WFIRST aidera à découvrir le destin de l'univers

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Les scientifiques ont découvert qu'une mystérieuse pression appelée "énergie noire" représente environ 68% de la quantité totale d'énergie contenue dans le cosmos, mais jusqu'à présent, nous n'en savons pas beaucoup plus.

L’exploration de la nature de l’énergie noire est l’une des principales raisons pour lesquelles la NASA a construit le télescope géodésique à infrarouge à champ large (WFIRST), un télescope spatial dont les mesures aideront à éclairer le puzzle de l’énergie sombre. Avec une meilleure compréhension de l'énergie noire, nous aurons un meilleur sens du passé et de l'évolution future de l'univers.

Un cosmos en expansion

Jusqu'au 20ème siècle, la plupart des gens croyaient que l'univers était statique et restait essentiellement inchangé pendant toute l'éternité. Quand Einstein développa sa théorie de la relativité générale en 1915, décrivant comment la gravité agissait dans le tissu de l'espace-temps, il fut surpris de constater que cette théorie indiquait que le cosmos devait soit s'agrandir soit se contracter. Il a apporté des modifications pour préserver un univers statique, ajoutant quelque chose qu'il a appelé la "constante cosmologique", même s'il n'y avait aucune preuve de sa réalité. Cette force mystérieuse était censée contrecarrer la pesanteur pour tout maintenir en place.

Cependant, alors que les années 1920 touchaient à leur fin, l’astronome Georges Lemaitre, puis Edwin Hubble, ont fait la surprenante découverte que, à de très rares exceptions près, les galaxies se disputaient. L'univers était loin d'être statique – il était en train de gonfler. Par conséquent, si nous imaginons de rembobiner cette expansion, il devait y avoir eu une période où tout dans l’univers était presque incroyablement chaud et rapproché.

La fin de l'univers: feu ou glace?

La théorie du Big Bang décrit l'expansion et l'évolution de l'univers à partir de cet état initial superhot, superdense. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que la gravité finirait par ralentir et même éventuellement inverser complètement cette expansion. Si l'univers contenait suffisamment de matière, la gravité l'emporterait sur l'expansion et l'univers s'effondrerait dans un «Big Crunch» enflammé.

Sinon, l'expansion ne finirait jamais – les galaxies grandiraient de plus en plus loin jusqu'à dépasser le bord de l'univers observable. Nos lointains descendants pourraient ne pas avoir connaissance de l'existence d'autres galaxies car elles seraient trop éloignées pour être visibles. Une grande partie de l'astronomie moderne pourrait un jour être réduite à une simple légende, alors que l'univers s'estompe progressivement en un noir glacial.

L'univers ne fait pas que grandir – il accélère

Les astronomes ont mesuré le taux d'expansion en utilisant des télescopes au sol pour étudier les explosions de supernova relativement proches. Le mystère s’est intensifié en 1998 lorsque les observations de supernovae plus lointaines au télescope spatial Hubble ont permis de montrer que l’univers s’était en réalité développé plus lentement dans le passé qu’aujourd’hui. L'expansion de l'univers ne ralentit pas à cause de la gravité, comme le pensait tout le monde. Ça accélère.

Avance rapide à aujourd'hui. Bien que nous ne sachions toujours pas ce qui cause l'accélération, on lui a donné un nom: l'énergie noire. Cette pression mystérieuse est restée inconnue pendant si longtemps, car elle est si faible que la gravité la domine à l'échelle humaine, des planètes et même de la galaxie. Il est présent dans la pièce avec vous pendant que vous lisez, dans votre corps même, mais la gravité le neutralise pour que vous ne voliez pas hors de votre siège. Ce n'est qu'à une échelle intergalactique que l'énergie sombre devient perceptible, agissant comme une sorte de faible opposition à la gravité.

Qu'est-ce que l'énergie noire?

Qu'est-ce que l'énergie noire? On en sait plus que ce que l'on sait, mais les théoriciens recherchent plusieurs explications possibles. L'accélération cosmique pourrait être causée par une nouvelle composante énergétique, ce qui nécessiterait quelques ajustements de la théorie de la gravité d'Einstein – peut-être que la constante cosmologique, qu'Einstein appelait sa plus grande erreur, est réelle après tout.

Alternativement, la théorie de la gravité d'Einstein peut s'effondrer à l'échelle cosmologique. Si tel est le cas, la théorie devra être remplacée par une nouvelle intégrant l'accélération cosmique observée. Les théoriciens ne savent toujours pas quelle est la bonne explication, mais WFIRST nous aidera à le découvrir.

WFIRST illuminera l'énergie noire

Les missions précédentes ont rassemblé des indices, mais jusqu'à présent, elles n'ont pas donné de résultats qui favorisent fortement une explication par rapport à une autre. Avec la même résolution que les appareils photo de Hubble, mais avec un champ de vision 100 fois plus grand, WFIRST générera de grandes images de l'univers jamais vues auparavant. La nouvelle mission fera progresser l'exploration du mystère de l'énergie noire d'une manière que les autres télescopes ne peuvent pas faire en cartographiant la structure et la répartition de la matière dans le cosmos et en mesurant un grand nombre de supernovae lointaines. Les résultats indiqueront comment l’énergie sombre agit dans l’univers et si et comment elle a changé au cours de l’histoire cosmique.

La mission utilisera trois méthodes d’enquête pour rechercher une explication de l’énergie noire. Le levé spectroscopique à haute latitude mesurera les distances et les positions précises de millions de galaxies à l’aide d’une technique de «règle standard». Mesurer comment la distribution des galaxies varie avec la distance nous donnera une fenêtre sur l'évolution de l'énergie noire au fil du temps. Cette étude reliera les distances des galaxies aux échos des ondes sonores juste après le Big Bang et testera la théorie de la gravité d'Einstein sur l'âge de l'univers.

L'enquête d'imagerie à haute latitude permettra de mesurer les formes et les distances de multitudes de galaxies et d'amas de galaxies. L'immense gravité d'objets massifs déforme l'espace-temps et donne l'impression que des galaxies plus lointaines sont déformées. L’observation du degré de distorsion permet aux scientifiques de déduire la répartition de la masse dans le cosmos. Cela inclut toute la matière que nous pouvons voir directement, comme les planètes et les étoiles, ainsi que la matière noire – un autre mystère cosmique noir qui n'est visible que par ses effets gravitationnels sur la matière normale. Cette enquête fournira une mesure indépendante de la croissance de la structure à grande échelle dans l'univers et de la façon dont l'énergie noire a affecté le cosmos.

WFIRST mènera également une enquête sur un type d’étoile explosive, en s’appuyant sur les observations qui ont conduit à la découverte d’une expansion accélérée. Les supernovae de type Ia se produisent lorsqu'une étoile naine blanche explose. Les supernovae de type Ia ont généralement la même luminosité absolue à leur maximum, ce qui en fait des "bougies standards". Cela signifie que les astronomes peuvent déterminer à quelle distance ils se trouvent en observant leur éclat de la Terre – et plus ils sont lointains, plus leur intensité diminue. Les astronomes examineront également les longueurs d'onde particulières de la lumière des supernovae pour déterminer à quelle vitesse les étoiles mourantes s'éloignent de nous. En combinant les distances et les mesures de luminosité, les scientifiques verront comment l’énergie noire a évolué au fil du temps, ce qui permettra de vérifier les résultats de deux enquêtes sous haute latitude.

"La mission WFIRST combine ces trois méthodes de manière unique. Elle conduira à une interprétation très robuste et riche des effets de l'énergie noire et nous permettra de faire une déclaration précise sur la nature de l'énergie noire", a déclaré Olivier Doré, un chercheur au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, et responsable de l'équipe chargée de planifier les deux premières méthodes d'enquête avec WFIRST.

Découvrir comment l'énergie noire a affecté l'expansion de l'univers dans le passé permettra de mieux comprendre comment elle influencera l'expansion à l'avenir. Si cela continue d'accélérer l'expansion de l'univers, nous pourrions être voués à vivre une "grande déchirure". Dans ce scénario, l'énergie noire deviendrait finalement dominante sur les forces fondamentales, entraînant la destruction de tout ce qui est actuellement lié – galaxies, planètes, hommes. L’exploration de l’énergie noire nous permettra d’étudier et même de prévoir le destin de l’univers.

Pour plus d'informations sur WFIRST, visitez: www.nasa.gov/wfirst

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