoiles ont aussi engendré des astres très étranges comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs. Avec les données du fond cosmologique mais aussi l'observation d'objets lointains et l'étude de la dynamique des galaxies, on a pu établir un modèle simple pour notre Univers. Quelles sont les composantes de ce modèle? La matière baryonique, celle que l'on retrouve dans les roches, le gaz, les astres, les planètes ne constituent que 5 % du total. 25 % de l'Univers est sous une forme de matière massive mais insensible ou quasiment à toute autre interaction que la gravitation. Enfin, l'essentiel, près de 70 % est attribué à une mystérieuse énergie noire qui tend à accélérer l'expansion de l'Univers contrairement à toute matière connue. Et cette matière noire et cette énergie noire, de quoi sont-elles faites? Le mystère reste entier. Peut-on dépasser les limites de nos observations pour répondre à ces question? C'est déjà un peu le cas. Durant des siècles, l'étude de l'infiniment grand a été confinée à la seule observation dans le domaine visible, d'abord à l'œil nu, puis à l'aide de lunettes astronomiques. Mais à partir de la fin du XIXe siècle, l'observation s'est élargie à l'ensemble du spectre électromagnétique, c'est-à -dire à toutes les longueurs d'ondes de la lumière en deçà et au-delà du domaine visible, telles les ondes radio, l'infrarouge, l'ultraviolet, les rayons X ou gamma. Plus récemment et plus largement encore, on a accès à d'autres messagers porteurs d'informations complémentaires, rayons cosmiques depuis le début du XXe siècle, neutrinos cosmiques depuis 1987, et enfin depuis 2016, ondes gravitationnelles. Tous ces messagers portent des informations de natures très différentes sur l'histoire et la structure actuelle de notre Univers. Et chacun de ces nouveaux regards a déjà apporté son lot de surprises. Pour donner un simple exemple, les galaxies sont zébrées d'épais nuages de poussière opaques à la lumière visible. Mais lorsque nous les observons en lumière infrarouge, les voilà qui s'enflamment de myriades d'étoiles. Ces observations ont été rendues possibles par l'arrivée de nouveaux instruments qui vont bien au-delà de l'observation à l'œil nu, même dans un télescope. On peut citer sur le plan instrumental les radiotélescopes, les satellites d'observation, les détecteurs issus de la physique des particules, et sur le plan technologique, l'enregistrement et le traitement numérique des images. L'informatique a également apporté de nouveaux outils aux physiciens par le biais des simulations numériques. Ces simulations donnent d'une part accès à la dynamique d'objets, bien décrits théoriquement mais encore très mystérieux ou très complexes, comme par exemple les trous noirs, leur fusion ou les ondes gravitationnelles qu'ils peuvent générer. Ces simulations numériques peuvent d'autre part compenser l'impossibilité dans laquelle nous nous trouvons d'effectuer des expériences cosmologiques. Elles permettent en effet de tester différents modèles de l'Univers, ou la nature des composantes qui le constituent comme la matière noire, ou encore de tester les lois qui régissent les interactions entre les astres. Nous avons donc vu que notre Univers est composé d'objets séparés par des distances colossales. À ces distances, même la lumière peut mettre un temps très long à nous parvenir d'objets lointains. On peut apprendre beaucoup sur l'histoire de l'Univers et sur sa structure en combinant des informations de natures différentes, comme par exemple celles provenant du fond cosmologique, 380 000 ans après le big bang, ou en tirant profit d'autres messagers que la lumière visible. Grâce à cette variété de méthodes et d'approches, les physiciens ont à présent une image assez précise du passé de l'Univers et de son évolution actuelle. Mais il reste encore de nombreuses inconnues comme les premiers instants de l'Univers, la nature de la mystérieuse matière noire et énergie noire, la structure de certains astres étranges comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs. [MUSIQUE] [MUSIQUE] [MUSIQUE] [MUSIQUE]
