Cosmologie numérique : La Physique, les Mathématiques et l'Informatique unissent leur force pour tenter de résoudre des mystères dans le ciel.

A la découverte des lois de l'Univers

Quand on regarde loin, très loin dans le ciel étoilé, on est tout d'abord pris d'un certain sentiment de vertige devant l'immensité. On peut être aussi saisi par une émotion esthétique, à la fois devant la beauté du spectacle, et devant la structure, l'ordre subtil qui régit les mouvements des astres. Mais cet ordre est caché, et le décrypter, à savoir découvrir les lois de la Physique, nécessite tout d'abord d'observer la Nature, afin de tenter d'en deviner les lois, en utilisant un langage mathématique. Ensuite, les Mathématiques permettent de mettre en évidence des structures cachées. Il sufffit alors de regarder à nouveau, si ces structures sont effectivement présentes dans l'Univers, alors on est sur le bon chemin, sinon on s'est sans doute trompé en essayant de deviner les lois, et on se remet alors à l'ouvrage avec d'autres idées. C'est ce qu'a fait Newton pour découvrir les lois du mouvement, en s'appuyant sur des identités découvertes par Kepler dans les observations de Tycho Brahe ¹.

Des mystères dans le ciel: Uranus fait des siennes !

Parfois, certaines observations ne sont pas en accord avec ce qu'on croit avoir compris. Par exemple, dans les années 1800, on a observé des irrégularités dans la trajectoire de la planète Uranus qui ne semblait pas obéir aux lois découvertes par Newton. Un jeune astronome, Le Verrier, a résolu cette énigme, par un tour de force, en réalisant des calculs extrêmement compliqués, qui ont conduit à une découverte importante, confirmée par l'observation (lire ² pour connaitre le fin mot de l'histoire).

Mercure s'y met aussi !

Mais l'histoire ne s'arrête pas là: la planère Mercure fait également des siennes, l'axe de son orbite (en forme d'ellipse) tourne deux fois plus vite que les prédictions des lois de Newton ! Mais ici, l'explication est complètement différente du cas d'Uranus, il a fallu attendre le début des années 1900 pour que quelqu'un (que tout le monde connait !) propose une théorie permettant d'expliquer ce qui se passe ³, magnifiquement confirmée par l'observation rendue possible par une éclipse ⁴ quelques années plus tard.

Big-Bang Theory

L'observation des planètes du système solaire a permis de révéler des lois. Que se passe-t-il quand on regarde plus loin, bien plus loin, jusqu'aux confins de l'Univers ? Dans les années 1920, Edwin Hubble ⁵ observe la lumière émise par les étoiles dans les galaxies lointaines, et se rend compte que la plupart des galaxies s'éloignent de nous ! Ceci pourrait très bien être expliqué par une certaine solution des équations d'Einstein, découverte quelques années auparavant par le mathématicien George Lemaitre ⁶. Cette théorie, que Lemaitre a appelé "l'atome primitif", implique qu'il y a très très longtemps, l'Univers était bien plus dense et bien plus chaud. Aujourd'hui personne ne se souvient de l'"atome primitif", mais c'est une autre histoire si on vous parle du "Big Bang", car c'est bien de cela qu'il s'agit ! Ce nom a été donné par moquerie à la théorie de Lemaitre par l'un de ses plus grand détracteurs, Fred Hoyle, et c'est amusant que ça soit ce nom qui soit passé à la postérité. Quelques années plus tard, l'observation d'un certain rayonnement émis aux premiers ages de l'Univers, le fond de rayonnement cosmologique ⁸, par Penzias et Wilson, a confirmé une conséquence directe de la théorie du Big-Bang, prédite par Alpher, Bethe et Gamow ⁹.

Un autre mystère dans le ciel...

Dans les années 60, Vera Rubin ¹⁰ observe que les étoiles autour des galaxies tournent beaucoup plus vite que ce qu'elles devraient: à cette vitesse, l'attraction gravitationelle ne devrait plus suffir à maintenir les galaxies cohérentes, et les étoiles devraient se disperser dans le cosmos. Fritz Zwikcy emmet une hypothèse: chaque galaxie serait entourée d'un halo de matière supplémentaire, permettant d'expliquer à la fois le mouvement des étoiles et la cohérence des galaxies. De nombreuses observations indirectes semblent impliquer la présence de cette matière supplémentaire, mais elle n'a toujours pas été observée directement à l'heure actuelle. C'est ce qu'on a appelé - pour cette raison - la matière noire (en toute rigueur, on devrait l'appeler "matière transparente", si seulement elle était noire, on pourrait observer qu'on ne voit pas au travers !).

...et comme si cela ne suffisait pas, encore un autre !

Vers la fin des années 90, Perlmutter, Schmidt et Reiss estiment la distance de certaines étoiles lointaines (des supernovae). Surprise ! elles sont beaucoup plus loin que ce que prédisait la théorie. Une explication possible: le Big-Bang "Big-Bangise" plus vite que ce qu'on croyait. En retournant au tableau et à la craie, il faut ressuciter un terme qu'Einstein avait supprimé de son équation. Ce terme correspond à de l'énergie en plus. La nécessité de ré-introduire ce terme a été confirmée par de nombreuses observations depuis, mais on n'en connait toujours pas la nature à l'heure actuelle. Pour cette raison, on l'a appelée "énergie sombre".

Et maintenant ?

Matière noire et énergie sombre sont les deux grands mystères de l'astrophysique moderne, problèmes toujours ouverts à l'heure actuelle. Des moyens d'observations extrêmement sophistiqués ont été créés, tels que le téléscope spatial Planck ¹³, qui cartographie le fond diffus cosmologique, ce qui donne des informations très précises sur les premiers ages de l'Univers. Un autre téléscope spatial, le James Webb Telescope, nous fournit pour la première fois des images des toutes premières galaxies (surprise ! il y en a plus que ce que l'on pensait). Enfin, un téléscope (sur terre celui-ci), le Dark Energy Spectral Instrument ¹⁵, a permis de construire pour la première fois une carte en 3D de l'Univers tout entier, avec une précision tout à fait inédite. Le télescope Vera Rubin ¹⁶ (nommé en l'honneur de la découvreuse de la "matière noire" dont on a parlé avant), au Chili, permettra bientôt d'avoir encore plus de données à analyser.

De nombreux groupes de recherche tentent de comprendre ces phénomènes. Le petit groupe de chercheurs dont nous faisons partie attaque le problème en utilisant un outil mathématique, le transport optimal ¹⁷, qui permet de tester des théories en mettant le passé (le fond de rayonnement cosmologique) en relation avec le présent (les autres observations) ¹⁸,²¹. Les forces combinées de la Physique (qui observe et qui modélise la Nature), des Mathématiques (qui met en évidence, par le raisonnement abstrait, des structures cachées) et de l'Informatique (qui permet de "donner vie" à la théorie en la calculant dans un ordinateur) permettront peut-être un jour de contribuer à lever un coin du voile.