À partir d’aujourd’hui, la Terre va traverser une pluie de météores. Mais en astronomie, l’œil humain est un outil très limité. Mais des instruments de plus en plus performants nous permettent de scruter toujours plus profondément le cosmos et de remonter toujours plus loin dans le temps, apportant un nouvel éclairage sur les origines de l’univers.
Aujourd’hui, les scientifiques sont capables d’observer une exoplanète en orbite autour de son étoile, une galaxie, voire l’univers tout entier. « L’univers est en fait essentiellement constitué d’espace vide », explique Jean-Paul Kneib, professeur au Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL. « Il n’y a pas grand-chose de caché. »
L’essentiel est de savoir ce que l’on recherche, de construire le bon instrument et de regarder dans la bonne direction. Et ensuite de faire un peu de ménage.
« Notre galaxie se trouve au premier plan de notre champ de vision, ce qui nous empêche de voir au-delà », explique Kneib. « Si nous voulons par exemple cartographier l’hydrogène dans l’univers primitif, nous devons d’abord modéliser tout ce premier plan, puis le supprimer de nos images jusqu’à obtenir un signal un million de fois plus petit que celui émis par la Voie lactée. »
Galilée ne pouvait dessiner que ce qu’il voyait avec son télescope. Mais aujourd’hui, les astronomes peuvent voir l’univers dans son intégralité, depuis ses origines. Cela est dû en grande partie aux progrès rapides des instruments qu’ils utilisent. Et d’autres progrès sont attendus dans les années à venir.
Le télescope spatial James Webb (JWST), lancé en décembre 2021, vise à observer les événements survenus il y a 13 milliards d’années, lorsque les premières étoiles et galaxies se formaient. Le radiotélescope Square Kilometer Array (SKA), actuellement en construction et dont l’achèvement est prévu d’ici la fin de la décennie, remontera encore plus loin dans le temps, à une époque où il n’y avait pas d’étoiles et où le cosmos contenait principalement de l’hydrogène, l’élément qui constitue 92 % de tous les atomes de l’univers.
« Une façon simple de détecter ce gaz est d’opérer dans la gamme des fréquences radio, ce que fait exactement le SKA », explique Kneib. « L’objectif est de détecter un signal un million de fois plus petit que les signaux de premier plan. »
Un autre projet en cours est l’antenne spatiale interférométrique laser (LISA), gérée par l’Agence spatiale européenne (ESA). Prévue pour un lancement en 2035, l’antenne observera les ondes gravitationnelles, apportant ainsi un éclairage sur la croissance des trous noirs et peut-être sur les ondes créées juste après le Big Bang.
Rattrapage numérique
Ces nouveaux instruments ne seraient pas aussi éclairants sans les avancées dans d’autres domaines. « Pour l’instant, nous ne disposons pas des logiciels nécessaires pour traiter les données du SKA », explique Kneib, qui est convaincu que nous y parviendrons grâce aux progrès de l’informatique, de l’intelligence artificielle (IA) et de la puissance de traitement. L’IA est précieuse pour trier de vastes quantités de données afin de trouver une anomalie intéressante et pour calculer la masse des galaxies, par exemple.
« Les scientifiques peuvent utiliser l’effet de lentille gravitationnelle, par lequel un grand objet courbe la lumière provenant d’une source distante, pour calculer la masse des amas de galaxies à un pour cent près, comme s’ils utilisaient une balance », explique Kneib. « Et nous pouvons entraîner des modèles d’IA à repérer les distorsions dans les images causées par les lentilles gravitationnelles. Sachant qu’il existe probablement 200 milliards de galaxies dans l’univers, c’est une aide considérable, même si nous ne pouvons mesurer la masse que d’une galaxie sur mille. »
Mais les images que nous voyons représentent-elles vraiment ce qui se passe à l’extérieur ? Une célèbre image publiée en 2019 montrait un anneau lumineux en forme de donut entourant un trou noir. Verrions-nous réellement cet anneau si nous nous en approchions ?
« Ce n’était pas une photo optique », explique Kneib. « C’était un rendu purement numérique. Afin d’observer avec précision les signaux millimétriques émis par le trou noir, les scientifiques ont dû combiner plusieurs télescopes terrestres pour en créer un de la taille d’un globe. L’image a ensuite été reconstruite par interférométrie. [a measurement method using wave interference].
« Mais l’image représente néanmoins un signal réel, lié à la quantité de matière dans le nuage de poussière entourant le trou noir. En termes simples, la partie sombre est le trou noir et la partie plus claire est la matière qui orbite autour de lui. »
Voir en quatre dimensions
« Les calculs ne sont qu’une partie de l’équation en astronomie : vous devez être capable de visualiser les choses, ce qui vous aide également à vérifier que vos calculs sont corrects », explique Kneib, qui est capable de lire l’image majestueuse de la nébuleuse de la Lagune, située à 4 000 années-lumière, comme un livre.
« Cette image a été produite à l’aide d’observations optiques à différentes longueurs d’onde pour représenter les différents gaz. Bien sûr, il y a eu un peu de travail artistique pour améliorer les couleurs. Mais l’image a aussi une grande importance pour les physiciens. Les couleurs indiquent la présence de différents gaz : le rouge pour l’hydrogène, le bleu pour l’oxygène et le vert pour l’azote. Les zones compactes et noires contiennent de grandes quantités de poussière. Ce sont généralement les régions où se forment les étoiles. »
La visualisation est particulièrement importante lorsqu’on observe des objets dans plus de deux dimensions. « En étudiant le cosmos en trois dimensions, nous sommes capables de mesurer la distance entre les objets célestes », explique Kneib.
Début avril, les scientifiques travaillant sur le projet Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) – parmi lesquels des astrophysiciens de l’EPFL – ont annoncé avoir créé la plus grande carte 3D jamais réalisée des galaxies et des quasars de l’Univers.
Mais ce n’est pas tout : les chercheurs étudient aussi l’univers dans la quatrième dimension, le temps, et ouvrent ainsi d’incroyables possibilités d’observation de phénomènes lumineux mais fugaces. « Par exemple, nous ne comprenons pas vraiment l’origine des sursauts radio rapides, qui sont des explosions de rayonnement électromagnétique incroyablement brillantes qui ne durent que quelques secondes au plus, et parfois une fraction de milliseconde seulement », explique Kneib.
Trouverons-nous un jour de la vie sur une exoplanète ? Kneib répond : « Grâce à l’interférométrie infrarouge, il est tout à fait possible de prendre une photo d’une planète en orbite autour d’une autre étoile. L’image serait probablement floue, mais nous pourrions observer et caractériser des caractéristiques telles que les nuages et les variations structurelles à la surface de la planète. C’est tout à fait possible, peut-être d’ici 20 ou 30 ans. »
Mais pour certaines questions fondamentales, il est peu probable que l’imagerie seule apporte des réponses. Pourquoi l’Univers s’étend-il à un rythme accéléré ? Est-ce à cause de l’énergie noire ? Pourquoi 80 % de la matière est-elle invisible ? Avons-nous complètement tort au sujet de la gravité ? Les futures générations d’astrophysiciens garderont les yeux rivés sur le ciel ou rivés à leurs écrans pour tenter de percer les mystères les plus profonds de notre Univers.