Comme l’infiniment petit, l’infiniment grand est constitué surtout de vide mais il est tout autant structuré

Plus on considère l’Univers à grande échelle plus il ressemble à l’infiniment petit, du vide structuré très finement par la matière. On ne s’en est rendu compte que récemment puisque, étant nous-mêmes noyés à l’intérieur de l’objet observé, nous n’avions pas le recul nécessaire pour l’appréhender sans déformation. Pour comparaison, nous voyons les arbres et non la forêt. Il a fallu que nous disposions des outils modernes que constituent les grands télescopes terrestres de dernière génération, comme le VLT et sa MUSE*, et les télescopes spatiaux, comme le télescope Hubble (avec son « Cosmic Origins Spectrograph »), pour observer suffisamment de galaxies et de nuages de gaz et en déduire, compte tenu des emplacements, des distances et des vitesses de déplacement, et grâce à la puissance de calculs de nos ordinateurs pour annuler les distorsions de perspectives, une image de ce que devrait être en réalité le tissu de l’univers.

VLT est le Very Large Telescope de l’ESO, situé au Cerro Paranal, Atacama, Chili. MUSE est le Multi Unit Spectrometer Explorer, un spectromètre 3D grand champ qui équipe le VLT depuis 2014.

La matière visible est regroupée en galaxies. Il y en a peut-être 200 milliards dans l’univers observable. Mais ces galaxies ne sont que les points où la matière primordiale s’est reconcentrée après que le Big-bang l’ait projetée avec violence dans ce qu’on appelle l’expansion de l’Univers. Au début des « âges sombres », mettons pendant les 250 premiers millions d’années de l’histoire de notre Univers (même si ces âges ont duré quelques 400 millions d’annees), la matière atomisée était diluée, sans étoiles et sans galaxies mais quand même avec des régions de plus fortes et de moindres densités. Ce brouillard général était constitué de beaucoup d’atomes d’hydrogène et d’un peu d’atomes d’hélium. A la « surface de dernière diffusion », 380.000 ans après le Big-bang, lorsque la lumière fut libérée de la matière par l’expansion qui elle-même avait permis aux protons de récupérer des électrons, il y avait déjà des irrégularités de densité, provoquées par les « oscillations acoustiques des baryons » et ce sont ces irrégularités qui plus tard donneront les premières galaxies. Au tout début, en devenir, elles étaient d’énormes nuages sombres car sans étoiles puis, petit à petit, la gravité jouant son rôle, les premières concentrations se firent, des quasars se formant autour de quelques trous noirs primordiaux et les premières étoiles apparurent. Le mouvement d’expansion générale et de concentration locale se poursuivit et se poursuit encore mais le grand nuage originel ne se résorba pas et ne se résorbera jamais complètement. En fait, il subsiste partout où la densité n’a pas été suffisante pour engendrer un effondrement gravitationnel et, en s’étirant, partout entre les galaxies et les amas de galaxies en formant comme des ponts ou, vu de très loin, des feuilles minces puis des filaments.

On a une image du résultat, le « Two Degree Field Galaxy Redshift Survey » (ou « 2dF Galaxy Redshift Survey » ou « 2dFGRS ») publiée en juin 2003 (Steve Maddox et John Peacock) après collecte de données sur 1500 degrés carrés de la voûte céleste, par l’AAO (télescope Anglo-Australien équipé d’un instrument « 2dF » capable de produire des clichés de 2 degrés carrés). Ce qui frappe le plus quand on regarde aujourd’hui cette « structure à grande échelle de l’Univers », grâce à nos « merveilleuses machines », au-delà de l’homogénéité et de l’isotropie , c’est le vide. Il constitue 90 % du volume de l’Univers et il est « partout » entre les amas de galaxies qui apparaissent comme des renflements le long de fibres constituant une mousse très légère. Ce vide, dit « lacunaire » car il est constitué d’une infinité de cavités gigantesques (jusqu’à plusieurs dizaines de millions d’années-lumière), est vraiment très vide, au tel point que notre vide « local », entre les planètes du système solaire, à un moindre degré entre les étoiles de notre galaxie, à un moindre degré entre les galaxies de notre groupe local et à un moindre degré encore entre les galaxies de notre amas de galaxie, parait presque comme un « plein ». Déjà le vide intergalactique est 100.000 fois plus vide que le vide interstellaire à l’intérieur de notre galaxie.

Les filaments nuageux liant les galaxies, le « milieu intergalactique », sont de plus en plus intéressants aux yeux des astrophysiciens car ils représentent une part importante de la totalité de la matière baryonique (variable en fonction de l’éloignement donc de l’ancienneté). Les particules ténues dont ils sont constitués sont des atomes d’hydrogène neutre (et d’un peu d’helium). Ils ont une température froide à la différence des nuages résultant de supernovae ou ceux de la couronne galactique (qui orbitent autour des galaxies), et peuvent être animées d’une grande vitesse (plusieurs centaines de km par seconde). Ils constituent des liaisons entre les formes concentrées de la matière et leurs intersections pourraient être des lieux privilégiés pour les concentrations et donc la formation de galaxies. Quoi qu’il en soit, ils sont une source d’alimentation en matière des galaxies, comme un fleuve qui coule vers l’une ou l’autre, en fonction des vitesses initiales et des forces gravitationnelles. On les observe indirectement par plusieurs types de radiations: la lumière visible provenant de sources puissantes, comme les quasars, qui les traverse et se transforme à leur passage en UV (absorption Lyman-alpha), ou les particules lourdes très énergétiques (UHECP- Ultra High Energy Cosmic Particles) déviées dans leurs trajectoires. Mais on les observe aussi, directement, par leurs émissions radio dans la fameuse raie à 21 cm du spectre électromagnétique.

Les nodosités sont le résultat de la gravité qui tend à faire fusionner les galaxies et en tout cas les regroupe en amas et en superamas aux formes étirées. Avec quelques 100.000 autres galaxies, notre Voie Lactée fait partie du super-amas « Laniakea » (« ciel immense » en langue hawaïenne) dont le super-amas de la Vierge n’est qu’un segment (on s’en est rendu compte en 2014). Leurs formes, prolongées par les filaments nuageux qui les enveloppent et les prolongent, ont un peu l’apparence de structures nerveuses, les nodosités gonflant par endroits les structures fibreuses. Mais ces fibres et ces nodosités ne sont pas stables. Ils sont soumis comme le reste de la matière à l’expansion de l’Univers, à l’accélération de cette expansion et, en sens contrariant, à la gravité qui s’exerce à partir de concentrations multiples de matière qui ne jouent pas toutes dans la même direction. Notre voisine la Galaxie d’Andromède se rapproche de nous à quelques 120 km/s (il lui faudra quand même plusieurs milliards d’années pour qu’elle fusionne avec notre Voie Lactée) mais toutes les deux et notre groupe local sont entraînés vers l’amas de la Vierge (au centre de notre super-amas de la Vierge) à une vitesse comparable.

Cette dernière remarque me donne l’occasion d’insister sur le fait que tout cet Univers qui nous entoure, qui semble figé et immuable, est animé de mouvements sans fin (mais pas du tout désordonnés car selon des lois déchiffrables par l’astrophysique) et qu’il est en transformation constante (« notre » super-amas de la Vierge pourra un jour ne plus faire partie de Laniakea). Nous sommes partie d’une Histoire et emportée par elle à une vitesse énorme mais dans une danse très lente compte tenu des distances, Histoire dont la succession des instants apparemment identiques peut nous faire penser que rien ne change alors que ce n’est absolument pas le cas. C’est une question d’échelle de distances et de temps. A la surface de notre petite planète, aveuglés le jour par la lumière de notre Soleil, nous ne pourrions en avoir conscience que lorsque la nuit nous ouvre sa fenêtre mais notre vie est trop courte pour que nous remarquions quelque changement que ce soit sur la voûte céleste, sauf de temps en temps un météore et plus rarement une supernova, et d’ailleurs, compte tenu de la durée de cette vie éphémère, ces amples mouvements n’ont pratiquement aucune incidence sensible sur nous. Ce qui est le plus prodigieux c’est que grâce à nos astronomes et nos astrophysiciens nous puissions en avoir aujourd’hui conscience !

Laniakea: Crédit images: R.Brent Tully (U. Hawaï) et al., SDivision DP, CEA/Saclay

Illustration de titre :

Simulation numérique de la structure à grande échelle calculée et représentée par l’équipe du projet IllustrisTNG. L’image montre une tranche de l’Univers d’environ 1,2 milliards d’années-lumière, l’intensité de chaque région représente sa densité de matière et la couleur la température moyenne du gaz qui la baigne. Crédit : TNG Coopération.

Image ci-dessous : résultat (« final data release » du 30 juin 2003) de la 2dFGRS. Comme on peut le constater la simulation ressemble énormément à la réalité. Crédit 2dFGRS.

Liens :

https://www.tng-project.org/

http://magnum.anu.edu.au/~TDFgg/

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Index L’appel de Mars 20 01 12