Présentation de l’éditeur

Pionnière du domaine, Françoise Combes est spécialiste de la dynamique des galaxies : mêlant observation et simulation numérique, elle cherche à comprendre la relation entre la forme des galaxies et leur histoire, et à décoder les différentes étapes de leur croissance. La physique des trous noirs est pour cela indispensable : les trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies y jouent un rôle majeur.

Comment sont-ils alimentés ? Comment recrachent-ils de la matière ? Avec quelles conséquences sur la formation des étoiles au sein de la galaxie correspondante ? Que peut nous apprendre l’observation des quasars, ces galaxies dont le trou noir supermassif central est extrêmement actif, et qui émet une lumière mille fois plus forte que toutes les étoiles de la galaxie réunies ?

Les objets célestes les plus impressionnants de l’Univers sont ici décryptés par une pionnière de l’étude du cosmos.

Médaille d’or du CNRS, Françoise Combes est astrophysicienne, professeur au Collège de France.

La version audio du présent ouvrage
est disponible à l’achat sur le site www.devivevoix.com

Couverture : Paul Cox

© CNRS Éditions / De Vive Voix,
coll. « Les Grandes Voix de la Recherche »,
Paris, 2021.

ISBN : 978-2-271-13675-6

ISSN : 2680-2708

www.cnrseditions.fr
www.devivevoix.com

Ce document numérique a été réalisé par PCA

Les Grandes Voix de la Recherche

Une collection CNRS Éditions / De Vive Voix

Donner la parole aux lauréats et lauréates de la médaille d’or du CNRS, la plus prestigieuse récompense scientifique française : telle est l’ambition de la collection Les Grandes Voix de la Recherche.

En des textes courts et vivants, les médailles d’or retracent leur parcours, nous transmettent leur passion, nous présentent leurs travaux. Grâce à des contenus accessibles et à jour des dernières avancées scientifiques, ils nous introduisent au meilleur de la recherche française.

En passeurs et médiateurs, ces grandes voix de la recherche explorent tous les domaines de la connaissance et présentent de manière claire les grands défis de la science.

À écouter ou à lire, ces grandes voix de la recherche sont disponibles sous forme de livre audio et de livre papier.

Françoise Combes à l’observatoire de Paris, en 2020.
© Frédérique PLAS / LERMA / CNRS Photothèque.

L’expansion de l’Univers

L’astrophysique m’a fascinée dès le début de mes études, et, lorsqu’il a fallu choisir un thème pour une thèse de troisième cycle, j’étais passionnée par la cosmologie. On ne savait alors pas exactement expliquer la formation de la matière elle-même. J’ai donc commencé par la modéliser avec Évry Schatzman et Roland Omnès. Je me suis dirigée vers un modèle, assez fantaisiste finalement, d’égalité entre matière et antimatière. Si l’on pense aujourd’hui que matière et antimatière doivent posséder une légère asymétrie, on ne sait toujours pas pourquoi : l’hydrogène et l’anti-hydrogène se comportent de la même façon dans l’accélérateur du CERN. Mais on est obligé de supposer l’existence d’un excès d’un milliardième de la matière sur l’antimatière tout simplement pour expliquer pourquoi nous sommes là : sans cette hypothèse, il n’y aurait pas de galaxies.

Roland Omnès proposait alors une autre théorie : matière et antimatière existerait exactement dans les mêmes quantités dans l’Univers, une émulsion séparant les deux, un peu comme celle composée d’huile et de vinaigre. Il existerait donc des galaxies de matière, et des galaxies d’antimatière. Mais cela supposait, lors d’une rencontre entre les deux, énormément d’annihilation de matière et d’antimatière, produisant de fortes émissions de rayons gamma. C’était un des problèmes de cette théorie, cette prédiction de rayons gamma en grand nombre, qui n’ont pas été observés. Jean-Loup Puget et Floyd Stecker, qui travaillaient alors sur cette observation, pensaient que c’était absolument impossible. De mon côté, j’ai mené des travaux sur le sujet pendant un an, pour expliquer la synthèse des éléments légers comme l’hélium ou le deutérium dans le cadre de cette théorie. Et ça ne fonctionnait pas non plus. Voici un exemple d’une théorie qui n’a pas duré longtemps…

Ces travaux constituaient pour moi une première approche de la recherche en cosmologie qui, aujourd’hui encore, est tout à fait passionnante. En 40 ans de recherches, l’astrophysique a considérablement progressé et fait de nombreuses découvertes. Par exemple, on sait de quoi est constitué l’Univers, avec 5 % de matière ordinaire et 25 % de matière noire invisible encore indéterminée (elle est en fait plutôt transparente que noire), que nous ne voyons pas, mais détectons tout de même grâce à sa gravité. Les 70 % restant sont constitués d’énergie noire, dont l’existence a été découverte en 1998. Cette année-là, des galaxies, que l’on pensait être à une certaine distance, calculée par la loi de Hubble (la loi de l’expansion de l’Univers, selon laquelle plus une galaxie est lointaine, plus elle semble s’éloigner rapidement), nous ont fourni des indicateurs de distance, des supernovæ de type 1A, qui sont des chandelles standards. Les chandelles standards sont des objets variables sur une échelle de temps proportionnelle à leur luminosité intrinsèque. Une fois mesurée leur échelle de temps de variation, leur luminosité intrinsèque est déterminée, et donc aussi leur distance, par la mesure de leur luminosité apparente (car l’intensité de la lumière reçue est inversement proportionnelle au carré de la distance). Ces mesures ont montré que leur galaxies-hôtes étaient beaucoup plus loin que ce que l’on avait prédit.

Nous étions donc dans l’obligation de conclure que l’expansion de l’Univers était accélérée, ce qui pose un gros problème. Les lois de la gravité disent en effet que toute la matière qu’il y a dans l’Univers s’attire : cette attraction devrait freiner l’expansion. Nous pensions donc que l’Univers était soumis a une décélération, et l’on a constaté à l’inverse que son expansion était accélérée. Il nous fallait alors une force répulsive plutôt qu’attractive. Nous avons donc, en conséquence, inventé cette « énergie noire », dont on ignore toujours ce qu’elle est, peut-être simplement la manifestation de la constante cosmologique dans les équations d’Einstein.

Car Einstein, au début du XXe siècle, avait supposé une telle constante selon le raisonnement suivant : l’Univers est statique, il ne bouge pas, il est éternel, et, pour qu’il n’y ait pas d’expansion, il faut une constante cosmologique. Plus tard, il a cru avoir fait là la plus grande erreur de sa vie. Peu à peu, on a compris que l’Univers était bien en expansion, et cette constante est devenue inutile. Jusqu’en 1998, elle n’a plus été évoquée. Et puis tout d’un coup on découvre que l’Univers est en expansion accélérée, et qu’on a besoin d’une énergie noire, ou d’une constante

La cosmologie continue de faire d’énormes progrès. On a désormais exploré tout l’Univers jusqu’au Big Bang. En astrophysique, lorsque l’on regarde loin, on remonte le temps, puisque les objets situés à, par exemple, 10 milliards d’années-lumière, ont envoyé il y a 10 milliards d’années ce photon qui nous parvient aujourd’hui. Il a été émis lorsque la galaxie dont il provient était très jeune. Il est donc possible de voir des objets très jeunes, et de remonter jusqu’au Big Bang, grâce au télescope spatial Hubble, par exemple.

Contrairement à ce que l’on a longtemps pensé, l’Univers n’est pas éternel, il a un âge fini (13,8 milliards d’années environ) : cela signifie que la lumière des objets situés au-delà de 13,8 milliards d’années-lumière de nous n’a pas eu le temps de nous parvenir, et qu’ils nous demeurent invisibles. Cette limite de visibilité est nommée « horizon cosmologique ». Nous pouvons désormais remonter jusqu’à cet horizon observable de la cosmologie, ce qui représente une avancée considérable. Mais d’un autre côté, on observe 25 % de matière noire, et 95 % de secteur noir, sans pouvoir déterminer leur nature. La discipline progresse néanmoins constamment. Ainsi, dans les vingt dernières années, six prix Nobel de physique ont été décernés à l’astrophysique, alors que cette discipline ne correspond qu’à 10 % de la physique. L’un des enjeux à venir serait de découvrir ce qui est caché derrière tout ce secteur noir, peut-être une modification de la gravité que beaucoup d’astronomes sont en train de construire…

L’Agence spatiale européenne va, en 2022, lancer le télescope Euclid qui aura essentiellement pour but d’observer 12 milliards d’objets dont un milliard de galaxies – ce qui est déjà une considérable gageure – et permettra d’échantillonner l’expansion de l’Univers en fonction du temps. La distance de ces galaxies tout au long de l’âge de l’Univers va permettre de déduire la loi de l’expansion, et ainsi de déterminer quand elle a commencé à ré-accélérer, après une première période de décélération. Cette loi de l’expansion va nous donner l’évolution en fonction du temps de l’énergie noire, et montrera ainsi s’il s’agit d’un composant dynamique, ou si l’on peut l’assimiler à une constante cosmologique. Dans le premier cas, ce serait un cinquième élément, une quintessence. De nombreuses autres découvertes sont à prévoir dans les dix prochaines années.

Du même auteur

Galaxies et cosmologie (avec Patrick Boissé, Alain Mazure et Alain Blanchard), Paris, InterÉditions/CNRS Éditions, coll. « Savoirs actuels - Astrophysique », 1991.

Mystères de la formation des galaxies : vers une nouvelle physique ?, Paris, Dunod, coll. « UniverSciences », 2008.

La Voie lactée (avec James Lequeux), Les Ulis/Paris, EDP Sciences/CNRS Éditions, coll. « Savoirs actuels - Astrophysique », 2013.

La matière noire dans l’Univers, Leçon inaugurale prononcée au Collège de France le 18 décembre 2014.

La matière noire, (livre audio), De Vive Voix, coll. « L’Académie raconte les sciences », 2014, www.devivevoix.com

La matière noire : clé de l’Univers ?, Paris, Vuibert, coll. « Sciences et plus », 2015.

Le Big Bang, Paris, Que sais-je ?, 2019.

Les Grandes Voix de la Recherche

Dans la même collection

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