Les cinq principaux mystères qu’Euclid aidera à résoudre

Dans l’ensemble, Euclid abordera deux thèmes principaux du programme Cosmic Vision de l’ESA : Quelles sont les lois physiques fondamentales de l’Univers ? et Comment l’Univers est-il né et de quoi est-il composé ?

Alors, quels mystères spécifiques Euclid aidera-t-il à résoudre ?

1. Quelles sont la structure et l’histoire de la toile cosmique ?

La toile cosmique noire
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La matière dans l’Univers est disposée en un énorme réseau de structures ressemblant à une « toile cosmique ». Cette toile est constituée d’énormes amas de galaxies reliées les unes aux autres par des filaments de gaz et de matière noire invisibles. Entre ces amas se trouvent de gigantesques régions vides appelées vides cosmiques. L’étude de la toile cosmique est difficile car elle est très grande, avec des vides cosmiques mesurant des centaines de millions d’années-lumière de diamètre.

Euclid effectuera une étude approfondie de plus d’un tiers du ciel en recueillant des informations sur la forme, la taille et la position de milliards de galaxies. En scrutant le ciel en profondeur, Euclid regardera également en arrière dans le temps, à savoir jusqu’à dix milliards d’années d’histoire cosmique. En effet, plus une étoile est éloignée de nous, et plus sa lumière a mis du temps à nous parvenir.

En cartographiant avec précision la forme et la répartition d’un grand nombre de galaxies, Euclid révélera la structure et l’histoire de la toile cosmique. Bien que la matière noire nous soit invisible, sa présence déforme la lumière des galaxies lointaines. Cet effet est appelé lentille gravitationnelle et pourra être observé par Euclid, révélant comment la matière noire est répartie dans l’Univers.

2. Quelle est la nature de la matière noire ?

Malgré des décennies de recherche, nous ne savons toujours pas ce qui constitue la masse manquante dans l’Univers, appelée matière noire. Les comparaisons de différents modèles cosmologiques avec des mesures ont jusqu’à présent favorisé l’hypothèse selon laquelle la majeure partie de la matière noire est constituée de particules « froides », ce qui signifie qu’elles sont lourdes et relativement lentes. Il se pourrait cependant qu’une partie de la matière noire soit constituée de particules légères qui se déplacent à une vitesse proche de la lumière, appelée matière noire « chaude ». La question reste de savoir quelle quantité – le cas échéant – de matière noire est chaude.

La matière noire chaude pourrait être constituée de particules fantômes appelées neutrinos, qui n’interagissent que très faiblement avec d’autres matières. Bien que les neutrinos aient été initialement prédits comme étant sans masse, il est maintenant prouvé qu’ils ont une masse très faible.

Nous pouvons utiliser les mesures précises de la structure cosmique d’Euclid pour déceler la masse totale des neutrinos dans notre Univers, et avec cela la quantité de matière noire qu’ils peuvent constituer.  Malgré leur attraction gravitationnelle, la nature rapide des neutrinos signifie qu’ils ont tendance à ralentir la formation de la structure, en l’estompant.

La découverte la plus prometteuse serait une découverte que nous n’attendons pas. Les observations sans précédent d’Euclid sur l’univers extragalactique pourraient révéler l’existence de nouvelles espèces de particules en mouvement rapide. Le détective de l’Univers sombre est sur le coup !

3. Comment l’expansion de l’Univers a-t-elle changé au fil du temps ?

Dans les années 1990, des cosmologistes ont fait la découverte surprenante que l’Univers s’étendait plus vite qu’auparavant. L’Univers est en expansion depuis sa naissance lors du Big Bang, mais jusqu’à récemment, les scientifiques supposaient que la vitesse à laquelle il se dilatait ralentirait avec le temps, car la gravité de toute la matière de l’Univers résiste à l’expansion. Comprendre l’accélération de l’expansion reste l’un des défis les plus fascinants de la cosmologie et de la physique fondamentale.

La preuve de l’évolution du taux d’expansion est basée sur les différences de luminosité et de couleur observées de ce qu’on appelle des « chandelles standard » : des objets astronomiques avec une luminosité connue et constante. Les objets plus éloignés nous apparaîtront plus sombres, tandis que l’expansion de l’espace-temps étire la longueur d’onde de la lumière sur son chemin vers nous, un effet de rougissement appelé décalage spectral vers le rouge. Euclid mesurera également le décalage vers le rouge des galaxies, qui nous indique leurs distances par rapport à nous. 

Euclid nous dira comment le taux d’expansion de l’Univers a changé au fil du temps en sondant plus d’un tiers du ciel grâce à un télescope suffisamment sensible pour voir la lumière qui a mis 10 milliards d’années à nous atteindre.

Avec sa vue grand angle, Euclid étudiera également si l’expansion est la même dans toutes les directions. Si ce n’est pas le cas, ce serait contraire à ce que l’on appelle le principe cosmologique, qui postule qu’à une échelle suffisamment grande, l’Univers a le même aspect dans toutes les directions (isotropie) et de tous les endroits (homogénéité). Cette règle fondamentale est au cœur de presque tous les modèles et analyses utilisés en cosmologie.

4. Quelle est la nature de l’énergie noire ?

Connaître les détails de la façon dont l’Univers est (et a été) en expansion est une chose, mais nous voulons aussi savoir quel est son moteur. Les cosmologistes ont nommé cette composante inconnue de l’Univers « l’énergie noire ». Personne ne sait de quoi elle est faite, ni même s’il s’agit d’une forme d’énergie !

C’est Albert Einstein qui a suggéré en 1917 la meilleure hypothèse de travail. Dans ses calculs, il a introduit la « constante cosmologique », un champ d’énergie constant présent dans tout l’Univers. C’est une propriété intrinsèque du vide de l’espace, donc plus le volume de l’espace est grand, plus « l’énergie du vide » (énergie noire) est présente et plus ses effets sont importants.

Il existe des suggestions alternatives. L’accélération pourrait par exemple être produite par une cinquième force fondamentale de la nature qui évolue avec l’expansion de l’Univers. Contrairement à la constante cosmologique, cette « quintessence » serait dynamique, dépendante du temps et inégalement répartie dans l’espace.

Chaque explication de ce qu’est l’énergie noire modifie subtilement la façon dont l’accélération change à travers le temps cosmique, mais jusqu’à présent, aucune expérience n’a été capable de mesurer l’accélération avec suffisamment de détails pour distinguer entre les solutions possibles. Les mesures extrêmement exactes et précises d’Euclid vont changer cela, révélant, espérons-le, la véritable nature de l’énergie noire.

5. Notre compréhension de la gravité est-elle complète ?

L’existence de la matière noire et l’accélération de l’expansion de l’Univers suggèrent toutes deux qu’il nous manque quelque chose d’important. Ces deux découvertes surprenantes ont un point commun : elles sont liées à la gravité. La gravité est ce qui maintient ensemble les planètes, les étoiles, les systèmes planétaires et même les galaxies. Nous en faisons l’expérience tous les jours : elle garde nos pieds sur Terre et fait tomber les choses vers le bas plutôt que dans toute autre direction.

Notre meilleure théorie pour décrire la gravité est la relativité générale d’Albert Einstein. Elle pose que la gravité n’est pas une force d’attraction littérale, mais plutôt une conséquence d’objets massifs déformant l’espace-temps. Un objet avec une masse déforme l’espace-temps un peu de la façon dont une balle lourde enfoncerait un tapis de trampoline vers le bas ; des balles plus légères placées sur le trampoline seraient automatiquement entrainées vers le milieu.

La relativité générale a également d’autres implications, notamment l’existence de trous noirs et d’ondes gravitationnelles ; le temps passe plus vite ou plus lentement pour différents observateurs en fonction de leur vitesse et de leur accélération relatives ainsi que de la force de l’attraction gravitationnelle qu’ils subissent ; les faisceaux de lumière sont également concernés par la gravité.

Les prédictions de la relativité générale se sont avérées exactes à maintes reprises. Mais aucun test de la théorie n’a été effectué avec une haute précision sur les grandes distances et les temps qu’Euclid couvrira. Euclid pourra ainsi révéler si la relativité générale échoue à une plus grande échelle. Le cas échéant, les physiciens devront tout reprendre à zéro.