Avec toutes les merveilles technologiques dont nous disposons aujourd’hui, il est tentant de penser que nous avons toutes les sur la nature de l’univers réponses.
Cependant, la réalité est bien différente : de nombreuses questions fondamentales sur la nature de l’univers restent encore sans réponse. Voici celles qui empêchent les cosmologistes de dormir la nuit.
Matière noire : les galaxies sont mystérieuses
Nous sommes tous habitués au fait que la gravité maintient les choses ensemble : c’est elle qui vous maintient sur Terre, qui fait tourner la Lune autour de la Terre et la Terre autour du Soleil. Nous comprenons intuitivement l’interaction entre la masse et la gravité.
Malheureusement pour les astronomes, avec les galaxies, la gravité a quelque chose d’étrange.
Tout comme la gravité maintient la Terre en orbite autour du Soleil, la gravité maintient également les étoiles des galaxies en orbite autour du centre de la galaxie. En combinant observations et théorie, les astronomes sont capables d’estimer la masse d’une galaxie et de calculer les forces gravitationnelles exercées sur les étoiles.
Le problème survient lorsque l’on commence à observer la vitesse à laquelle les étoiles orbitent au sein d’une galaxie. À l’instar des planètes de notre système solaire, on pourrait s’attendre à ce que les étoiles situées à la périphérie d’une galaxie orbitent plus lentement que celles situées vers le centre. Cependant, ce n’est pas ce que les scientifiques observent. Au contraire, les étoiles orbitent à peu près à la même vitesse, quelle que soit leur distance par rapport au centre galactique. Ce phénomène est connu sous le nom de « problème de la rotation des galaxies ».
Compte tenu du mouvement des étoiles, les scientifiques ont conclu qu’il devait exister une matière supplémentaire invisible répartie dans les galaxies.
Les scientifiques ont baptisé cette matière supplémentaire invisible « matière noire » et cherchent depuis lors des indices pour l’expliquer. Personne ne sait avec certitude ce qu’est la matière noire, mais l’explication la plus répandue est qu’elle est constituée de particules massives (massives par rapport aux protons et aux neutrons en tout cas) à interaction faible, ou WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) en abrégé. Malheureusement, par définition, les particules à interaction faible sont extrêmement difficiles à observer directement.
Bethany Baldwin-Pulcini et Steven Hyatt, de l’université de Californie à Davis, ont créé une application Web qui permet d’explorer la relation entre la masse du trou noir d’une galaxie, la quantité de matière ordinaire et la quantité de matière noire en fonction de la vitesse des étoiles.
Le mouvement étrange des galaxies n’est pas la seule preuve de l’existence de la matière noire. Lorsque la lumière traverse un champ gravitationnel, sa trajectoire se courbe, et cette courbure devient plus prononcée à mesure que le champ gravitationnel s’intensifie. En observant des amas de galaxies, qui ont une masse incroyable, on peut réellement voir la gravité courber la lumière.
Les scientifiques ont calculé la quantité de lumière qui devrait être déviée en fonction de la quantité de matière visible, et ils ont découvert que la lumière est déviée plus que prévu. Ces champs gravitationnels étonnamment puissants sont une preuve supplémentaire qu’il existe dans l’univers une grande quantité de matière invisible à nos yeux.
Selon la NASA, jusqu’à 85 % de la matière totale de l’univers serait en réalité constituée de matière noire.
Tension Hubble : nous ne parvenons pas à nous mettre d’accord sur la vitesse d’expansion de l’univers
En 1929, le scientifique Edwin Hubble a fait une découverte remarquable : l’univers est en expansion. À l’époque, cette découverte était révolutionnaire, même Einstein s’était trompé. Dans les années 1990, les choses sont devenues encore plus étranges. Non seulement l’univers est en expansion, mais le rythme de cette expansion s’accélère, probablement sous l’influence mystérieuse d’une « énergie noire ».
Depuis lors, les scientifiques s’efforcent de calculer la vitesse d’expansion de l’univers à l’aide d’instruments tels que le télescope spatial Hubble, le télescope spatial James Webb et Planck.
Pour ce faire, ils utilisent des « chandelles standard », qui sont des objets dont la luminosité est bien connue. Cela semble compliqué, mais ce n’est pas aussi exotique que vous pourriez le penser. Si vous connaissez la quantité de lumière émise par un objet et sa luminosité apparente, vous pouvez déterminer sa distance. Les deux exemples les plus connus de ces chandelles standard sont les étoiles variables céphéides et les supernovae de type Ia, qui ont toutes deux fait l’objet d’études approfondies.
D’autre part, vous pouvez également examiner des éléments tels que le Cosmic Microwave Background (CMB), qui s’est formé seulement 400 000 ans après le Big Bang, afin d’estimer la vitesse à laquelle l’univers est en expansion.
Voici le problème lorsque vous faites le calcul : vous obtenez des résultats très différents. Le taux d’expansion calculé à l’aide des « chandelles standard » est environ 9 % plus rapide que celui obtenu en le mesurant à l’aide du Cosmic Microwave Background. Les scientifiques sont certains de la raison de cette différence, mais ils sont également convaincus qu’il ne s’agit pas d’un problème lié aux mesures. Il y a autre chose qui entre en jeu.
Une étude publiée dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society suggère que l’univers tout entier tourne lentement, ce qui pourrait expliquer cette divergence.
Énergie noire : pourquoi l’univers est-il en expansion ?
Les scientifiques sont convaincus que l’univers est en expansion à un rythme croissant, mais personne ne sait exactement comment ni pourquoi.
L’hypothèse la plus répandue est qu’une source d’énergie inconnue, généralement appelée « énergie noire », alimente cette expansion. L’origine de cette énergie fait également l’objet de débats.
La théorie la plus courante, généralement appelée « constante cosmologique », est que l’espace contient toujours une certaine quantité minimale d’énergie, de sorte que, lorsque l’univers s’étend, davantage d’énergie apparaît spontanément. Malheureusement, la théorie ne permet pas actuellement de prédire avec précision la quantité d’énergie que nous avons observée, et la réponse définitive à la question de l’énergie noire nécessitera probablement la découverte de nouvelles lois physiques.
Matière contre antimatière : pourquoi existons-nous ?
Tout ce que vous touchez dans votre vie quotidienne est constitué de matière, parfois appelée « matière baryonique ». Mais il y a un problème : elle (et vous) ne devriez probablement pas être là.
Tout comme il existe un pôle nord et un pôle sud sur un aimant, et des bornes négatives et positives sur une batterie, la matière a également un opposé, appelé « antimatière » ou « matière antibaryonique ».
L’antimatière et la matière ont des propriétés égales et opposées. Par exemple, lorsque vous parlez de matière ordinaire, le noyau d’un atome est constitué de protons chargés positivement. Dans l’antimatière, le noyau a une charge négative, car il est composé d’antiprotons chargés négativement. Nous pouvons en fait produire de l’antimatière en petites quantités en laboratoire.
Que se passe-t-il si l’on combine matière et antimatière ? Elles s’annihilent violemment. Les réactions matière-antimatière sont efficaces à 100 %. La masse combinée de la matière et de l’antimatière est convertie en énergie.
Si la matière et l’antimatière avaient été créées en quantités égales au début de l’univers, aucun d’entre nous ne serait là aujourd’hui : la matière et l’antimatière se seraient annihilées mutuellement. Les scientifiques ont étudié des objets dans l’espace lointain, comme l’amas Bullet Cluster, afin de trouver des traces d’antimatière datant de la naissance de l’univers, mais sans succès. Le fait que nous soyons ici et que la majeure partie de l’univers observable soit constituée de matière est étrange.
Cela nous amène au cœur du mystère : pourquoi y a-t-il autant de matière et si peu d’antimatière ? À ce jour, personne ne le sait.
Le Big Bang
Le Big Bang est généralement soutenu par les preuves recueillies par les scientifiques au cours du siècle dernier, mais il n’existe toujours pas de réponse satisfaisante à la question « Pourquoi y a-t-il eu un big bang ? ».
Une explication est que le Big Bang a été causé par une fluctuation quantique. La physique quantique prédit que l’espace n’est pas réellement vide. Au contraire, des particules apparaissent spontanément avant d’être rapidement annihilées partout, tout le temps. Il se peut que l’univers soit le résultat d’une fluctuation particulièrement spectaculaire.
Il existe également d’autres théories encore plus exotiques. L’une d’entre elles, appelée « cosmologie des branes », est issue de la théorie des cordes. Elle part du principe que l’univers est composé de grandes structures appelées « branes » qui existent dans jusqu’à 11 dimensions. Si elles existent, on pense que ces branes interagissent entre elles et parfois même entrent en collision. De telles collisions pourraient créer un univers similaire au nôtre.
Il est intéressant de noter que cette explication permet également d’envisager l’existence d’un multivers, où plusieurs univers coexistent.
Malheureusement, comme la plupart des prévisions faites par la théorie des cordes, nous ne pouvons actuellement pas tester l’existence des branes, et il est tout à fait possible qu’une réponse concrète reste à jamais hors de portée.
Conclusion
Il peut sembler que tous ces mystères puissent être résolus avec suffisamment de temps ou d’ingéniosité scientifique, mais nous ne devons pas tenir cela pour acquis. Bon nombre de ces questions sont liées à des événements qui se sont produits il y a des milliards d’années, dans des conditions si extrêmes que nous ne reconnaîtrions même pas notre propre univers. Certaines de ces idées, en particulier celles qui reposent sur la théorie des cordes, pourraient rester à jamais hors de notre portée. À tout le moins, nous aurons certainement besoin de nouvelles théories physiques passionnantes pour trouver une réponse satisfaisante.
