Pour mieux comprendre les structures observées dans le cosmos, les scientifiques ont recours à des simulations informatiques qui sont ensuite comparées avec ce qui est vu dans le ciel: chaque simulation a pour but l’étude d’un phénomène en particulier.
A Genève, l’astophysicienne Anne Verhamme et son groupe sont impliqués dans Sphinx, une simulation fort utile pour décrire des galaxies très lointaines.
Un exemple parmi d’autres est le projet IllustrisTNG. Ses calculs sont basés notamment sur les lois de la Nature, l’expansion de l’Univers, l’attraction gravitationnelle de la matière sur elle-même, le mouvement du gaz cosmique, ainsi que la formation des étoiles et des trous noirs.
Ces constituants et processus physiques sont tous modélisés à partir de conditions initiales ressemblant à l’Univers très jeune: de quelques instants après le Big Bang, jusqu’à nos jours. Cela représente plus de 13,8 milliards d’années d’évolution cosmique en trois dimensions.
>> La simulation d’une seule galaxie suivie dans le temps par IllustrisTNG:
Le volume simulé contient des dizaines de milliers de galaxies capturées dans les moindres détails, couvrant une large gamme de masses, de taux de formation d’étoiles, de formes, de tailles, et dont les propriétés correspondent bien à la population de galaxies observée dans l’Univers réel.
Quant à Euclid, il bénéficie de son programme dédié, nommé Flagship Simulation, “la plus grande simulation cosmologique jamais réalisée au monde”, précise Stéphane Paltani. Elle a été effectuée par l’Université de Zurich à Lugano, au très puissant Centre national suisse de calcul scientifique (CSCS): “La grande taille permet de faire des statistiques ou de rechercher les objets rares”, note le cosmologiste. Le professeur de l’Université de Genève et son équipe ont été impliqués dans la conception et la fabrication de VIS, l’un des deux instruments d’Euclid.
>> Une visualisation de la Flagship Simulation d’Euclid:
Le programme a été fait sur mesure en fonction de ce que les scientifiques veulent étudier: “Nous cherchons des structures à grande échelle, ainsi que la présence de matière et d’énergie noires. Dans la simulation, nous avons pu négliger la matière ordinaire: nous nous sommes contentés de ‘peindre’ des galaxies aux endroits de grandes densités de matière noire en respectant les distributions de masse, de couleur, etc., des galaxies observées. Tout cela pour pouvoir faire une simulation de l’Univers en entier, et pas juste une toute petite partie”.
>> Euclid va cartographier le ciel à différentes époques:
>> Regarder le 19h30, “Le télescope spatial Euclid va permettre d’étudier la matière sombre de l’Univers”:
Euclid dressera une carte en trois dimensions de l’Univers, englobant deux milliards de galaxies sur une portion d’un peu plus d’un tiers de la voûte céleste, ce qui est énorme. Il remontera également le temps jusqu’à 10 milliards d’années-lumière. Cette cartographie inédite vise à reconstituer l’Histoire de l’Univers “par tranches de temps”, selon l’astrophysicien Yannick Mellier du consortium Euclid.
>> Un extrait de la Flagship Simulation d’Euclid, de l’Univers local d’aujourd’hui (à gauche) jusqu’à l’époque où il était âgé d’environ 3 milliards d’années (à droite), lorsque les amas de galaxies commençaient à se former:
Les galaxies centrales, peuplant le centre des halos de matière noire, sont en bleu. Les galaxies satellites, dans les halos les plus massifs, dans les pics de densité les plus élevés de la matière noire sous-jacente, sont indiquées en rouge. Le temps s’écoule de droite à gauche sur cette image. [J. Carretero (PIC), P. Tallada (PIC), S. Serrano (ICE) and the Euclid Consortium Cosmological Simulations SWG – Euclid/ESA]
Les observations d’Euclid vont “construire une image des galaxies qui va nous parvenir légèrement déformée par la présence de matière entre nous et ces galaxies observées”, explique Alice Gasparini dans La Matinale. “La matière noire ignore la lumière. On n’a pas de manière de l’observer autrement que par la gravité et l’effet que cette matière a sur l’espace-temps. C’est l’effet de lentille gravitationnelle: la lumière qui nous vient des galaxies observées par le satellite va être affectée par cette déformation de l’espace-temps”. Pour elle, ce qui est important, “c’est que ce satellite va aussi examiner quelle est l’évolution dans le temps de cet effet”.
>> Visualisation de l’espace-temps déformé par un objet massif:
La distribution de la matière évolue en effet en fonction des millions et des milliards d’années. La scientifique précise: “La matière est une forme d’énergie mais, dans l’Univers, il y a aussi une autre forme d’énergie, qui est prépondérante et celle-ci possède un effet opposé à celui de la matière: c’est l’énergie sombre”. Elle serait responsable de l’expansion accélérée de l’Univers. Grâce aux observations d’Euclid, les cosmologistes vont pouvoir faire un tri dans les différentes théories qui expliquent ces phénomènes.
>> Les explications d’Alice Gasparini, docteure en physique théorique et en didactique des sciences, spécialisée en cosmologie:
En cela, Euclid va tester la gravitation qui décrit les mouvements de tous les objets célestes à l’échelle de l’Univers et vérifier s’il n’existe pas une gravitation alternative, dite “modifiée”, qui fonctionne sans énergie sombre.
“La théorie de la relativité générale d’Einstein est celle qui décrit le mieux la gravitation à grande échelle; or les observations indiquent la présence d’un facteur gravitationnel important qui nous manque. On peut résoudre ce problème en disant qu’il y a de la matière qu’on ne voit pas et cela ajoute un élément à l’Univers… c’est une solution ontologique. Mais on peut aussi dire que, en réalité, à très très grande échelle, il existe une théorie qui est ‘plus générale’ que la relativité générale”.
“Physiciennes et physiciens recherchent des particules exotiques qui pourraient constituer la matière noire, alors qu’en mathématique, les physiciens théoriciens travaillent dur sur les équations pour voir s’il existe une théorie plus large qui englobe la théorie d’Einstein”, remarque Carole Mundell, la directrice de la Science à l’Agence spatiale européenne, rencontrée en Floride pour le lancement d’Euclid. “Le cas particulier de la théorie d’Einstein, c’est la gravité newtonienne: pendant 350 ans, les lois de la gravité de Newton étaient celles que nous pensions être les bonnes. Et elles fonctionnent pour notre quotidien. Puis Einstein est arrivé et a dit: ‘Ah, mais si nous allons vers des vitesses ou des masses plus grandes, nous avons une théorie plus large qui englobe Newton’. En physique, on essaie de comprendre s’il existe une théorie plus large dont la théorie de la relativité générale d’Einstein est un cas particulier. Nous repoussons donc toujours ces frontières théoriquement, technologiquement et scientifiquement”, souligne-t-elle dans Tout un Monde.
>> Ecouter Tout un Monde sur la mission Euclid:
Tout ce que nous savons vient en effet de la théorie générale de la relativité qu’Albert Einstein a élaborée en 1915: elle décrit la manière dont la matière et l’énergie modifient la géométrie de l’espace-temps. Son équation montre que la gravité n’est pas une force qui s’exerce entre deux corps – c’est la définition traditionnelle de la gravitation selon Newton –, mais qu’elle se manifeste à travers la courbure de l’espace-temps. Une courbure qui est en fait le champ gravitationnel de l’objet massif qui le génère.
Les prédictions d’Einstein se sont révélées correctes grâce aux expériences: oui, l’Univers est bel et bien en expansion, les trous noirs existent, tout comme les ondes gravitationnelles qui se propagent dans l’espace-temps. Ça, ce sont les trois piliers prouvés de la relativité générale. Euclid va permettre de faire le tri dans les théories actuelles grâce à sa carte du ciel extragalactique.
>> E=MC2, une vraie révolution en physique:
La célèbre équation “E=MC2” – l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré – apparaît sur un manuscrit rédigé par Albert Einstein en 1912. Ce manuscrit de travail autographe de 72 pages est le premier dans lequel le physicien a exposé sa théorie de la relativité. [AP Photo/Sotheby’s – Keystone]
“En allant dans l’espace, il est possible d’améliorer ce que nous pouvons faire au sol grâce à l’extrême stabilité de la qualité d’image que nous obtiendrons de ces milliards de galaxies. Il ne s’agit pas seulement de l’expérience elle-même, qui sondera notre histoire cosmique, soit plus de 70% de l’âge de l’Univers… ce qui est en soi époustouflant pour moi”, se réjouit Gaitee Hussain, la cheffe de la division scientifique de l’ESA. “Mais il y a aussi beaucoup de science auxiliaire, supplémentaire, qui en résultera parce que les scientifiques sont extrêmement inventifs. Nous trouverons toutes sortes de galaxies exotiques, d’amas de galaxies, et il y aura beaucoup d’autres découvertes scientifiques que nous ne pouvons même pas envisager aujourd’hui”, prédit celle qui a aussi fait le voyage à Cap Canaveral.
>> Regarder le 19h30 avec la professeure Camille Bonvin (UNIGE), “Les découvertes sur la matière sombre vont offrir un nouveau regard sur l’Univers”:
“Ce qui ne devient possible que maintenant, c’est d’étudier les propriétés de l’Univers sur de très grandes échelles”, remarque le professeur Martin Kunz (UNIGE), le coordinateur de la Suisse pour Euclid. “En cosmologie, on part toujours d’un modèle et le modèle standard dit que l’Univers est assez précisément isotrope et homogène, donc pareil partout et dans toutes les directions. Mais évidemment, il faut aussi vérifier ça”, précise-t-il en regardant en direction des pas de tirs de Merritt Island. Il se réjouit de la précision d’Euclid, qui va pouvoir caractériser l’Univers de manière bien plus fine que tout ce qui a été réalisé jusqu’à présent, avec une qualité proche de celle du télescope Hubble: “Un trésor de données dans lequel les astronomes vont pouvoir creuser encore pendant des décennies et trouver des choses incroyablement excitantes!”
>> Les explications du professeur Martin Kunz (UNIGE), spécialiste en cosmologie théorique et responsable pour la Suisse d’Euclid:
