Les composants de l’Univers
Première image de l’univers profond par le télescope spatial JWST – © NASA
La composition fondamentale de l’univers
L’ensemble de l’univers observable (noté « Univers »), c’est à dire celui qui nous est théoriquement accessible par l’observation et la mesure, est composé de trois éléments essentiels :
– la « matière visible », celle que nous appréhendons en permanence par nos sens. Celle que nous pouvons voir et toucher. Comme nous l’avons vu dans le Modèle Standard (voir la page Fondamentaux / Atomes et particules) celle-ci est structurée sur la base de particules élémentaires qui peuvent s’assembler en atomes et en molécules. Leurs caractéristiques, leurs interactions et leurs comportements sont décrits par la Mécanique Quantique. C’est cette matière visible qui compose les gaz, les minéraux, les végétaux, les animaux, les êtres humains, mais aussi les comètes, les astéroïdes, les planètes, les étoiles, les galaxies et autres structures géantes du cosmos. Mais cette matière usuelle, celle que nous connaissons le mieux, ne représente qu’environ 5% de la matière/énergie de l’ensemble de notre Univers.
– la « matière noire » (voir la page La matière noire). Cette matière est à ce jour hypothétique. Elle n’a pas encore été observée directement mais permettrait d’expliquer certains phénomènes mesurés récemment, comme la répartition des vitesses de rotation des étoiles dans les galaxies; vitesses dont la physique classique ne saurait rendre compte à elle seule. Bien qu’interagissant faiblement avec la matière visible, elle agirait comme un « ciment cosmique » responsable de la cohésion de l’Univers. Les scientifiques estiment qu’elle serait près de 7 fois plus abondante que la matière visible, représentant environ 27% de l’énergie totale de l’Univers.
– « l’énergie sombre » (appelée parfois « énergie noire »). Il s’agit également d’un élément encore théorique et qui fait l’objet de nombreuses études. Son existence est fortement envisagée par les scientifiques comme élément de réponse à l’énigme de l’expansion rapide de l’univers (voir les pages La tension de Hubble , Le destin de l’univers et L’énergie sombre) . Les lois de la physique classique et de la Relativité Générale ne sont en effet pas en cohérence avec cette vitesse d’expansion observée, et confirmée, par les tout derniers télescopes spatiaux. Cette énergie sombre se présenterait donc comme une sorte « d’anti-gravité ». Bien que de densité faible, elle représenterait la majorité de l’énergie contenue dans l’univers (environ 68%), imprégnant chaque coin du cosmos et dictant son comportement et sa fin éventuelle.
Ces trois types de masse / énergie façonnent la structure de l’univers à travers différents « objets cosmiques » qui interagissent entre eux, dans toutes les dimensions du cosmos.
Répartition de la masse / énergie dans l’univers
Pour plus de détails, voir égalemement les pages suiavantes :
La structure de l’univers
Structure de l’Univers : des planètes aux superamas de galaxies – © cosmiclight.us-NASA
L’univers observable s’est structuré et a évolué à partir d’un « point » singulier de l’espace-temps appelé le Big Bang (voir la page Du Big Bang à nos jours) et qui s’est déroulé il y a 13,77 milliards d’années.
A partir de ce « point », selon la théorie standard de la cosmologie, l’espace-temps (voir la page Distances et temps) connaît une étape de dilatation très violente et très brève (10-33 secondes). Cette phase primordiale est appelée « inflation ». « L’Univers » initialement extrêmement chaud et dense, à l’état de plasma, dans lequel les particules élémentaires se forment, va ensuite considérablement ralentir (mais poursuivre) son l’expansion, sa température et sa densité diminuant en conséquence. Durant les 380 000 ans qui suivent le Big Bang, le gaz qui constitue l’Univers, encore chaud et ionisé, piège la lumière. Sa température passe sous les 3 000 degrés Kelvin, permettant aux électrons, aux protons et aux neutrons de s’associer pour former les premiers atomes. Ce gaz refroidi et électriquement neutre devient alors « transparent » en libérant les photons qui vont ensuite parcourir tout l’espace, et ce jusqu’à nos jours. Ce moment particulier de la vie de notre univers à été capturé par les satellites Cobe, WMAP et Planck. Ce rayonnement initial, première trace lumineuse de l’univers qui nous entoure, est appelé le « fond diffus cosmologique » (ou « CMB »: Cosmic Microwave Background). L’analyse de ce rayonnement fait apparaître des variations de température infinitésimales, traduisant la présence de zones plus ou moins denses en matière au sein du tout jeune univers. Ce sont ces graines élémentaires qui donneront naissance aux différents « objets » et structures que nous observons aujourd’hui dans les cosmos: les planètes, les étoiles, les galaxies, les amas et superamas et autres objets insolites que nous découvrirons ci-dessous et dans les pages suivantes.
Pour plus de détails, voir également la page suivante :
Les objets du cosmos
Le système solaire
Le système solaire
Il y a environ 4,6 milliards d’années, un nuage géant de gaz et de poussières s’est contracté sous l’effet de sa propre gravité. Au centre de ce nuage, la matière s’est densifiée pour former le Soleil, tandis que les matériaux plus légers se sont concentrés dans un disque protoplanétaire. Par accrétion, ces matériaux se sont agglomérés pour former les planètes, les lunes et tous les autres corps célestes que nous connaissons. Les planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars) se sont formées près du Soleil, dans une zone chaude où les éléments légers se sont évaporés, laissant place à des roches et des métaux. Plus loin, dans une zone plus froide, les planètes géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) se sont constituées, capturant d’importantes quantités de gaz. Depuis lors notre Système solaire a continué d’évoluer, influencé par les interactions gravitationnelles entre ses différents membres.
Les exoplanètes
Exoplanète HD 188753 Ab (vue d’artiste) – © NASA
Depuis la découverte de la première exoplanète dans les années 1990, les astronomes ont détecté des milliers de ces mondes extraterrestres, révélant une multitude de tailles, de masses et d’orbites. Grâce à des télescopes spatiaux de plus en plus performants, les scientifiques peuvent désormais étudier leurs atmosphères et rechercher d’éventuelles traces de vie. Les exoplanètes rocheuses situées dans la zone habitable de leur étoile, où l’eau liquide pourrait exister, sont particulièrement intéressantes. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens. Comment se forment les exoplanètes ? Sont-elles nombreuses à abriter de la vie ? Les prochaines missions spatiales et les avancées technologiques devraient nous permettre de répondre à ces questions et d’en apprendre davantage sur notre place dans l’univers.
Les étoiles
Le Soleil – © NASA
Les étoiles sont d’immenses réacteurs nucléaires à la base de tout ce qui nous entoure. Nées de l’effondrement gravitationnel de nuages de gaz et de poussière, elles fusionnent l’hydrogène en hélium dans leur cœur, libérant ainsi d’énormes quantités d’énergie sous forme de lumière et de chaleur. Leur cycle de vie dépend de leur masse : les étoiles les plus massives brûlent leur carburant plus rapidement et explosent en supernovæ, tandis que les étoiles moins massives s’éteignent lentement en naines blanches. Les étoiles se regroupent en galaxies, formant des structures complexes et hiérarchisées. Grâce aux télescopes modernes, les astronomes peuvent étudier les étoiles à différentes longueurs d’onde et ainsi mieux comprendre leur formation, leur évolution et leur rôle dans l’Univers. La classification stellaire, basée sur leur température et leur luminosité, permet de les répartir en différents types, de la naine rouge à la supergéante bleue.
Les trous noirs
Trou noir supermassif – © futura-sciences
Les trous noirs, ces monstres cosmiques, fascinent autant qu’ils effraient. Nés de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives en fin de vie ou peut-être même d’amas d’étoiles entiers, les trous noirs sont des objets célestes si denses que leur champ gravitationnel emprisonne tout ce qui s’en approche, même la lumière. Leur fonctionnement est régi par la théorie de la Relativité Générale d’Einstein (voir la page Mouvements et gravitation). On distingue plusieurs types de trous noirs : stellaires, supermassifs et de masse intermédiaire. Les premiers se forment à partir d’étoiles massives, tandis que les seconds résident au cœur de la plupart des galaxies. Leur répartition dans l’Univers est encore mal connue, mais les observations suggèrent qu’ils sont plus nombreux qu’on ne le pensait auparavant. Bien que mystérieux, les trous noirs sont au cœur de nombreux phénomènes astrophysiques, comme les quasars ou les sursauts gamma. Grâce aux avancées technologiques, nous en apprenons chaque jour davantage sur ces objets fascinants, qui nous aident à mieux comprendre l’Univers.
Les galaxies
Galaxie Andromède – © NASA
Les galaxies, ces îles cosmiques, sont des assemblages gigantesques d’étoiles, de gaz, de poussière et de matière noire. Leur origine remonte aux premières époques de l’Univers, lorsque de petites fluctuations de densité dans un cosmos primordial ont donné naissance à des structures de plus en plus grandes. Les galaxies évoluent au fil du temps, en fusionnant entre elles ou en formant de nouvelles étoiles à partir du gaz qu’elles contiennent. On distingue trois types principaux de galaxies : elliptiques, spirales et irrégulières. Les galaxies ne sont pas réparties de manière uniforme dans l’univers, mais forment des amas et des superamas, séparés par de vastes régions « vides ». Grâce aux télescopes modernes, nous pouvons observer des galaxies très lointaines et ainsi remonter aux premières époques de l’Univers.
L’espace interstellaire
Espace interstellaire – Nébuleuse Les piliers de la création – © NASA
Entre les étoiles, au sein des galaxies, s’étend un vaste espace rempli de matière et d’énergie : le milieu interstellaire. Loin d’être un vide absolu, il est composé d’un mélange ténu de gaz (principalement d’hydrogène et d’hélium), de poussières et de champs magnétiques. Ces composants interagissent continuellement, donnant naissance à des phénomènes variés comme la formation d’étoiles, les nébuleuses et les vents stellaires. Les nuages moléculaires denses sont par exemple des lieux de naissance des étoiles.
Le milieu interstellaire est un composant dynamique et essentiel des galaxies. Il joue un rôle primordial dans le cycle de vie des étoiles et la formation des planètes.
Le milieu intergalactique
Espace intergalactique – Rayonnement X autour de la galaxie M82 – © NASA
Au-delà des galaxies, s’étend le milieu intergalactique, beaucoup plus ténu et homogène que le milieu interstellaire. Il est principalement constitué de gaz ionisé très chaud, essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium, ainsi que de faibles quantités de métaux. Il est également traversé de rayonnements cosmiques, et de particules de haute énergie. Cet espace intergalactique est baigné dans un rayonnement fossile, vestige du Big Bang, qui nous renseigne sur les premiers instants de l’Univers. Les interactions au sein de cet espace sont dominées par la gravitation qui façonne la distribution des galaxies et des amas de galaxies. Mais l‘énergie sombre, dont l’existence et la caractérisation font l’objet de nombreuses études (voir la page L’énergie sombre), et qui agit comme une « anti-gravitaion », est également peut-être une composante essentielle de cet espace intergalactique.
Les grandes structures de l’univers
Filaments galactiques (simulation) – © Max Planck Institute
Les galaxies ne sont pas réparties au hasard dans l’univers. Elles se regroupent en amas et en superamas, formant une sorte de « toile cosmique ». Ces vastes structures, dont les dimensions atteignent des centaines de millions d’années-lumière, sont liées par la gravitation. La matière noire, une composante invisible de l’univers, joue un rôle crucial dans la formation et l’évolution de ces structures. Elle forme des halos autour des galaxies et des amas, amplifiant leur attraction gravitationnelle. Les observations des grandes structures cosmiques nous permettent de mieux comprendre l’histoire de l’univers et les mécanismes à l’œuvre à très grande échelle. Les futures missions spatiales et les télescopes géants devraient permettre aux astrophysiciens de cartographier encore plus précisément cette toile cosmique et de percer les mystères de la matière noire et de l’énergie sombre.
Δ Ψ Pour aller plus loin…
- « Cosmos » de Carl Sagan : Un classique de la vulgarisation scientifique qui a marqué des générations de lecteurs.
- Site ADS (Astrophysics Data System): Cette base de données de la NASA vous permet de rechercher des articles dans de nombreuses revues d’astronomie et d’astrophysique. https://ui.adsabs.harvard.edu/
- Site arXiv: Ce site héberge des articles scientifiques avant leur publication dans des revues. Vous pouvez y trouver des articles très récents sur l’espace intergalactique. https://arxiv.org/archive/astro-ph