Notre univers est incroyablement vaste, pour la plupart mystérieux et généralement déroutant. Nous sommes entourés de questions déroutantes sur des échelles à la fois grandes et petites. Nous avons certainement des réponses, comme le modèle standard de la physique des particules, qui nous aident (au moins les physiciens) à comprendre les interactions subatomiques fondamentales, et la théorie du Big Bang sur la façon dont l'univers a commencé, qui tisse une histoire cosmique dans le passé 13,8 milliards d'années.
Mais malgré les succès de ces modèles, nous avons encore beaucoup de travail à faire. Par exemple, qu'est-ce que l'énergie noire dans le monde, le nom que nous donnons à la force motrice derrière l'expansion accélérée observée de l'univers? Et à l'autre extrémité de l'échelle, que sont exactement les neutrinos, ces petites particules fantomatiques qui se faufilent et zooment à travers le cosmos sans presque interagir avec quoi que ce soit?
À première vue, ces deux questions semblent si radicalement différentes en termes d'échelle et de nature et, bien, tout ce que nous pouvons supposer que nous devons y répondre.
Mais il se pourrait qu'une seule expérience puisse révéler des réponses aux deux. Un télescope de l'Agence spatiale européenne devrait cartographier l'univers sombre - remontant aussi loin dans le temps, quelque 10 milliards d'années, lorsque l'on pense que l'énergie sombre faisait rage. Creusons.
Allez grand et rentrez chez vous
Pour creuser, nous devons lever les yeux. En haut. À des échelles beaucoup, beaucoup plus grandes que les galaxies (nous parlons ici de milliards d'années-lumière, les gens), où notre univers ressemble à une vaste toile d'araignée rougeoyante. Sauf que cette toile d'araignée n'est pas faite de soie, mais de galaxies. Vrilles longues et minces de galaxies reliant des nœuds denses et touffus. Ces nœuds sont les amas, les villes animées de galaxies et de gaz chauds et riches - d'énormes murs larges de milliers et de milliers de galaxies. Et entre ces structures, occupant la majeure partie du volume de l'univers, se trouvent les grands vides cosmiques, des déserts célestes remplis de peu de choses du tout.
C'est ce qu'on appelle le Web cosmique, et c'est la plus grande chose dans l'univers.
Ce réseau cosmique a été lentement construit au cours de milliards d'années par la force la plus faible de la nature: la gravité. Il y a bien longtemps, quand l'univers n'était que la plus petite fraction de sa taille actuelle, il était presque parfaitement uniforme. Mais le «presque» est important ici: il y avait de minuscules variations de densité d'un endroit à l'autre, certains coins de l'univers étant un peu plus encombrés que la moyenne et d'autres un peu moins.
Avec le temps, la gravité peut faire des choses incroyables. Dans le cas de notre réseau cosmique, ces régions denses légèrement plus élevées que la moyenne avaient une gravité un peu plus forte, attirant leur environnement vers elles, ce qui rendait ces touffes encore plus attrayantes, qui attiraient plus de voisins, et ainsi de suite et bientôt.
Avancez rapidement ce processus d'un milliard d'années et vous avez développé votre propre toile cosmique.
Une recette universelle
C'est l'image générale: pour créer un réseau cosmique, vous avez besoin de "trucs" et de gravité. Mais là où ça devient vraiment intéressant, c'est dans les détails, en particulier dans les détails.
Différents types de matière se regrouperont et formeront des structures différemment. Certains types de matière peuvent s'emmêler sur eux-mêmes ou doivent éliminer l'excès de chaleur avant de pouvoir se figer, tandis que d'autres peuvent facilement rejoindre le groupe le plus proche. Certains types de matière se déplacent assez lentement pour que la gravité puisse faire son travail efficacement, tandis que d'autres types de matière sont si rapides et agiles que la gravité peut à peine mettre la main sur elle.
En bref, si vous changez les ingrédients de l'univers, vous obtenez des toiles cosmiques d'apparence différente. Dans un scénario, il pourrait y avoir des amas plus riches et moins de vides vides par rapport à un autre scénario, dans lequel les vides dominent totalement au début de l'histoire du cosmos, sans aucun amas se formant du tout.
Un ingrédient particulièrement intrigant est le neutrino, la particule fantomatique susmentionnée. Étant donné que le neutrino est si léger, il se déplace à presque la vitesse de la lumière. Cela a pour effet de "lisser" les structures de l'univers: la gravité ne peut tout simplement pas faire son travail et tirer les neutrinos en petites boules compactes. Donc, si vous ajoutez trop de neutrinos à l'univers, des choses comme des galaxies entières finissent par ne pas pouvoir se former dans le premier univers.
Petits problèmes, grandes solutions
Cela signifie que nous pouvons utiliser le Web cosmique lui-même comme un gigantesque laboratoire de physique pour étudier les neutrinos. En examinant la structure du Web et en le décomposant en ses différentes parties (grappes, vides, etc.), nous pouvons obtenir une prise en main étonnamment directe des neutrinos.
Il n'y a qu'un seul problème insignifiant: les neutrinos ne sont pas le seul ingrédient de l'univers. Un facteur de confusion majeur est la présence d'énergie sombre, la force mystérieuse qui déchire notre univers. Et comme vous vous en doutez, cela affecte le web cosmique de manière majeure. Après tout, c'est un peu difficile de construire de grandes structures dans un univers en expansion rapide. Et si vous ne regardez qu'une partie du réseau cosmique (disons, par exemple, les amas de galaxies), alors vous pourriez ne pas avoir suffisamment d'informations pour faire la différence entre les effets des neutrinos et les effets de l'énergie sombre - les deux empêchant l'agglutination de " des trucs."
Dans un récent article publié en ligne dans la revue préimprimée arXiv, les astronomes ont expliqué comment les prochaines enquêtes sur les galaxies, comme la mission Euclid de l'Agence spatiale européenne, aideront à découvrir les propriétés des neutrinos et de l'énergie sombre. Le satellite Euclide cartographiera les emplacements de millions de galaxies, dressant un portrait très large du Web cosmique. Et à l'intérieur de cette structure se trouvent des indices sur l'histoire de notre univers, un passé qui dépend de ses ingrédients, comme les neutrinos et l'énergie sombre.
En regardant une combinaison des endroits les plus denses et les plus occupés de l'univers (les amas de galaxies) et les endroits les plus solitaires et les plus vides du cosmos (les vides), nous pourrions obtenir des réponses à la fois à la nature de l'énergie sombre (qui annoncera une époque de nouvelles connaissances en physique) et la nature des neutrinos (qui feront exactement la même chose). Nous pourrions apprendre, par exemple, que l'énergie noire s'aggrave ou s'améliore, ou peut-être même être la même. Et nous pourrions apprendre à quel point les neutrinos sont massifs ou combien d'entre eux flottent dans l'univers. Mais quoi qu'il en soit, il est difficile de dire ce que nous obtiendrons jusqu'à ce que nous regardions réellement.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.
