La majeure partie de ce que l’humanité et les autres espèces de mammifères sur Terre vivent de l’Univers est principalement limitée à la partie du spectre électromagnétique que nos organes optiques peuvent enregistrer. Malgré ces limitations, nous avons trouvé des moyens au cours des siècles qui nous permettent de percevoir le reste du spectre EM, de voir à la fois ce qui est incroyablement loin et ce qui est incroyablement petit, de nous rapprocher constamment un peu plus de ce qui rend le Univers dans ce que nous pouvons observer aujourd’hui et à quoi il pourrait ressembler dans le futur.
Un élément essentiel de cet effort sont les télescopes spatiaux, qui regardent dans les profondeurs de l’Univers sans aucune limitation imposée par l’atmosphère terrestre ou l’activité humaine. Parmi les nombreuses utilisations des télescopes spatiaux, l’étude de l’expansion de l’Univers est peut-être la plus fascinante, car elle nous rapproche toujours plus des réponses aux questions les plus fondamentales concernant non seulement sa forme, mais aussi son avenir, qui peut comprennent des types de matière et d’énergie jusqu’alors inconnus.
Avec le télescope spatial Euclid récemment lancé, un autre chapitre s’ouvre dans la saga sur l’énergie et la matière noires, ainsi que sur leur nature et leurs effets sur l’Univers, ainsi que sur leur existence. Pourtant, comment utiliser exactement un télescope spatial pour découvrir les effets potentiels de l’énergie noire ?
L’univers sombre
Lorsqu’Albert Einstein élaborait sa théorie de la relativité générale, il avait supposé que l’Univers serait statique et avait introduit une constante cosmologique dans les équations de champ qui équilibrerait l’expansion de l’Univers dans le modèle. Lorsque plusieurs années plus tard, Edwin Hubble a démontré que l’Univers est en fait en expansion, ce qui a conduit Einstein à appeler la constante cosmologique sa «plus grande erreur». Pourtant, à l’insu d’Einstein, cette constante cosmologique serait plus tard ravivée, en tant que facteur qui entraîne l’expansion de l’univers.
Dans le cas de la matière noire comme de l’énergie noire, leur existence présumée est le résultat des modèles théoriques que nous avons développés au cours des dernières décennies. Ces modèles ont besoin de matière noire et d’énergie noire pour s’accorder avec ce que nous voyons. Depuis les années 1990, des observations de plus en plus raffinées de l’Univers nous ont permis de valider des éléments de ces théories, la «matière noire» et «l’énergie noire» agissant essentiellement comme des espaces réservés jusqu’à ce que nous puissions soit démontrer leur existence, soit développer un nouveau modèle qui ne nécessite pas l’un ou les deux.
Dans le modèle Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM) actuellement le plus répandu, la présence de matière noire sert à expliquer les observations faites sur les galaxies, car leur forme et leur rotation ne peuvent pas être expliquées en utilisant uniquement la matière lumineuse observable (baryonique). Selon la deuxième loi de Kepler, il devrait finalement y avoir environ 85% de matière noire dans l’Univers, le reste étant de la matière ordinaire. Cette existence présumée de matière noire (la matière noire froide dans ΛCDM) est étayée par un certain nombre d’autres observations, notamment du fond diffus cosmologique (CMB) et de la lentille gravitationnelle, même si nous ne savons pas ce qu’est cette matière.
La matière noire est postulée pour ne pas interagir avec le champ électromagnétique, qui est le sens dans lequel elle est « sombre », tout en imposant des effets gravitationnels afin que sa présence puisse être déduite par lentille gravitationnelle. En fin de compte, l’interaction gravitationnelle serait le principal moyen par lequel la matière noire pourrait interagir avec le reste de l’Univers, formant une partie massive de son évolution en raison de sa présence abondante.
De même, l’existence de l’énergie noire a été déduite des observations de décalage vers le rouge, principalement en utilisant les super novae de type Ia (SNIa) comme point de référence cohérent, bien que limité par la précision de notre équipement de mesure. Sur la base du décalage vers le rouge observé et de l’énergie qui serait à l’origine de l’accélération nécessaire, il devrait y avoir plus d’énergie entraînant l’expansion que nous ne le savons ou que nous n’avons jusqu’à présent mesuré dans le cadre de l’énergie du vide (également appelée énergie du point zéro). Cette énergie noire est calculée pour former environ 68,2% de l’équilibre énergie-matière dans l’Univers, avec 26,8% sous forme de matière noire et seulement 5% de matière ordinaire.
Naturellement, sans plus de preuves et sans réduire la taille des erreurs de mesure, il est difficile de dire si cette énergie et cette matière invisibles existent, s’il s’agit simplement d’une erreur de mesure ou si la physique gravitationnelle est tout simplement fausse. À cette fin, nous avons besoin d’instruments tels qu’Euclid pour affiner et compléter les preuves disponibles.
La mission d’Euclide
Dans ce contexte, l’objectif principal d’Euclid est de poursuivre les recherches sur la nature exacte de la matière noire et de l’énergie en affinant les observations précédentes faites sur la forme des galaxies, ainsi que sur le décalage vers le rouge d’objets comme les supernovae de type Ia. Les missions précédentes comprenaient le télescope spatial Planck (actif de 2009 à 2013) et la sonde d’anisotropie micro-ondes Wilkinson (WMAP, 2001 – 2010), avec maintenant Euclid et le télescope spatial James Webb (JWST) ayant pris en charge la plupart des tâches d’observation, avec tous deux basés au point de Lagrange L2 pour les maintenir à l’ombre de la Terre.
Le télescope spatial Euclid est équipé de caméras à lumière visible et proche infrarouge, les deux instruments étant optimisés pour ces tâches d’observation spécifiques, tandis que JWST est utilisé pour les observations générales dans l’infrarouge. Bien qu’Euclid soit actuellement toujours en route vers le point L2 avant de pouvoir commencer sa mission scientifique, JWST a déjà fait des observations pertinentes, avec des données intéressantes publiées l’année dernière, telles que les découvertes de l’année dernière sur le redshift des très jeunes galaxies ( article arXiv).
JWST et Euclid ont tous deux des caméras proches de l’infrarouge et peuvent être considérés comme complémentaires, mais Euclid se consacre uniquement à répondre à ces questions spécifiques en cosmologie, ce qui lui permet d’effectuer des observations en continu et ainsi de collecter des quantités importantes de données de mission au cours de ses six années prévues. durée de vie.
Implications sur la mission
Quelles pourraient être les implications de ces recherches sur la matière noire et l’énergie noire ? De toute évidence, ce sont essentiellement des espaces réservés jusqu’à ce que nous puissions déterminer si nos observations concernant l’expansion de l’Univers et la physique des galaxies peuvent être expliquées d’une autre manière. Ce ne serait pas la première fois au cours des quelque 120 dernières années que nos hypothèses sur le fonctionnement de l’Univers et sur son destin ultime auraient fondamentalement changé face à de nouvelles preuves.
Si le modèle ΛCDM tient la route, alors la question est de savoir si nous pouvons définir quelle est la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Jusqu’à présent, un certain nombre d’hypothèses existent ici, y compris les neutrinos stériles et bien d’autres. Pour l’énergie noire, l’explication la plus simple serait qu’il s’agit d’une énergie intrinsèque de l’espace (semblable ou égale à l’énergie du vide), mais de nombreuses autres options sont possibles. Il est également possible qu’Euclid et d’autres missions nous fournissent des données qui remettent en question bon nombre des hypothèses formulées ou nous conduisent vers de nouvelles possibilités.
Bien que rien de ce que nous apprenons via ces observations ne soit susceptible de modifier notre compréhension fondamentale de la forme et de la rotation des galaxies, ni ne remplacera probablement la loi de Hubble concernant l’expansion de l’Univers basée sur les observations d’autres galaxies s’éloignant de la nôtre, ce que cela affectera notre compréhension du comment et du pourquoi. En fin de compte, en développant notre compréhension élémentaire de l’équilibre énergie-matière dans l’Univers et de sa nature exacte, nous devrions avoir une bien meilleure idée à la fois de la façon dont l’Univers a commencé et de la façon dont il se terminera finalement.
Pourtant, peu importe ce que nous découvrirons, l’essentiel est qu’à travers Euclid, JWST et quel que soit le vaisseau spatial qui les suivra, nous démêlerons lentement le plus grand défi pour la science, sous la forme de l’Univers lui-même. C’est un défi qui occupe les plus grands esprits du monde depuis plus d’un siècle maintenant, avec la promesse alléchante de comprendre les fondements mêmes de l’existence elle-même.
