Chapitre 10 : Comment les galaxies ont grandi

Nuit 110 : Une leçon avec des gouttes d’eau

Le cent dixième jour était un samedi selon l’horloge de la station. En orbite, les week-ends ne sont pas complètement libres, parce que certaines tâches ne s’arrêtent jamais, mais ils sont plus légers. Le matin, l’équipage fit le ménage de la station ensemble. Ils essuyèrent les surfaces, changèrent des filtres à air et passèrent l’aspirateur sur les grilles où s’accumulent la poussière, les miettes et les petits objets perdus, entraînés là par le mouvement de l’air. Ade trouva une vis que quelqu’un avait perdue des semaines plus tôt, et Tomás la proclama trouvaille du jour.

Les week-ends apportent aussi un peu de temps à soi. Tomás passa une heure avec sa musique, à jouer doucement pour lui-même, son casque sur les oreilles. Ade lisait un livre sur sa tablette, les pieds coincés sous une barre. Chacun d’eux avait un appel privé avec sa famille prévu pour le soir. Une station spatiale est un lieu de travail, mais un samedi, elle devient, pendant quelques heures, quelque chose de plus proche d’un foyer.

L’après-midi, Noor avait une tâche qu’elle attendait avec plaisir. Le sol lui avait demandé de filmer une courte leçon pour des écoles. Des enfants avaient envoyé des questions sur la vie à bord de la station, et certaines portaient sur l’eau. Que devient l’eau quand rien ne la tire vers le bas ? Est-ce qu’elle coule ? Est-ce qu’elle éclabousse ? Est-ce qu’elle tombe ?

Noor installa une caméra dans un coin tranquille et fit sortir un peu d’eau d’une poche à boire. L’eau ne coula pas. Elle sortit sous la forme d’une masse tremblotante puis, lentement, se rassembla en une boule presque parfaite, flottant dans l’air devant elle. Elle la toucha doucement avec une paille, et la boule frissonna tout entière avant de redevenir ronde. Elle ajouta une deuxième goutte, plus petite, et quand les deux se touchèrent, elles se réunirent aussitôt en une seule boule plus grosse.

Elle expliqua devant la caméra que l’eau se tire sur elle-même. À sa surface, l’eau tire toujours vers l’intérieur, un peu comme une peau tendue. Sur Terre, la gravité est plus forte que cette attraction, si bien que l’eau s’étale en flaque ou descend les pentes. Sur la station, en apesanteur, c’est l’attraction propre de l’eau qui l’emporte, et la forme qui contient le plus d’eau avec la plus petite surface est une boule. À la fin, elle rattrapa soigneusement les gouttes avec une serviette, car de l’eau libre près d’un équipement électrique représente un vrai risque.

Ce soir-là, elle envoya à Sami un court extrait du film. Il répondit que sa fille, qui avait sept ans, l’avait regardé trois fois et voulait maintenant devenir astronaute, ou peut-être goutte d’eau. Puis il posa une question qui lui trottait dans la tête depuis la leçon. Si de petites gouttes se réunissent en plus grosses, est-ce aussi comme ça que les galaxies se sont formées ? Noor y réfléchit. D’une certaine façon, oui, écrivit-elle. Mais la force qui rassemble les galaxies n’est pas l’attraction d’une surface d’eau. C’est la gravité. Et une partie vient de quelque chose que personne ne peut voir.

Des rides à une toile

Lors de la nuit précédente, nous avons vu les premières étoiles s’allumer dans l’obscurité. Elles se sont formées dans des amas de gaz, aux endroits où l’Univers jeune était un peu plus dense que la moyenne. L’histoire de ce soir parle de la suite : comment ces premiers petits amas ont grandi, se sont réunis et sont devenus les galaxies qui remplissent l’Univers aujourd’hui, dont la Voie lactée, notre propre galaxie.

L’histoire commence avec les minuscules rides que nous avons vues dans la plus ancienne lumière, des différences d’environ une partie sur 100 000. La gravité a transformé ces petites différences en grandes. Un endroit un peu plus dense attire un peu plus fort, rassemble davantage de matière et devient plus dense encore. Au fil de centaines de millions, puis de milliards d’années, les rides sont devenues des amas, et les amas sont devenus des structures plus grandes.

Il y a une raison pour laquelle la gravité, parmi toutes les forces de la nature, a pu accomplir ce travail. Dans la vie de tous les jours, la gravité est très faible. Un petit aimant peut soulever un trombone malgré l’attraction de la Terre entière. Mais la gravité a une qualité particulière : elle ne fait qu’attirer, jamais repousser, et ses effets s’additionnent. Les charges électriques sont de deux sortes, positives et négatives, et dans de grandes quantités de matière, elles s’annulent pour la plupart. La gravité ne s’annule jamais. Sur les immenses distances et les longues durées de l’Univers, elle devient la force qui façonne tout.

Quand les astronomes cartographient l’emplacement des galaxies aujourd’hui, ils voient une disposition remarquable. Les galaxies ne sont pas dispersées uniformément, comme du sucre saupoudré sur une table. Elles sont disposées en longs filaments et en minces parois, séparés par d’immenses régions presque vides. Là où les filaments se rejoignent se trouvent des groupes et des amas de galaxies très peuplés, dont certains contiennent des centaines ou des milliers de galaxies. Les astronomes appellent cette disposition la toile cosmique.

Si vous avez déjà vu une toile d’araignée couverte de rosée du matin, ou la mousse d’une tasse de café quand les bulles se sont serrées les unes contre les autres, vous avez vu quelque chose qui y ressemble : des bords fins et des jonctions, séparés par des espaces ouverts. La toile cosmique est bien sûr infiniment plus grande. Une seule de ses régions vides peut mesurer des centaines de millions d’années-lumière. Mais l’idée est la même. La matière s’est rassemblée le long de lignes et aux points de rencontre, et elle s’est retirée des espaces intermédiaires.

Les modèles informatiques de l’Univers, qui partent des rides mesurées dans la plus ancienne lumière puis suivent la gravité vers l’avant sur des milliards d’années, produisent une toile qui ressemble beaucoup à la vraie. Cet accord est l’une des raisons pour lesquelles les astronomes pensent comprendre les grandes lignes de la croissance de la structure de l’Univers. Mais les modèles ne fonctionnent bien que s’ils comprennent un ingrédient très important, quelque chose que personne n’a jamais vu directement.

Ceux qui ont remarqué qu’il manquait quelque chose

Le premier indice vint en 1933, d’un astronome nommé Fritz Zwicky. Il étudiait un grand amas de galaxies situé dans la constellation de la Chevelure de Bérénice. Il mesura à quelle vitesse se déplaçaient les galaxies de l’amas. Dans un amas, les galaxies tournent les unes autour des autres, retenues par leur gravité commune, comme des gens qui circulent dans une pièce bondée sans jamais tout à fait la quitter. Plus elles vont vite, plus il faut de gravité pour les retenir ensemble.

Zwicky constata que les galaxies allaient beaucoup trop vite. Si l’amas ne contenait que la matière que les astronomes pouvaient voir, sous forme d’étoiles brillantes, il aurait dû se disperser depuis longtemps. Pourtant, il était bien là. Quelque chose devait ajouter beaucoup de gravité supplémentaire. Zwicky parla de « matière noire », une matière qui ne brille pas mais qui attire. Beaucoup d’astronomes de l’époque ne furent pas convaincus. Les mesures étaient difficiles, et il était possible qu’on ait négligé quelque chose. L’idée resta en attente.

Des décennies plus tard, dans les années 1970, l’astronome Vera Rubin étudia la façon dont les étoiles et le gaz se déplacent à l’intérieur des galaxies spirales. Une galaxie spirale tourne lentement, comme une grande roue. On pourrait s’attendre à ce qu’elle tourne comme notre système solaire, où les planètes éloignées du Soleil se déplacent plus lentement que les planètes proches, parce que l’attraction du Soleil est plus faible au loin. La plus grande partie de la lumière d’une galaxie vient de son centre brillant, si bien que les astronomes s’attendaient à ce que les étoiles extérieures se déplacent lentement, elles aussi.

Ce n’est pas ce que trouva Rubin. Galaxie après galaxie, les étoiles et le gaz situés loin, sur les bords, se déplaçaient tout aussi vite que ceux qui étaient plus proches du centre. Ils allaient si vite qu’ils auraient dû être éjectés, à moins que la galaxie ne contienne bien plus de matière qu’on ne pouvait en voir, répartie loin au-delà des étoiles brillantes. Rubin était rigoureuse et patiente, et ses mesures étaient difficiles à contester. Avec les travaux d’autres chercheurs, elles convainquirent la plupart des astronomes que la matière noire est réelle. C’est un bon exemple de la façon dont un travail constant et minutieux peut changer ce que croit tout un domaine.

Depuis, d’autres preuves sont venues s’ajouter. La masse courbe le trajet de la lumière qui passe près d’elle, et les astronomes peuvent voir des galaxies d’arrière-plan dont la lumière a été courbée et déformée par des amas situés devant elles. L’importance de cette courbure montre quelle quantité de masse se trouve là, et une fois encore, c’est bien plus que la matière visible. Les motifs de la plus ancienne lumière, eux aussi, ne peuvent s’expliquer que s’il existe une grande quantité de matière noire. Aujourd’hui, les astronomes estiment qu’il y a environ cinq fois plus de matière noire que de matière ordinaire dans l’Univers.

Ce que nous savons et ce que nous ignorons

Alors, qu’est-ce que la matière noire ? La réponse honnête est que personne ne le sait. Nous savons qu’elle a une gravité, parce que nous voyons son attraction. Nous savons qu’elle ne brille pas, ne réfléchit pas la lumière et ne l’arrête pas, sinon nous la verrions. Nous savons qu’elle ne semble pas heurter la matière ordinaire d’une manière que nous ayons pu remarquer. Au-delà, sa nature est l’une des plus grandes questions sans réponse de la science.

Si la matière noire est faite de particules, comme le pensent beaucoup de scientifiques, alors ces particules ne se trouvent probablement pas seulement très loin, dans d’autres galaxies. Elles sont peut-être tout autour de nous, ici dans la Voie lactée, traversant tranquillement la Terre, la station et la pièce où vous lisez, sans rien toucher. Ce n’est pas certain, puisque nous ne savons pas ce qu’est la matière noire. Mais c’est une pensée étrange et douce : la sorte de matière la plus répandue de l’Univers vous traverse peut-être en ce moment même, et vous ne la sentiriez jamais.

Certaines possibilités ont été en grande partie écartées. La matière noire pourrait-elle être simplement de la matière ordinaire difficile à voir, comme du gaz froid, de la poussière, des étoiles faibles, des étoiles mortes ou des trous noirs ? Les astronomes ont cherché de tels objets, et ils en trouvent quelques-uns, mais loin d’être assez. Il y a aussi une raison plus profonde. Les toutes premières minutes, que nous avons rencontrées lors d’une nuit précédente, ont fixé la quantité totale de matière ordinaire de l’Univers, et la plus ancienne lumière confirme cette quantité. Elle est bien trop faible pour expliquer toute la gravité supplémentaire. La plus grande partie de la matière noire doit donc être quelque chose de différent des atomes qui composent les étoiles, les planètes et les êtres humains.

Beaucoup de scientifiques pensent que la matière noire est une sorte de particule qui n’a pas encore été découverte. Partout dans le monde, des scientifiques ont construit des détecteurs très sensibles, souvent installés profondément sous terre, à l’abri des autres particules, pour tenter de surprendre une particule de matière noire heurtant la matière ordinaire. D’autres cherchent des signes de matière noire dans des accélérateurs de particules ou dans le ciel. Jusqu’ici, aucune de ces recherches ne l’a trouvée. Cela ne veut pas dire qu’elle n’existe pas. Cela veut dire qu’elle est plus difficile à attraper qu’on ne l’espérait, ou différente de ce qu’on attendait.

Un petit nombre de scientifiques ont essayé une autre idée : peut-être n’y a-t-il aucune matière supplémentaire, et la gravité se comporte-t-elle plutôt, sur de très grandes distances, autrement que ne le disent nos théories. Cette idée a connu quelques succès pour expliquer la rotation des galaxies. Mais elle a eu beaucoup de mal à expliquer en même temps les amas de galaxies, la courbure de la lumière et les motifs de la plus ancienne lumière, que la matière noire explique tous ensemble. Pour l’instant, la plupart des astronomes pensent que la matière noire est la meilleure explication. Mais la question reste ouverte, et c’est exactement ainsi qu’il doit en être tant que les preuves n’ont pas tranché.

Quoi qu’elle se révèle être, la matière noire a joué un rôle clé dans la croissance des galaxies. Dans l’Univers jeune, la matière ordinaire était bousculée par la lumière, et elle ne pouvait pas se rassembler facilement en amas avant que la plus ancienne lumière ne soit libérée. La matière noire, elle, ne ressent pas du tout la lumière. Elle a donc pu commencer à se rassembler en amas plus tôt. Quand le gaz ordinaire fut enfin libre, il tomba dans les amas de matière noire qui l’attendaient déjà. Sans cette avance, les galaxies auraient mis beaucoup plus longtemps à se former, et l’Univers d’aujourd’hui serait peut-être très différent.

Des galaxies qui se réunissent

Les premières galaxies étaient petites. Comme nous l’avons vu lors de la nuit précédente, le télescope Webb voit des galaxies datant de quelques centaines de millions d’années après le commencement, et elles sont bien plus petites que la Voie lactée. Comment de grandes galaxies comme la nôtre ont-elles pu naître de débuts aussi modestes ? En partie en attirant du gaz frais depuis la toile cosmique, et en partie en se réunissant, comme les gouttes d’eau de Noor, bien que beaucoup plus lentement et beaucoup moins doucement.

Quand deux galaxies se rapprochent, leur gravité les attire l’une vers l’autre. Elles tournent l’une autour de l’autre, parfois plusieurs fois sur des centaines de millions d’années, et de longs courants d’étoiles et de gaz en sont arrachés. À la fin, elles finissent souvent par former une seule galaxie plus grande. Les astronomes ont photographié de nombreux couples de galaxies à différentes étapes de cette lente rencontre. Chaque image est comme une seule image d’un film dont la projection dure bien plus longtemps qu’une vie humaine.

Notre propre galaxie est le fruit de milliards d’années d’une telle croissance. Aujourd’hui, la Voie lactée est une grande galaxie spirale d’environ 100 000 années-lumière de diamètre, qui compte des centaines de milliards d’étoiles, dont le Soleil. Depuis la station, lors d’un passage dans l’obscurité, Noor pouvait voir sa bande traverser le ciel. Ce qu’elle voyait, c’était la vue intérieure d’un grand disque plat d’étoiles, vu par la tranche depuis un point situé à l’intérieur.

La Voie lactée a grandi en partie de cette façon. En étudiant les mouvements des étoiles de notre galaxie, les astronomes ont trouvé des groupes d’étoiles qui se déplacent ensemble de manière inhabituelle, et ils pensent qu’il s’agit des restes de galaxies plus petites que la Voie lactée a avalées il y a longtemps. Certaines des plus vieilles étoiles de notre galaxie se sont formées il y a plus de 13 milliards d’années ; la Voie lactée grandit donc depuis presque toute l’histoire de l’Univers. Aujourd’hui encore, elle attire lentement quelques petites galaxies voisines.

Et la Voie lactée a une grande rencontre devant elle. Lors d’une nuit précédente, nous avons vu que la galaxie d’Andromède, située à environ 2,5 millions d’années-lumière, est l’une des rares galaxies qui se rapprochent de nous. Dans environ 4 à 5 milliards d’années, la Voie lactée et la galaxie d’Andromède devraient passer très près l’une de l’autre, et sur une longue période, elles pourraient fusionner en une seule galaxie plus grande. Leurs trajectoires exactes sont encore en train d’être mesurées, si bien que les astronomes ne savent pas encore avec certitude quand, ni même si, cette fusion aura lieu. Si elle a lieu, le ciel nocturne de toute planète qui existera encore à cette époque sera très différent, rempli de nouveaux courants et de nouveaux nuages d’étoiles.

Cela peut sembler inquiétant, mais il n’y a pas lieu de s’en faire, pour deux raisons. La première est l’énormité du temps en jeu, bien plus long que l’histoire humaine, de très nombreuses fois. La seconde est que les galaxies sont surtout faites d’espace vide. Les distances entre les étoiles sont si grandes comparées aux étoiles elles-mêmes que, lorsque deux galaxies fusionnent, les étoiles ne se heurtent presque jamais. Elles se croisent à de grandes distances, tandis que les nuages de gaz des deux galaxies se rencontrent et peuvent donner naissance à de nombreuses étoiles nouvelles.

Un message pour Sami

Avant de dormir, Noor regarda une fois encore le court film des gouttes d’eau, puis envoya la leçon terminée au sol. Elle pensa aux enfants qui la regarderaient dans leurs salles de classe, et à la fille de Sami, qui voulait devenir une goutte d’eau. Elle pensa aussi aux longs filaments de la toile cosmique, le long desquels les galaxies se rassemblent comme des gouttes sur un fil d’araignée.

Elle écrivit à Sami : « Dis à ta fille que les galaxies aussi se réunissent, comme les gouttes, mais très lentement. Notre galaxie en a avalé plusieurs plus petites. Et l’essentiel de ce qui tient les galaxies ensemble est quelque chose d’invisible que personne n’a encore identifié. Ce sera peut-être elle qui découvrira ce que c’est. » Sami répondit que sa fille s’était endormie, mais qu’il le lui dirait le matin, et qu’il était sûr qu’elle demanderait ce que veut dire « identifié ».

Peut-être, à la fin de votre propre semaine, avez-vous vous aussi une journée plus légère, avec des corvées le matin et quelque chose qui vous plaît l’après-midi. Ce jour-là, si vous versez un verre d’eau ou regardez la pluie se rassembler en gouttes sur une vitre, vous pourriez vous souvenir du long et lent rassemblement de l’Univers. Les petites choses se réunissent en de plus grandes. Une partie de ce qui les tient ensemble est facile à voir. Une autre partie, comme beaucoup des bonnes choses qui unissent les gens, ne se voit pas du tout.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que la matière noire est simplement de la matière ordinaire trop sombre pour être vue, comme de la poussière, des nuages sombres ou des étoiles mortes. Les astronomes ont cherché ces objets avec soin. Ils existent, mais il y en a loin d’être assez. Les premières minutes de l’Univers et la plus ancienne lumière montrent toutes deux que la quantité totale de matière ordinaire est bien trop faible pour expliquer la gravité supplémentaire. La plus grande partie de la matière noire doit donc être autre chose, probablement quelque chose qui n’est pas du tout fait d’atomes.

Beaucoup de gens supposent aussi que les scientifiques savent ce qu’est la matière noire et lui donnent simplement un nom mystérieux. Ils ne le savent pas. Ils savent quelle quantité il y en a, à peu près où elle se trouve et comment elle attire. Mais de quoi elle est faite n’a pas été découvert, malgré de nombreuses années de recherches minutieuses. Le mot « noire » dans son nom est un aveu honnête. Il signifie que nous voyons ses effets mais pas la chose elle-même, et que nous ne la comprenons pas encore.

Enfin, beaucoup de gens imaginent que lorsque deux galaxies entrent en collision, leurs étoiles se percutent dans de grandes explosions. En réalité, les étoiles ne se heurtent presque jamais, même lorsque des galaxies entières fusionnent, parce que l’espace entre les étoiles est immense. Si le Soleil avait la taille d’un grain de sable, l’étoile la plus proche serait un autre grain de sable situé à plus de dix kilomètres. La véritable rencontre se produit entre les nuages de gaz, qui peuvent être comprimés et former de nouvelles étoiles, et ces nouvelles étoiles, à leur tour, fabriquent de nouveaux éléments. Lors de la prochaine nuit, nous regarderons à l’intérieur des étoiles et nous verrons comment elles ont fabriqué les éléments de notre propre corps.