Il n’est pas rare, en science, que les réponses apportées à d’anciennes questions fassent surgir de nouvelles interrogations. Ainsi en est-il de la carte de l’Univers en trois dimensions dressée par des centaines d’astrophysiciens du monde entier, au terme de vingt ans de récoltes et d’analyses de données. Une méthode affinée, des millions d’objets célestes répertoriés, des centaines d’articles, des milliers de pages de littérature scientifique, des résultats surprenants sur l’histoire cosmologique : tel est l’héritage de cet effort de cartographie sans précédent. Mais aussi, le legs de deux énigmes toujours irrésolues. En observant la voûte céleste sur une profondeur inégalée, les chercheurs ont pu regarder loin dans le passé et proposer une nouvelle valeur du taux d’expansion de l’Univers. Or celle-ci ne coïncide pas avec les chiffres résultant d’autres méthodes de calcul. Et si leurs observations confirment l’existence de la mystérieuse « énergie noire », elles n’éclairent pas sa nature. Autant de mystères à dissiper pour les futurs programmes de cartographie du ciel…

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Mesurer les distances : le redshift

Pour estimer la distance d’un astre à la Terre, les chercheurs recourent à la mesure du redshift, une distorsion de la lumière comparable à l’effet Doppler pour le son : la lumière d’un astre est « décalée vers le bleu » s’il se rapproche et « vers le rouge » s’il s’éloigne. Or, selon la loi de Hubble énoncée en 1929, ce décalage est proportionnel à la distance : il varie de 0 pour les galaxies voisines à 3 pour les quasars les plus reculés. Ici, le repère utilisé par les astrophysiciens – la double ligne noire verticale correspondant à la signature chimique de l’astre étudié – se décale vers le rouge (vers la droite) avec la distance (croissante de bas en haut).

© Alamy Stock Ohoto/Hemis

La carte la plus vaste de l’Univers

Quatre millions d’objets sont placés sur cette carte en trois dimensions de l’Univers.

Des centaines d’astrophysiciens du monde entier y ont travaillé durant vingt ans. Patiemment, ils ont récolté et analysé les données de relevés successifs réalisés au télescope de la fondation Sloan, à l’observatoire d’Apache Point, au Nouveau-Mexique, portant sur des objets de plus en plus éloignés dans l’Univers. Des relevés très denses, baptisés SDSS (Sloan Digital Sky Survey), BOSS (Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey) et enfin eBOSS (pour extended BOSS). Et le 20 juillet 2020, ces chercheurs ont publié une carte de l’Univers riche de quatre millions de galaxies bleues, rouges, de quasars et de vides cosmiques. Chacun de ces astres s’y trouve situé dans un plan – la voûte céleste – par un couple de coordonnées « X » et « Y ». Mais l’originalité de ce projet, c’est d’avoir aussi situé les astres selon leur « profondeur » grâce à la mesure du « décalage vers le rouge » par un spectrographe couplé au télescope : un instrument optique capable de disperser les couleurs de la lumière puis d’enregistrer le spectre obtenu. Plus le redshift d’un objet est élevé, plus sa distance à la Terre est grande, plus sa lumière a été émise il y a longtemps. Entre 2014 et 2019, le dernier des relevés, eBOSS, s’est intéressé à des objets, comme les quasars, au redshift très élevé. Il a ainsi révélé des régions très éloignées de l’Univers, restées inexplorées. Et ce faisant, un pan méconnu de l’histoire cosmologique sur une période s’étendant d’il y a 6 à 11 milliards d’années, l’Univers étant lui-même âgé de 13,7 milliards d’années.

Un télescope dédié

Inauguré en 2000, Sloan est un télescope américain situé à Apache Point, au Nouveau-Mexique. Il est à grand champ, c’est-à-dire qu’il embrasse une portion étendue du ciel. Et il est « dédié », réservé à une mission précise : dresser la carte du cosmos. Couplé au spectrographe, il permet de réaliser mille mesures simultanément et de donner la position d’objets célestes en 3 D. Durant les nuits sans Lune, il observe les objets les moins lumineux, comme les lointains quasars. Le reste du temps, il se consacre à des objets plus brillants, car plus proches : les étoiles de la Voie lactée, par exemple.

© Fermilab Visual Media Services

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Laniakea, un « super amas » proche

Cartographié par une équipe d’astrophysiciens en 2014, Laniakea est le « supercontinent céleste » auquel appartient la Voie lactée (le point rouge sur la carte). Cet amas très dense s’étend sur 500 millions d’années-lumière (AL) – à titre de comparaison, la Voie lactée mesure 100 000 AL. Laniakea abrite 100 000 grosses galaxies comparables à la nôtre, comptant chacune 100 milliards d’étoiles. Un ensemble à la fois colossal, donc, et minuscule à l’échelle cosmique : moins de 4 % de l’Univers observable ! C’est au-delà de cet ensemble que débutent les relevés BOSS et eBOSS, avec des galaxies distantes de 1 à 1,5 milliard d’AL.

© Universités HawaII/Lyon-1/Paris-Saclay/CEA-Irfu

Regards sur le passé

La carte permet de reconstituer l’histoire cosmologique en remontant jusqu’à 11 milliards d’années.

Un photon émis par une source lumineuse à une année-lumière de la Terre a parcouru 10 000 milliards de kilomètres en un an avant de nous parvenir. Ainsi, plus on regarde loin dans l’espace, plus on remonte le temps. La carte en 3D permet donc d’observer l’Univers à différentes phases de son histoire, jusqu’il y a 11 milliards d’années, soit 2,7 milliards d’années après le Big Bang. Et notamment les lointains quasars, les vedettes du dernier relevé (eBOSS) : des trous noirs supermassifs, représentant des dizaines de millions, voire des milliards de masses solaires ! De véritables monstres, comparés au trou noir placé au centre de la Voie lactée, et ses 4 millions de masses solaires « seulement ». On y trouve aussi les galaxies dites « à raies d’émission ». Même lointaines, elles sont relativement aisées à observer, car elles abritent de nombreuses étoiles en formation, ce qui confère à la lumière qu’elles émettent une « signature spectrographique » singulière (la décomposition de leur lumière en longueur d’ondes). « Âgées » de 6 à 8 milliards d’années, ces galaxies seront cartographiées en grand nombre dans le cadre du projet DESI, le successeur de Sloan : 17 millions, contre 300 000 aujourd’hui. Enfin, ce grand retour en arrière a permis aux chercheurs d’affiner notre connaissance de l’histoire cosmologique : alors que l’expansion de l’Univers a d’abord décéléré durant plus de sept milliards d’années, elle accélère depuis six milliards d’années. Quelle est cette force qui, en « éloignant » les objets du cosmos les uns des autres, explique cette expansion accélérée ? À défaut d’une explication précise, les scientifiques la nomment « énergie noire ».

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Quasars et nuages d’hydrogène

C’est l’extrême luminosité des quasars qui a permis de remonter au-delà de 6 milliards d’années, avant la formation de notre Système solaire : autour d’eux se forment en effet des disques d’accrétion colossaux qui rejettent des bouffées de lumière puissantes. L’observation est indirecte : devant les quasars se trouvent des nuages intergalactiques clairsemés, composés d’hydrogène, qui projettent sur eux des ombres, comme des bateaux dont les silhouettes se détachent sur le halo d’un phare. Après un repérage dans le relevé SDSS, ces images prises par le télescope spatial Hubble montrent des quasars dits « post-starbust », qui révèlent des bouffées de formation d’étoiles.

© Nasa/M. Brotherton (Université du Wyoming)

Les Français, experts de la spectrographie

La recherche française a joué un rôle très important dans les dernières phases de réalisation de cette carte cosmique, notamment pour l’analyse des données des relevés de BOSS (2009-2014) et eBOSS (2014-2019). Il s’agit des laboratoires Irfu (CEA), LAM (CNRS/AMU/Insu), IAP (CNRS/Insu), CPPM (CNRS/In2p3) et LPNHE (CNRS/In2P3/Paris-Diderot). Sept Français figurent d’ailleurs parmi les premiers auteurs – les principaux contributeurs – de la vingtaine d’articles scientifiques parue en juillet 2020, lorsque la carte a été publiée. Les Français ont aussi participé à la construction du spectrographe du projet DESI, successeur de Sloan : ici, au CEA Saclay.

© P-H. Carton/Irfu/CEA

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Un taux d’expansion controversé

Parmi les grands défis de l’astrophysique contemporaine se trouve la détermination de la constante de Hubble, aujourd’hui discutée.

De la mesure du taux d’expansion de l’Univers – qu’on appelle la « constante de Hubble » d’après l’astronome américain Edwin Hubble (1889-1953) – découle la précision de nos connaissances sur l’histoire de l’Univers, mais aussi de nos projections sur son avenir. Depuis plusieurs dizaines d’années, cette valeur fait l’objet de savants calculs sans qu’un consensus ne se dégage sur une donnée précise. Grossièrement, deux « écoles » s’opposent. Dite des « distances d’objets proches », la première est fondée sur l’observation des céphéides (étoiles variables géantes) et des supernovas (explosions d’étoiles). La seconde méthode repose sur les données livrées par le fonds diffus cosmologique, c’est-à-dire l’empreinte de la plus ancienne lumière du cosmos. Ces dernières données peuvent être combinées avec celles récoltées par le télescope Sloan, qui couvrent 80 % de l’histoire de l’expansion de l’Univers, y compris une période ancienne et jusqu’alors mal connue (entre 6 et 11 milliards d’années). Mais ce faisant, les physiciens obtiennent un chiffre inférieur de 10 % à celui de la première « école ». Il n’y a à priori pas de raison d’attribuer cet écart au recueil des données, car elles sont extrêmement précises. Est-ce donc leur interprétation qui est fausse ? Ou bien le modèle cosmologique qui les sous-tend, erroné ? Avec une moisson de données plus précises et abondantes que celles de Sloan, le projet DESI, son successeur, tentera de trancher la question.

L’énergie noire… faute de mieux

Établie en 1998 par l’observation de supernovas (photo), l’accélération de l’expansion de l’Univers est expliquée, faute de mieux, par le rôle « répulsif » de l’énergie noire. Composante inconnue de l’Univers et d’ailleurs jamais observée, l’énergie noire est néanmoins conforme à la théorie générale de la relativité d’Einstein. Il reste à en préciser la nature : c’est un des grands défis de la physique contemporaine. En attendant, la carte montre que depuis six milliards d’années, son effet l’emporte sur la force « gravitationnelle » – bien comprise, celle-ci – qui « attire » les objets les uns vers les autres et ralentit l’expansion de l’Univers.

© Nasa/CXC/U.Texas

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Avec DESI, une carte plus nette

Installé en Arizona sur le télescope Mayall de 4 mètres de diamètre, le spectrographe DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), successeur de Sloan, a commencé à opérer en 2020. Il est capable d’observer 5000 objets simultanément dans l’ultraviolet, le visible et l’infrarouge – contre un millier pour Sloan – grâce à ses milliers de « robots » chargés de sélectionner les objets à analyser. DESI (photo) pourra ainsi cartographier 30 à 50 millions d’objets en cinq ans, contre 4 millions pour les relevés de Sloan sur vingt ans. Les données seront analysées par près de 500 chercheurs issus de 75 institutions, dans 13 pays, dont, en France, le CEA et le CNRS.

© M. Chung/Lawrence Berkeley National Laboratory

Aux origines de l’Univers

Grâce aux futures collectes de données de DESI et, plus tard encore, des télescopes spatiaux Euclid et James Webb, les astrophysiciens espèrent couvrir les deux premiers milliards d’années de l’histoire de l’Univers. Soit le « chaînon manquant » entre deux extrémités : les limites actuelles de la carte d’eBOSS, il y a 11 milliards d’années, là où se situe la forêt Lyman-alpha (le milieu intergalactique le plus lointain) ; et le « fonds diffus cosmologique » (image), c’est-à-dire le résidu fossile du rayonnement qui baignait l’Univers 380 000 ans après le Big Bang.

© Esa/Collaboration Planck

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L’accélération de l’expansion de l’Univers, une énigme tenace

Cartographier l’Univers vise à comprendre pourquoi l’expansion accélère au lieu de décélérer, explique Patrick Petitjean, astronome à l’Institut d’astrophysique de Paris (Sorbonne Université/CNRS).