Univers : une carte à remonter le temps

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…

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.

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 ».

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.