23 février 2018

Le côté obscur de l’Univers


Le cœur de mon propos concerne la cosmologie des XXe et XXIe siècles, avec en «point focal» la mission européenne Planck, qui a analysé le rayonnement fossile – résidu lumineux du Big Bang – avec une précision inégalée.

Dans son préambule, l’astrophysicien Hervé Dole explique la genèse de son livre, ainsi que son ambition de diffuser le savoir astronomique auprès des élèves et du grand public.

Le chapitre initial est consacré à trois télescopes spatiaux qui ont façonné la carrière du scientifique. L’auteur raconte les lancements palpitants des satellites d’observation ISO (1995-1998), Spitzer (2003-2009) et Planck (2009-2013). Il insiste particulièrement sur l’importance du refroidissement des bolomètres de Planck, des détecteurs ultra-sensibles au rayonnement millimétrique.

Le chapitre suivant est dédié à la démarche scientifique (théories et modèles), à l’astrophysique (étude physique des lois et des objets de l’Univers) et à la cosmologie (étude de l’Univers dans son ensemble, d’un point de vue physique). Le chapitre contient deux encadrés: une description des huit étapes de la démarche observationnelle; un plaidoyer en faveur de la recherche fondamentale.

Une fresque historique de la cosmologie est présentée dans le chapitre trois. L’auteur relate les découvertes relatives aux trois piliers de la cosmologie contemporaine: l’expansion de l’Univers, la nucléosynthèse primordiale et le rayonnement fossile. Un encadré explique la récession des galaxies. Quatre questions sont formulées à la fin du chapitre. Elles portent sur le comportement de l’Univers dans ses premiers instants, la nature de la matière noire, la nature de l’énergie noire et la formation des grandes structures.

Le récit de l’histoire de l’Univers en cinq actes constitue la trame du chapitre quatre. Un encadré technique expose les paramètres du modèle standard cosmologique. Les limitations de ce modèle sont ensuite discutées. Le chapitre se termine par l’approfondissement d'observations portant sur le fond cosmologique et le corps noir.

Le chapitre cinq raconte la grande aventure de Planck. Sa mission: mesurer l’intensité et la polarisation du fond cosmologique avec une précision inégalée. La préparation de cette mission européenne dure quinze ans. Marquée par des prouesses techniques, elle se déroule ainsi: l’étalonnage, les phases d’intégration, la campagne de lancement, la surveillance et le contrôle en vol, le traitement des données. La seconde partie de ce chapitre, le plus considérable du livre, est consacrée à l’analyse technique des données fournies par les relevés. Au final, l’auteur dégage l’Univers vu par Planck. Deux encadrés figurent dans ce chapitre: la coopération mondiale pour la conception et la fabrication de l’instrument haute fréquence (HFI) et l’architecture cryogénique de Planck. Le cahier couleurs des illustrations est inséré au milieu de ce chapitre. On y trouve notamment la carte du fond cosmologique ci-dessus.

Le chapitre suivant concerne une autre lumière fossile, celle du fond extragalactique découverte en 1996. Alors que le fond cosmologique provient d’un Univers jeune (environ 370 000 ans – carte ci-dessus), le fond extragalactique provient d’une époque vieillissante (de 0,4 à 13,8 milliards d’années environ). Trois figures illustrent l’exposé: la galaxie d’Andromède observée à plusieurs longueurs d’onde, l’extraction du signal à partir du ciel complet et l’évolution de l’Univers et des rayonnements de fond associés.

Les chapitres sept et huit sont consacrés respectivement à la matière noire et à l’énergie sombre. Dans le premier cas, l’effet de lentillage gravitationnel et la carte de la matière noire sur tout le ciel sont notamment présentés. Dans le second cas, l’accélération de l’expansion de l’Univers est expliquée avec maintes formules mathématiques. La composante dominante de l’expansion a été d’abord le rayonnement, puis la matière et enfin (plus récemment) l’énergie sombre.

Le prochain télescope spatial Euclid fait l’objet du chapitre neuf. Les principaux instruments de ce satellite auront pour mission d’étudier (de mesurer) la matière noire et l’énergie sombre. Ces sondes cosmologiques seront le lentillage gravitationnel faible et l’agrégation des galaxies. Le lancement d’Euclid est prévu pour l’année 1921. Le traitement des (futures) données recueillies par ce télescope est expliqué avec beaucoup de précision et de passion.

Le dernier chapitre porte sur la détection des ondes gravitationnelles. Dans un premier temps, l’auteur rappelle les premières détections directes d’ondes gravitationnelles, suite à la fusion de trous noirs extragalactiques, les 14 septembre 2015, 26 décembre 2015 et 4 janvier 2017. Dans un deuxième temps, l’auteur formule l’espoir de la détection d’ondes gravitationnelles primordiales dans le fond cosmique. Il termine son exposé en soulignant la complexité de l’analyse des données.

Tout en se montrant optimiste pour la suite des recherches et découvertes scientifiques, Hervé Dole rappelle l’enjeu de celles-ci dans son épilogue: «Les composantes sombres de l’Univers – matière noire et énergie sombre – constituent le problème le plus aigu de la cosmologie contemporaine.»

Les chapitres contiennent plusieurs illustrations légendées, dont certaines sont aussi insérées dans le cahier couleurs. L’ouvrage est complété par les notes, les références bibliographiques (livres, articles, sites), les remerciements, l’index et la table des matières. Une notice biographique sur Hervé Dole est affichée sur la quatrième page de couverture.

La lecture de ce livre est instructive et fort agréable, bien qu’un grand nombre de passages s’adressent plus spécifiquement à des étudiants en physique et en astrophysique. J’ai particulièrement apprécié les descriptions des longs et complexes préparatifs des missions d’explorations spatiales, ainsi que les exposés sur le traitement des données phénoménales des relevés astronomiques.

Références

Dole, Hervé. - Le côté obscur de l’Univers. - Préface de Pierre Léna. - Paris: Dunod, 2017. - 191p. - ISBN 978-2-10075504-2. - [Citations, p. 12 et 169]. - BAnQ: 500 D.

Le côté obscur de l’Univers (Hervé Dole, YouTube, 2:39 min)

Image

Rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence détecté par Planck (ESA) [Illustration reproduite et légendée à la page 106 et dans le cahier couleurs]

Sur la Toile

Un regard vers l’origine de l’Univers (Planck HFI)
Planck publications and results (ESA)
Euclid (CNES)

Articles connexes

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