Sujet Chez Messier, Brahé et Galilée : la taverne du gentleman astronome

Le cosmos est rempli de vastes régions dénuées de galaxies et de matière. Grâce à des relevés toujours plus riches, l’étude des vides est sur le point d’entrer dans le domaine de la cosmologie de précision.
Michael Lemonick
29 janvier 2024|  Temps de lecture : 12 mn



Quand elle a activé son casque de réalité virtuelle, l’astrophysicienne Alice Pisani a plongé son regard dans le vide – ou plutôt dans l’un des nombreux grands espaces vides qui parsèment le cosmos. « C’était absolument incroyable », se souvient la chercheuse qui s’était retrouvée à l’intérieur d’une immense région de l’espace ne contenant rien et qui était cernée par une sorte de coquille composée de galaxies. L’image n’était pas une simple vue d’artiste, elle avait été construite à partir de données scientifiques de l’astrophysicienne. Cette simulation était l’œuvre de Bonny Yue Wang, une étudiante en informatique à la Cooper Union pour l’avancement des sciences et des arts, à New York, où Alice Pisani avait dispensé un cours. Inspirée par cette dernière, l’étudiante avait mis en scène, en 2022, les vides cosmiques, qui peuvent s’étendre sur des dizaines ou des centaines de millions d’années-lumière.

Ce projet aurait été impossible il y a dix ans, lorsqu’Alice Pisani a commencé à travailler dans ce domaine de recherche. Les scientifiques savaient depuis les années 1980 que ces régions de néant existent, mais les données observationnelles et la puissance de traitement informatique étaient insuffisantes pour explorer en détail ces vides cosmiques. Récemment, cependant, ces obstacles ont été levés et l’étude de ces structures est passée du simple objet de curiosité à un sujet majeur en cosmologie. Alice Pisani et un nombre croissant de ses collègues sont convaincus que d’ici à quelques années, les espaces vides de l’Univers fourniront des indices importants pour résoudre les mystères de la matière noire, de l’énergie noire ou aideront à préciser la nature de certaines particules du modèle standard, les neutrinos. David Spergel, de l’université Princeton, estime que « le moment est venu d’utiliser les vides » en cosmologie. Benjamin Wandelt, de l’institut Lagrange, à Paris, abonde dans le même sens : « Les vides ont vraiment pris leur essor. Ils deviennent un sujet d’actualité. »

Pourtant, entre la fin des années 1970 et le milieu des années 1980, la découverte des vides cosmiques avait provoqué un véritable choc chez les astronomes. Les chercheurs savaient que les étoiles étaient rassemblées dans des galaxies et que les galaxies étaient souvent regroupées par dizaines, voire par centaines, en amas. Mais si l’on regardait à assez grande échelle, ils pensaient que ces amas se distribuaient de façon régulière pour donner un aspect homogène au cosmos. Bien plus qu’une simple hypothèse, cette idée était justifiée par l’étude du fond diffus cosmologique (CMB) – un rayonnement électromagnétique émis environ 380 000 ans après le Big Bang. La carte de température du CMB est extrêmement homogène et reflète l’uniformité de la distribution de la matière depuis le Big Bang. Et même si le CMB a été émis il y a plus de 13 milliards d’années, il semblait raisonnable de penser que l’Univers moderne aurait dû conserver une partie de cette homogénéité globale.

Des cartes en 3D

Il ne suffit pas de regarder la voûte céleste, et son aspect bidimensionnel, pour s’assurer de l’homogénéité de l’Univers. Les astronomes doivent savoir non seulement comment les galaxies sont réparties dans le ciel, mais aussi comment elles sont distribuées dans la troisième dimension de l’espace : la profondeur. Ils doivent donc mesurer la distance entre la Terre et de nombreuses galaxies afin d’établir une cartographie tridimensionnelle.

Quand, en 1978, Laird Thompson, de l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign, et Stephen Gregory, de l’université du Nouveau-Mexique, ont réalisé de tels relevés, ils ont découvert les premiers indices de la présence des vides cosmiques. En 1981, Robert Kirshner, de l’université Harvard, et quatre de ses collègues en ont trouvé un énorme, d’environ 400 millions d’années-lumière de diamètre, dans la direction de la constellation du Bouvier. Il était si grand et si vide que « si la Voie lactée avait été au centre du vide du Bouvier, nous n’aurions pas su qu’il y avait d’autres galaxies [dans l’Univers] avant les années 1960 », souligne Greg Aldering, du laboratoire américain Lawrence Berkeley.

En 1986, Margaret Geller, John Huchra et Valérie de Lapparent, qui travaillaient alors à l’université Harvard, ont confirmé que les vides découverts n’étaient pas de simples fluctuations dues au hasard dans la distribution des galaxies. Il y en avait partout. « C’était très excitant », déclare Valérie de Lapparent, aujourd’hui directrice de recherche à l’institut d’astrophysique de Paris. À l’époque, elle essayait de comprendre la structure à grande échelle de l’Univers. Une coupe transversale du cosmos local que les astronomes avaient réalisée auparavant laissait entrevoir une configuration filamentaire composée de régions présentant soit des surdensités en galaxies soit des sous-densités. Pour s’assurer qu’il ne s’agissait pas d’un biais observationnel, les trois chercheurs avaient cartographié un vaste catalogue de galaxies. « C’était incroyable, raconte Valérie de Lapparent. Nous avions ces grands vides circulaires délimités par ces murs minces remplis de galaxies. »

Les vides n’étaient pas de simples fluctuations, ils étaient partout

Un nouveau visage de l’Univers se dessinait, qui n’était pas sans poser de sérieux problèmes aux modèles de formation des structures à grande échelle de l’époque. Les galaxies et les amas de galaxies se concentraient aux nœuds de vastes filaments de matière, cernés par des vides gigantesques. En d’autres termes, le cosmos actuel ressemble vaguement à de l’emmental, tandis que le CMB s’apparente davantage à du fromage frais.

Quelles forces ont contribué à passer d’un Univers primordial homogène à un Univers avec une distribution de matière aussi contrastée ? Au fil des années, il est devenu assez clair que la matière noire a joué un rôle majeur pour forger la toile cosmique. Cette composante invisible du cosmos, six fois plus abondante que la matière ordinaire, a formé des surdensités dans l’Univers primitif. Et ces régions ont exercé une attraction gravitationnelle plus efficace que ce qu’on pensait. La matière ordinaire s’y est accumulée et a donné naissance aux étoiles et aux galaxies, délaissant les régions de plus faible densité qui sont à l’origine des vides cosmiques.

L’Univers, une gigantesque toile cosmique

Si la plupart des observateurs et des théoriciens ont intégré cette notion de « toile cosmique », très peu se sont intéressés aux vides… essentiellement parce qu’il n’y avait pas de données ! Ils sont importants, car leur forme, leur taille et les distances qui les séparent les uns des autres résultent des mêmes forces que celles qui ont forgé l’Univers dans sa globalité. Ils ouvrent une fenêtre originale sur des questions qui taraudent encore les astrophysiciens. Mais pour utiliser les vides, les chercheurs avaient besoin de beaucoup de données, à même d’alimenter des outils statistiques et d’en tirer des conclusions robustes. La situation était analogue à celle des exoplanètes dans les années 1990 : les premières découvertes ont prouvé que des planètes gravitaient bien autour des étoiles au-delà du Soleil, mais il a fallu attendre que le télescope spatial Kepler commence à les recenser par milliers après son lancement en 2009 pour que les planétologues réussissent à dresser des résultats généraux et significatifs sur ces mondes lointains.

En 1995, Barbara Ryden, de l’université d’État de l’Ohio, et Adrian Melott, de l’université du Kansas, ont soulevé une difficulté dans les données sur les vides qui commençaient à arriver. Les études de galaxies, ont-ils souligné, sont menées dans « l’espace des décalages vers le rouge », et non dans l’espace réel. En effet, à mesure que l’Univers s’étend, les ondes lumineuses sont étirées : leur longueur d’onde augmente et leur couleur devient plus rouge. Et plus un objet est éloigné d’un observateur, plus l’effet est important. Il est ainsi beaucoup plus facile de mesurer les décalages vers le rouge que les distances réelles entre deux galaxies. Mais, notent les deux chercheurs, les décalages vers le rouge peuvent fausser l’interprétation des distances qui entourent un vide et donner une idée trompeuse de sa taille et de sa forme. Le problème, explique Nico Hamaus, de l’université Ludwig-Maximilian, à Munich, est que lorsqu’un vide se dilate, « le côté le plus proche se rapproche de nous et le côté le plus lointain s’éloigne ». Ce différentiel confère au vide un aspect artificiellement allongé.

Grâce à ces mises en garde, les astrophysiciens ont développé les outils adaptés pour s’attaquer aux vides dès la fin des années 2000. Des projets, tel le SDSS (Sloan Digital Sky Survey), ont permis de sonder le cosmos beaucoup plus profondément que la carte établie par Margaret Geller et ses collègues. Ils ont confirmé la présence de vides partout où l’on regardait.

En 1998, des observations indépendantes menées par deux équipes ont révélé l’existence de l’énergie noire, une substance dont la nature reste à identifier mais qui provoque une accélération de l’expansion de l’Univers malgré l’attraction gravitationnelle mutuelle de milliards de galaxies. Les vides offriraient aux astronomes un moyen prometteur d’étudier ce qui pourrait être à l’origine de l’énergie noire.

En effet, ces régions de faible densité présentent certains avantages. « Elles sont beaucoup plus calmes, d’une certaine manière, précise Benjamin Wandelt, et se prêtent mieux à la modélisation » que les amas et les filaments qui les séparent. Dans ces derniers, les galaxies et les gaz se heurtent les uns aux autres avec des interactions complexes et non linéaires. Ce « chaos » tend à effacer les informations sur leur formation. En outre, l’attraction gravitationnelle entre les galaxies est assez forte à petite échelle pour contrecarrer l’expansion générale de l’Univers, même en présence d’énergie noire. Les vides, en revanche, « sont dominés par l’énergie noire, explique le chercheur. Les plus grands d’entre eux se développent en fait plus rapidement que le reste de l’Univers. » Cela en fait des laboratoires parfaits pour comprendre cette force encore énigmatique.

Et les vides ne donneraient pas seulement accès à une meilleure compréhension de l’énergie noire, ils pourraient aussi éclairer (pour ainsi dire) la nature de la matière noire. Bien que les vides contiennent beaucoup moins de matière noire que les amas et les filaments de la toile cosmique, il y en a tout de même. Et, à l’inverse de la toile chaotique, avec ses gaz chauds tourbillonnants et ses galaxies qui s’entrechoquent, les vides sont assez paisibles pour que les particules qui, selon les astrophysiciens, composent la matière noire puissent être détectées. Elles ne seraient pas visibles directement, car elles n’absorbent ni n’émettent de lumière. Mais ces particules devraient parfois entrer en collision ou se désintégrer spontanément, ce qui produirait de minuscules bouffées de rayonnement gamma. Un télescope spatial sensible à cette gamme de longueur d’onde serait théoriquement capable de détecter un signal collectif de la matière noire située dans les vides.

Ces derniers offriraient même la possibilité de mieux déterminer la nature des neutrinos, des particules élémentaires que l’on croyait sans masse et qui sont omniprésentes dans l’Univers, tout en n’interagissant presque jamais avec la matière ordinaire. Les physiciens ont confirmé que les trois types de neutrinos connus ont une masse, mais ils ne savent pas pourquoi elle est si faible.



Les vides pourraient les aider à trouver la réponse, souligne Elena Massara, de l’université de Waterloo, au Canada. Il s’agit de régions quasi dépourvues de matière lumineuse et de matière noire, explique-t-elle, « mais ils sont remplis de neutrinos, qui sont presque uniformément distribués dans l’Univers », y compris dans les vides. En effet, les neutrinos traversent le cosmos à une vitesse proche de celle de la lumière, ce qui signifie qu’ils ne s’agglutinent ni sous l’effet de leur gravité mutuelle ni par celle des concentrations de matière noire qui servent d’échafaudage à la toile cosmique. Bien que les vides contiennent toujours beaucoup de neutrinos, les particules ne font que passer : celles qui s’en éloignent sont constamment remplacées par d’autres neutrinos qui affluent. Leur masse combinée influe sur l’expansion des vides, qui se développent moins vite qu’ils ne le feraient en l’absence de neutrinos. Le taux de croissance, déterminé en comparant la taille moyenne des vides dans l’Univers primordial à celle des vides dans l’Univers actuel, serait une façon astucieuse pour estimer la masse réelle des neutrinos.

La science des vides cosmiques a beaucoup évolué depuis qu’Alice Pisani a commencé à travailler sur ce sujet avec Benjamin Wandelt. Il lui avait proposé deux ou trois sujets de thèse, se souvient-elle, et l’un d’entre eux portait sur les vides cosmiques. « J’ai pensé que c’était le choix le plus risqué, raconte-t-elle, parce qu’il y avait très peu de données à l’époque. Mais c’était aussi un défi incroyable. » Les données dont ces chercheurs avaient besoin pour analyser les vides n’étaient tout simplement pas disponibles. « Lorsque j’ai commencé ma thèse de doctorat, explique l’astrophysicienne, nous connaissions moins de 300 vides, à peu près. Aujourd’hui, nous en connaissons environ 6 000, voire plus. »

C’est énorme, mais ce n’est pas encore assez pour mener des études statistiques robustes… à une exception près. En 2020, Nico Hamaus, Alice Pisani, Benjamin Wandelt et leurs collègues ont montré que la relativité générale se comporte au moins approximativement de la même manière à très grande échelle qu’à l’échelle locale. Cette théorie n’avait pas été testée sur des distances aussi importantes. Peu de scientifiques s’attendaient à voir des déviations, mais c’était une hypothèse qui avait été formulée notamment pour expliquer certaines dynamiques attribuées à la matière noire.

Si l’on suppose que la relativité générale s’applique correctement à grande échelle, on peut modéliser le comportement de la matière noire qui attire la matière ordinaire pour former la toile cosmique et les vides. On peut alors imaginer un vide comme « un cercle dont le rayon augmente avec l’expansion de l’Univers », décrit Benjamin Wandelt. À mesure que le cercle s’agrandit, il se heurte aux galaxies et aux amas situés sur son périmètre. Au fil du temps, ces structures s’agrègent, épaississant le « mur » qui définit le bord du vide. L’énergie noire et les neutrinos influent aussi sur l’épaisseur du mur, mais comme ils sont répartis harmonieusement à l’intérieur et à l’extérieur des vides, leur effet global est beaucoup plus faible. C’est en examinant l’épaisseur des parois de matière entourant les vides et en comparant aux prédictions théoriques que l’équipe a déterminé que la théorie d’Einstein donnait une bonne description des observations et était donc valide à ces grandes échelles.

Ce n’est qu’un début. « Dans les cinq ou dix prochaines années, nous aurons catalogué des centaines de milliers de vides, indique Alice Pisani. C’est l’un de ces domaines où les chiffres font vraiment la différence. » Et les progrès en matière d’apprentissage automatique faciliteront l’analyse des propriétés de ces structures.

Enrichir les catalogues

Ces données ne proviendront pas de projets spécialement consacrés à la recherche des vides. Comme cela a été le cas avec SDSS, il s’agira plutôt de programmes qui cartographient les galaxies telle la mission Euclid, de l’Agence spatiale européenne, lancée en juillet 2023, le télescope spatial Nancy-Grace-Roman, de la Nasa, prévu pour 2026, ou encore l’observatoire terrestre Vera-Rubin, qui commencera en 2024 une étude de dix ans sur les structures cosmiques. L’ensemble de ces projets devrait permettre d’augmenter de deux ordres de grandeur l’inventaire des vides connus.



L’observatoire Vera-Rubin, sur le mont Cerro Pachón, au Chili, réalisera une cartographie extrêmement détaillée de la distribution des galaxies dans l’Univers. Ce projet fournira ainsi un vaste catalogue de vides cosmiques.
© NOIRLab/NSF/AURA

« Je me souviens de l’une des premières conférences que j’ai données sur la cosmologie des vides, lors d’un congrès en Italie, raconte Alice Pisani. À la fin, le public n’avait aucune question à poser. » À l’époque, elle ne savait pas si la raison en était le scepticisme ou simplement le fait que le sujet était si nouveau pour ses auditeurs qu’ils ne trouvaient rien à demander. Rétrospectivement, elle pense qu’il y avait un peu des deux. « Au départ, je pense que le problème était de convaincre les gens qu’il s’agissait d’une science raisonnable à laquelle il fallait s’intéresser », conclut-elle.

Dans dix ans, le nombre de vides connus augmentera de deux ordres de grandeur

C’est beaucoup moins le cas aujourd’hui. Par exemple, le groupe de travail sur les vides dans le programme Euclid compte une centaine de scientifiques. « Je dois dire qu’Alice a été l’une des pionnières les plus intrépides de ce domaine », note Benjamin Wandelt. Lorsqu’ils ont commencé à rédiger les premiers articles sur la science des vides, se souvient-il, certaines personnalités de l’astrophysique « ont exprimé de sérieux doutes quant à la possibilité de faire quoi que ce soit d’intéressant d’un point de vue cosmologique avec les vides. » La plus grande confirmation qu’ils avaient tort, dit-il, est que certaines de ces mêmes personnes sont aujourd’hui enthousiastes.

La personnalité d’Alice Pisani n’est pas étrangère au développement de ce domaine en pleine émergence. La chercheuse aborde le sujet avec une grande rigueur scientifique, mais aussi avec un enthousiasme contagieux. Chaque fois qu’elle évoque les vides, elle s’illumine, parle rapidement, se lève d’un bond pour dessiner des diagrammes sur un tableau blanc et répond aux questions (qui sont maintenant nombreuses) avec aisance et confiance. Elle insiste sur le fait que la science des vides ne résoudra pas à elle seule toutes les grandes questions sur la matière noire, l’énergie noire ou les neutrinos. Mais les vides contribueront d’une façon originale. « Je trouve l’idée séduisante et même quelque peu poétique, conclut Benjamin Wandelt. En examinant ces zones où il n’y a rien, on obtiendra peut-être des informations sur certains des grands mystères de l’Univers. »