Des astronomes ont réalisé la première carte dynamique de l'Univers, avec ses zones vides et ses immenses "continents" galactiques. Et nous, localisés !

REPÈRES : Homogène à grande échelle, l'Univers se structure en gigantesques filaments de matière. A l'intérieur, les galaxies s'attirent par gravitation et s'organisent en continents galactiques, les Superamas, eux-mêmes composés d'amas de milliers de galaxies... dans lesquelles gravitent des centaines de milliards d'étoiles, et au moins autant de planètes.

"Un ovoïde ? Un globe déformé ? Une oreille ?", complète H.Courtois. Avant de se rétracter, presque génée de voir émerger de son travail cette figure symbolique de la cosmogonie. L'astronome n'en plus de couver des yeux sa trouvaille, d'en détailler les contours, de lui chercher des qualificatifs. Et pour cause. La forme qui s'étale devant elle restera dans les livres. Car cette étrange silhouette n'est rien de moins que le monde auquel la Terre appartient : le superamas qui abrite la Voie lactée.
Oui, nous sommes juste là, au bord de ce gigantesque agrégat de 100.000 galaxies. Un point minuscule, perdu en périphérie d'une structure de 500 millions d'années-lumière de largeur, qui pèse 100 millions de milliards de Soleil. Un grain de poussière dans ce vaste continent intergalactique. Si la forme est indéfinissable, le nom, lui, est posé. Il vient d'être accepté par l'Union astronomique internationale. On a découvert notre continent céleste. Il s'appelle Laniakea. Pour le révéler, 4 spécialistes du ciel se sont livrés à un patient travail de cartographie. Les astronomes Hélène Courtois, de l'Institut de physique nucléaire de Lyon, et Brent Tully, de l'université d'Hawaï, ont couru les plus grands télescopes du monde, du radiotélescope d'Arecibo (Porto Rico) aux télescopes optiques hawaïens en passant par les spécialistes de l'infrarouge en orbite, de mesurer la lueur de milliers de galaxies. Puis, le théoricien Yehuda Hoffman, de l'Institut de physique Racah de l'université de Jérusalem, a fait tourner des simulations numériques pour interprêter les données. Enfin, le physicien Daniel Pomarède, de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (CEA), a permis de les comprendre en les projetant sur écran en volume. Trois ans de travaux - ou plus, ils ne comptent plus... - pour nous où dire nous sommes. Il faut dire que le paysage céleste n'a rien de simple. Il est loin le temps où l'Univers se résumait à une Terre statique, entourée d'une sphère rassurante sur laquelle s'accrochaient des lumières. Depuis Einstein, on sait que tout bouge. La Terre file à 30 km/s auteur de son Soleil, qui tourne à 220 km/s dans la Voie lactée, elle-même dérivant à plus de 600 km/s dans un Univers en expansion...
Les astronomes avaient bien identifié les grandes masses, ces zones dans lesquelles les galaxies sont assez proches pour être liées les unes aux autres par gravité : le superamas de Persée-Poissons, qui couvre une quarantaine de degrés dans le ciel d'hiver de l'hémisphère Nord ; les superamas de l'Hydre-Centaure et de Shapley, qui s'étendent dans la constellation du Centaure ; et le fameux Grand Mur (qui rassemble les amas d'Hercule, de Coma et de Leo), si énorme que ses limites demeuraient indéfinissables. Mesure après mesure, ils avaient ainsi tracé les contours de l'environnement de la Voie lactée, notre galaxie, qui évolue dans un groupe d'une quarantaine de semblables, près d'un agrégat de quelque 2000 galaxies, l'amas de la Vierge...

UNE CARTE ENFIN RÉALISTE

Sauf que cet environnement restait statique. Fixe. Aussi peu réaliste, finalement, que celui des astronomes antiques. Difficile de tirer de ces grandes masses les mécanismes physiques qui auraient pu renseigner sur le passé et le devenir de notre coin d'Univers. C'est la qu'interviennent Hélène Courtois et Brent Tully. Alors qu'ils s'attellent à rassembler toutes les données collectées jusqu'en 2006 pour constituer un gigantesque catalogue, ils se demandent comment les exploiter au mieux. "Nous avons pensé que nous pourrions regarder non pas seulement la position des galaxies dans le ciel, mais surtout la cohérence de leurs mauvements", raconte la chercheuse. De quoi délimiter de manière rigoureuse les zones où la matière est liée par la gravitation et les vides qui les séparent, pour tracer, les contours des continents célestes.
En même temps qu'ils continuent d'observer et de mesurer la lumière de toujours plus de galaxies, les astronomes mettent au point une méthode de cartographie dynamique. Pour chacune des galaxies, ils mesurent ses deux coordonnées de position dans le ciel, ainsi que la vitesse à laquelle elle s'éloigne ou se rapproche de nous. Ils en déduisent une mesure du mouvement de la galaxie par rapport à la Terre. Puis ils quantifient sa luminosité absolue et intègrent ces données dans un modèle cosmologique qui masque les effets liés à l'expansion globale de l'Univers. Ainsi, ils obtiennent le mouvement propre de la galaxie. "On ne voit plus que le mouvement dû à l'action de la gravité sur la matière", précise la chercheuse. Une fois ces calculs mis en forme sur une carte en trois dimensions, miraculeusement se détachent sur l'écran les courants de gravité... qui permettent de savoir où se trouve la matière elle-même, sans aucune limite. "Plus une galaxie est proche de l'objet qui l'attire, plus elle va vite, et inversement, ajoute Hélène Courtois. Cela nous permet de déduire la répartition de toute la matière. Même celle qui n'est pas observable". Et cette masse invisible ne se limite pas à la fameuse matière noire, principal constituant de ces galaxies. Car nos télescopes, qu'ils soient terrestres ou spatiaux, sont coincés dans la Voie lactée... une galaxie spirale dont les obscurs images de gaz et les lumineuses étoiles barrent le ciel, empêchant de distinguer quoi que ce soit derrière. Ainsi, 20 % de l'Univers demeureront à jamais invisibles. "C'est ce qu'on appelle la zone d'extinction galactique : on ne verra jamais cette portion de ciel dans un catalogue", confirme l'astronome.
La nouvelle méthode, elle, permet d'extrapoler et de deviner cette matière cachée. Plus besoin de voir la matière lumineuse, puisqu'elle se trahit par son attraction gravitationnelle. Il suffit aux cosmographes de tracer les courants de part et d'autre de la zone invisible. Portés par la puissance de leur technique, les astronomes demandent du temps d'observation sur les plus gros télescopes du monde pour multiplier les mesures. Et les voilà, il y a un an, à la tête du plus grand catalogue de distances de galaxies jamais publié : plus de 8000 mesures qui s'étendent dans un cube de plus de 1 milliard d'années-lumière de côté. Ils ont cartographié précisément 2 % de l'Univers. Dans la foulée, les cosmographes cherchent à comprendre comment évolue leur gigantesque bestiaire. Passant sans cesse de l'écran sur lequel se déploient les champs de gravité aux calculs, ils suivent les flots, traquant les limites où la matière semble se séparer pour mieux converger vers des attracteurs opposés. C'est comme regarder la carte d'un bassin alluvial, explique Hélène Courtois. La dynamique est la même : il y a des versants qui convergent et on cherche les lignes de partage des eaux".

PLUS GRAND QUE PRÉVU

Ils distinguent les volumes. Ils devinent l'arrière des zones pleines de galaxies, les contours des zones vides. De la même manière que les contours du continent américain n'ont pu être dessinés que lorsque les côtes pacifiques ont été explorées, nous ne pouvions comprendre notre superamas sans voir l'autre côté, explique Brent Tully. Aujourd'hui, c'est ce que nous sommes en train d'explorer". Progressivement, ils voient se dessiner les plus grandes entités indépendantes gravitationnellement : les superamas. Ils retrouvent Persée-Poissons et Shapley. Ils tracent précisément les contours du Grand Mur et, surtout, ils distinguent une entité qui inclut les amas Norma, du Centaure, de l'Hydre... et de la Vierge.
Un continent indépendant que personne n'avait distingué jusque là et dans lequel se trouve la Terre. Au début, ils ont eu du mal à le voir. Je n'arrivais pas à représenter l'arrière, se rappelle Daniel Pomarède. Il a fallu réduire la carte et la centrer sur Norma pour nous abstraire de l'influence de Shapley". Enfin, ils peuvent en tracer les contours précisément. Voilà notre superamas. Il est grand. Beaucoup plus que les astronomes ne lavaient imaginé. On pensait que notre continent de galaxies était une zone aplatie de quelques millions d'années-lumière, précise Hélène Courtois. On l'appelait 'feuille locale' car toutes les galaxies semblaient dans le même plan. En réalité, avec ses 500 millions d'années-lumière de largeur, il est presque 10 fois plus volumineux". Ils lui donnent le nom hawaïen de Laniakea, en hommage à cette terre de navigateurs aux étoiles qui abrite quelques-uns des plus grands télescopes du monde. Persée-Poissons, Shapley, le Grand Mur et Laniakea. Il y a donc 4 superamas dans notre coin d'Univers. Et le nôtre a une forme d'ouf. "On est au bord de la galaxie. Et notre galaxie est elle-même en périphérie de cette superstructure", décrit simplement Hélène Courtois.
Déjà, les astronomes sont en train de tirer profit de cette nouvelle vision. Car maintenant qu'est tracée la forme de notre monde, il est possible de comprendre comment notre environnement se structure. Hélène Courtois et son équipe ont ainsi planché sur le mystère du Grand Attracteur (voir encadré), une source de gravité énorme que les astronomes traquaient dans la constellation de la Règle depuis 30 ans, pour s'apercevoir... qu'il n'existe pas. Il n'y a pas de monstre caché ! Simplement une répartition des masses différente de celle qui avait été calculée. "On voyait toute la matière se déverser en un endroit qui semblait vide et on cherchait donc un attracteur derrière, explique la chercheuse. En réalité, cet endroit ressemble au fond d'une vallée creusée par la matière autour. Et au fond, il n'y a rien". La quête des astronomes est loin d'être terminée. Ils prévoient d'étendre encore leur cartographie. Prochain objecfif : tracer les limites du vide gigantesque qui s'étend juste à côté de Laniakea. Un vide jusque là inaccessible parce qu'il se déploie en grands partie dans la zone cachée par la lumière de la Voie lactée. "Il y a une polémique au sujet de ce vide, explique Héléne Courtois. Il est un peu trop grand et, surtout, il 'pousse' trop fort".

AFFINER L'HISTOIRE DE L'UNIVERS DEPUIS LE BIG BANG

Si fort que pour l'intégrer à leurs modèles, les cosmologistes sont obligés de composer avec le principe d'homogénéité de l'Univers et d'invoquer une surdensité d'énergie noire, cette mystérieuse force qui pousse l'Univers à s'étendre toujours plus vite. Ou même la présence d'antimatière... "On ne voit pas encore tout à fait assez loin, précise l'astronome. Il nous faut le continent Persée-Poissons en entier pour finir de délimiter le grand vide". Pour continuer leur ouvre, les cosmographes prévoient d'utiliser de puissants réseaux de radiotélescopes, comme le Wallaby en Australia ou le MeerKAT en Afrique du Sud. Lorsque leur catalogue sera étendu, peut-être sera-t-il même possible d'affiner les modèles qui décrivent l'évolution de tout l'Univers depuis le big bang ! Car la taille des vides est fixée par les théories cosmologiques qui décrivent la formation de toutes les structures à partir des oscillations des particules qui habitaient l'espace-temps à l'origine.
Laniakea n'est que le début de l'histoire. Le point de départ d'une plongée dans les structures de l'Univers entier. Un continent perdu dans l'immensité. Mais c'est le nôtre...

Des nuages d'hydrogène de plusieurs millions d'années-lumière de largeur, plus ou moins denses, visualisés comme de grandes taches de couleur : voilà ce que révèle la première carte en trois dimensions de l'univers lointain.

Un tour de force réussi par les astrophysiciens de l'équipe internationale BOSS - Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. Elle offre un aperçu de la géographie cosmique à grande échelle, à une époque où les premières galaxies (trop petites pour être vues ici) commençaient à former des amas, il y a 10 milliards d'années.

Pour repérer ces nuages qui n'émettent pas de lumière, les scientifiques ont rusé, utilisant des quasars (noyaux de galaxies lointaines, hyper lumineux) afin de les "éclairer" par l'arrière ! Plus précisément, ils ont observé pas moins de 14.000 quasars afin d'étudier la façon dont leur lumière, dans son trajet vers nous, est absorbée par le milieu traversé. Ils en ont déduit la répartition de l'hydrogène dans les zones situées devant les quasars. À terme, c'est plus de 150.000 quasars que les astrophysiciens comptent étudier, pour reconstituer une carte 10 fois plus grande. "Nous pourrons comparer la carte complète avec celle du rayonnement cosmologique fossile, l'écho lumineux du big-bang. De quoi expliquer, peut-être, la vitesse d'expansion de l'univers et la force de la mystérieuse énergie noire à cette époque", explique Éric Aubourg, du CEA, responsable de l'équipe française qui participe à l'étude.