Ils utilisent toutes les gammes de rayonnements électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma à haute énergie. En effet, chaque gamme spectrale ouvre sa propre fenêtre sur l'espace. Des superordinateurs analysent les énormes quantités de données. On peut ainsi étudier les phénomènes cosmiques de toutes sortes avec une précision sans précédent. En 2015, les possibilités d'analyse ont été complétées par une autre méthode, totalement nouvelle : désormais, les scientifiques sur Terre peuvent également mesurer les ondes gravitationnelles, et donc étudier des événements astronomiques pour lesquels il n'existait auparavant aucune méthode de mesure.

Espace virtuel
Pour la simulation la plus vaste et la plus détaillée des processus de formation de l'univers à ce jour, IllustrisTNG, les chercheurs « alimentent » l'ordinateur ultra-performant Hazel Hen à Stuttgart avec des données provenant de l'état initial du cosmos. Le superordinateur calcule ensuite l'évolution de l'univers sur plus de 13 milliards d'années. Cela nécessite 16 000 cœurs de processeur, qui travaillent 24 heures sur 24 pendant plus d'un an : converti à l'échelle d'un seul PC moderne, cela correspond à un temps de calcul de 15 000 ans. Sous une forme et avec une précision uniques jusqu'à présent, la simulation montre aux chercheurs les interrelations à grande échelle dans l'univers, mais aussi des détails comme les flux de gaz dans les galaxies.

Matière noire et énergie noire
Seule une très petite partie de l'univers est constituée d'étoiles, de planètes et d'autres corps célestes que nous pouvons observer. Le reste (environ 95 %) est constitué de matière noire et d'énergie noire.

La matière noire n'est pas visible, mais elle se fait sentir par sa gravité. Si la matière noire n'existait pas, la matière visible dans l'espace devrait se comporter différemment. Par exemple, des galaxies comme notre Voie lactée devraient alors se disséminer. L'énergie noire est le nom d'un effet que les astronomes utilisent pour expliquer l'expansion accélérée de l'univers. En raison de l'attraction mutuelle des masses, l'univers devrait normalement ralentir son expansion. Mais c'est le contraire que l'on mesure : l'univers s'étend de plus en plus vite ! Cela ne peut s'expliquer que si l'univers est composé d'environ 70 % d'énergie noire.

La recherche des particules fantômes
La matière noire, qui est cinq fois plus abondante dans l'univers que la matière « normale », est une chose que l'on ne peut ni voir ni mesurer directement. Les chercheurs pensent qu'il s'agit de particules élémentaires inconnues jusqu'alors qui n'interagissent que très faiblement avec la matière visible, dite « normale ». Ils recherchent ces particules avec l'expérience CRESST : sous le Gran Sasso, un massif montagneux d'Italie, se trouve un laboratoire souterrain doté de détecteurs ultrasensibles, protégés dans toutes les directions par plus de 1 400 mètres de roche. Toutes les particules « normales » qui frappent la Terre depuis l'espace sont interceptées par la matière de la montagne. Les particules élémentaires « noires », en revanche, devraient pénétrer dans la roche presque sans encombre. Les instruments de mesure proprement dits sont des cristaux de tungstate de calcium ultra-purs refroidis à près de – 273 degrés Celsius. Lorsqu'une particule de matière noire entre en collision avec l'un des cristaux, la température augmente d'environ un millionième de degré. Des thermomètres ultra-sensibles mesurent cette différence minime.
  Deux chercheurs s'occupent du détecteur de l'expérience CRESST dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso. | © Astrid Eckert
Big Bang
L'un des plus grands mystères de la science est la question de l'origine de l'univers. On sait aujourd'hui que l'univers est en expansion. On sait également comment le phénomène se produit. Vu à l'envers, la matière et l'énergie se condensent à l'infini. Et c'est exactement là que doit se situer le début de notre univers actuel – d'un point de vue purement mathématique, il y a 13,8 milliards d'années. Mais ce Big Bang ne décrit pas une explosion dans une pièce. Selon la théorie qui prévaut actuellement, il est le commencement de l'espace, du temps et de la matière.

© Mais comment l'énorme quantité de matière et d'énergie que contient l'univers peut-elle être comprimée en un point aussi minuscule ? Pour que le Big Bang tel qu'il est décrit aujourd'hui fonctionne, il doit y avoir une expansion très courte et extrêmement rapide au tout début : une inflation plus rapide que la lumière. On ne peut pas utiliser les méthodes de mesure basées sur le rayonnement électromagnétique pour étudier cette zone proche du Big Bang ; en revanche, les ondes gravitationnelles le permettent.

Big Bang ou Big Bounce ?
Dans le Big Bang, l'espace, le temps et la matière sont créés à partir de rien – selon la théorie actuelle. Avec les connaissances actuelles, tous les processus peuvent être calculés à partir d'environ un milliardième de seconde après le Big Bang. La période très courte, mais extrêmement importante pour la compréhension, qui suit directement le « bang » est encore une zone d'ombre. C'est là qu'interviennent les recherches d'Anna Ijjas, une jeune scientifique de l'Institut de physique gravitationnelle Max Planck. Le modèle cyclique sur lequel elle travaille suppose qu'un univers précédent s'est lentement contracté jusqu'à environ 10-25 cm, puis s'est à nouveau étendu. Le Big Bang serait donc plutôt un Big Bounce. L'inflation, c'est-à-dire l'expansion extrêmement rapide qui s'est produite très peu de temps après le « bang », est un élément indispensable de la théorie du Big Bang que la science n'a pas réussi à expliquer jusqu'à présent. Le modèle du Big Bounce se passe de cette hypothèse.
  Qu'y avait-il avant le Big Bang ? Peut-être un univers antérieur ? | © Anna Ijjas
Ondes gravitationnelles
Encore une fois, Albert Einstein avait raison : Le 14 septembre 2015, on mesure pour la première fois des ondes gravitationnelles, 100 ans après qu'il les ait décrites dans sa théorie de la relativité. Mais que sont les ondes gravitationnelles ? Selon Einstein, toute masse laisse des traces dans l'espace-temps quadridimensionnel. Si ces masses se déplacent, cela crée des ondes. Ces ondes se propagent dans l'espace à la vitesse de la lumière et déforment l'espace par la même occasion.

Des ondes gravitationnelles sont générées dans l'espace en permanence. Cependant, on ne peut les mesurer sur Terre que lorsque de très grandes masses se déplacent très rapidement, par exemple lorsque deux trous noirs fusionnent. C'est exactement ce qui a été mesuré en septembre 2015. Pour cela, il faut des instruments de mesure très sensibles : les deux interféromètres géants qui ont capté les signaux sont situés aux États-Unis. Mais une grande partie de la technologie de haute précision qui entre dans la fabrication de ces instruments de mesure, ainsi que de nombreux programmes d'évaluation, provient d'Allemagne, de l'Institut de physique gravitationnelle Max Planck à Potsdam et Hanovre. Galaxies
Les galaxies sont des « îles-mondes » dans la mer infinie du cosmos. Les étoiles, les systèmes planétaires, les nuages de poussière, les nébuleuses de gaz et la matière noire s'y rassemblent. Elles conservent leur cohésion grâce à la gravité. Les galaxies ont des structures différentes, qui vont de simples ellipses à des spirales très complexes avec des « bras » définis comme notre Voie lactée. Plusieurs galaxies finissent par se rassembler pour former des groupes et des amas de différentes tailles. Les plus grands de ces amas contiennent plusieurs milliers de galaxies.

La nébuleuse d'Andromède est la galaxie la plus proche de nous, et elle fait à peu près la même taille que la Voie lactée. C'est l'objet astronomique le plus éloigné que l'on peut voir à l'œil nu depuis la Terre.
  Andromeda Galaxy © ESO/S. Brunier
Supernova
Certaines étoiles meurent de façon spectaculaire : l'explosion lumineuse d'une étoile massive à la fin de son évolution s'appelle une supernova. Ce nom (nova = nouvelle en latin) remonte à Tycho Brahe. En 1572, cet astronome danois a observé l'apparition soudaine d'une étoile très, très brillante là où on ne voyait absolument rien auparavant.

Dans une explosion de supernova, une grande partie de l'étoile est convertie en énergie et rayonnée en une seule fois. Il reste ensuite une étoile à neutrons ou un trou noir. Une supernova est particulièrement impressionnante lorsqu'une étoile massive dite géante, par exemple une géante rouge, a épuisé son combustible. Elle s'effondre sous sa propre gravité, libérant d'énormes quantités d'énergie. La supernova peut alors briller plus fort que toute la galaxie dans laquelle elle se trouve pendant un certain temps.