Amas et superamas de galaxies

Les galaxies ne sont presque jamais isolées : elles se regroupent en amas pouvant compter plusieurs milliers de membres, liés par leur gravité mutuelle, eux-mêmes organisés en superamas encore plus vastes. La Voie lactée appartient au Groupe local, une quarantaine de galaxies dominée par elle-même et la galaxie d'Andromède, elle-même membre du superamas de la Vierge — une structure qui s'étend sur plus de 100 millions d'années-lumière.

À plus grande échelle encore, les superamas s'organisent en filaments et en vastes vides quasiment dépourvus de matière, formant ce que les astronomes appellent la toile cosmique — la plus grande structure organisée connue dans l'univers.

Matière noire et énergie noire

La masse visible des galaxies — étoiles, gaz, poussière — est très insuffisante pour expliquer la vitesse à laquelle elles tournent ou s'assemblent en amas : une masse invisible supplémentaire, la matière noire, semble représenter environ 27 % du contenu total de l'univers, contre seulement 5 % pour la matière ordinaire. Son existence n'est déduite que par ses effets gravitationnels — notamment la lentille gravitationnelle, visible sur l'image ci-dessus sous forme d'arcs lumineux étirés, où la masse d'un amas de galaxies déforme l'espace-temps et courbe la lumière de galaxies bien plus lointaines situées derrière lui.

Le reste, environ 68 % de l'univers, serait de l'énergie noire — une force répulsive dont la nature reste totalement mystérieuse, mais dont l'effet observé est d'accélérer l'expansion de l'univers plutôt que de la ralentir comme la gravité seule le voudrait.

Décalage vers le rouge et expansion de l'univers

Plus une galaxie est lointaine, plus sa lumière nous parvient étirée vers les longueurs d'onde rouges — un effet appelé décalage vers le rouge (redshift), analogue à l'effet Doppler sonore d'une sirène qui s'éloigne. C'est précisément cette observation, faite par Edwin Hubble dans les années 1920, qui a établi que l'univers est en expansion : les galaxies lointaines s'éloignent les unes des autres, et plus elles sont loin, plus elles s'éloignent vite.

Ce constat, combiné aux lois de la physique, permet de remonter le temps jusqu'à un état initial extrêmement dense et chaud : le Big Bang, il y a environ 13,8 milliards d'années — un horizon que des images comme celle du télescope Webb ci-dessus permettent d'approcher chaque année un peu plus près.

Sursauts gamma et ondes gravitationnelles

Les sursauts gamma comptent parmi les événements les plus énergétiques connus dans l'univers : en quelques secondes à quelques minutes, ils libèrent autant d'énergie que le Soleil n'en produira sur toute son existence. Ils seraient liés à l'effondrement d'étoiles massives en trous noirs, ou à la fusion de deux étoiles à neutrons — des événements si lumineux qu'ils restent détectables depuis des milliards d'années-lumière, parfois depuis les confins de l'univers observable.

Ces mêmes fusions d'objets compacts (trous noirs, étoiles à neutrons) produisent des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace-temps lui-même, prédites par Einstein en 1916 et détectées directement pour la première fois seulement en 2015 par les détecteurs LIGO. Cette découverte a ouvert une toute nouvelle façon d'observer l'univers, complémentaire à la lumière, en « écoutant » littéralement les collisions les plus violentes du cosmos.

Le fond diffus cosmologique

Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'univers s'est suffisamment refroidi pour que la lumière puisse enfin voyager librement, sans être sans cesse absorbée et réémise par la matière environnante. Cette lumière originelle, considérablement étirée par 13,8 milliards d'années d'expansion jusqu'à devenir un rayonnement micro-ondes à peine 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu, baigne aujourd'hui l'univers entier : c'est le fond diffus cosmologique, la plus ancienne lumière observable, une sorte de photographie de l'univers bébé.

Ses infimes variations de température, cartographiées avec une précision croissante par les satellites COBE, WMAP puis Planck, correspondent aux graines des futures structures — amas, superamas, filaments — qui allaient donner naissance, des milliards d'années plus tard, à la toile cosmique que l'on observe aujourd'hui.

Cette carte, établie par le satellite Planck de l'ESA à partir de plus de quatre ans d'observations, projette l'intégralité du ciel — les 360° tout autour de nous — sur une seule ellipse, une technique cartographique empruntée aux mappemondes terrestres. Les couleurs, complètement artificielles, codent des écarts de température incroyablement minuscules par rapport à la moyenne de 2,7 kelvins : les zones rouges sont à peine plus chaudes, les zones bleues à peine plus froides, l'écart total ne dépassant jamais un dix-millième de degré.

Malgré leur ampleur infime, ces fluctuations sont d'une importance capitale : elles représentent les irrégularités de densité de matière présentes dans l'univers primordial, seulement 380 000 ans après le Big Bang, avant que la gravité n'amplifie ces légers surplus de matière sur des milliards d'années pour former les galaxies, les amas et finalement toute la structure à grande échelle observée aujourd'hui. Établir une carte aussi propre demande un traitement considérable : le signal du plan de la Voie lactée, dont le gaz et la poussière rayonnent également dans ces longueurs d'onde, doit être soigneusement identifié et soustrait numériquement pour ne laisser apparaître que le rayonnement cosmologique sous-jacent.