Un modèle pour remonter dans le passé de l'Univers

Un modèle qui permet de remonter dans le passé de l'Univers et d'établir, pour chaque galaxie actuelle, l'endroit d'où provient leur matière vient d'être mis au point par quatre chercheurs, Uriel Frisch, Sabino Matarrese, Roya Mohayaee & Andrei Sobolevski, qui ont publié le compte rendu de leur travail en mai 2002 (volume 417, pp. 260–262) dans la revue Nature.

L'Univers actuel présente une structure très irrégulière, où les galaxies s'organisent en grandes structures, amas et superamas, qui forment des "murs" et des filaments d'extension gigantesque mais d'épaisseur relativement faible. Selon les cosmologistes, l'Univers à ses "débuts", il y a une quinzaine de milliards d'années, était en revanche très homogène. Seules existaient alors de très légères variations de densité d'un point à un autre de l'ensemble de la matière.

Depuis une dizaine d'années, les scientifiques détectent ces "fluctuations de densité" dans le rayonnement du fond cosmologique, "écho" de l'explosion initiale censée avoir donné naissance à notre Univers (le Big-bang). Dans ce rayonnement fossile, ils peuvent voir l'Univers tel qu'il était quelque 300.000 ans après le Big-Bang, au moment où la température a commencé à baisser suffisamment pour permettre aux particules de lumière, les photons, de s'échapper et de nous parvenir.

Ne peut-on reconstruire directement ces fluctuations de densité en résolvant les équations du mouvement de la matière à l'envers (en remontant le temps) à partir des positions actuelles connues des galaxies? Il faudrait pour cela connaître aussi les vitesses de ces galaxies, ce qui n'est que très rarement le cas. Le problème a néanmoins une solution unique dont l'élaboration s'appuie sur la théorie du transport de masse. Le premier exemple de ce type de problème a été formulé en 1781 par le mathématicien Gaspard Monge à propos d'une question de génie civil : comment transporter au moindre coût de la terre d'un lieu dans un autre en imposant les volumes occupés par les « déblaies » et les « remblaies »? Dans ce cas, le coût pour un élément de masse est proportionnel à la distance parcourue.

Pour remonter le temps, c'est-à-dire résoudre les équations du mouvement de la matière à l'envers, à partir des positions actuelles, connues, des galaxies, les chercheurs conduits par Uriel Frisch (Laboratoire Giovanni Domenico Cassini, CNRS-Observatoire de la Côte d'Azur) se sont basés sur des travaux (des années 1970) du cosmologue russe Yakov Zel'dovich et sur ceux, plus récents, du mathématicien niçois Yann Brenier. Grâce à un algorithme dû pour l'essentiel à l'astronome niçois Michel Hénon, ils ont pu déterminer, en quelques heures de calcul, sur une machine de l'Observatoire de la Côte d'Azur, les positions initiales et les vitesses de plusieurs dizaines de milliers de galaxies. Ces reconstructions (figures ci-après), à partir d'univers simulés, ont montré que la nouvelle technique donnait d'excellents résultats aux grandes distances (soit à des échelles supérieures à une dizaine de millions d'années-lumière), en accord avec les observations.

Trajectoires de particules dans une simulation de l'équation de Burgers, montrant la formation de particules de plus en plus grosses par collision et adhésion (obtenues par A. Noullez et M. Vergassola, J. Scientific Computing, vol. 9, pp. 259-281, 1994)

Carte de distribution de matière dans l'Univers

(obtenue dans la simulation numérique de U. Frisch et al., Nature, vol. 417, pp. 260-262, 2002)

De grands efforts sont faits actuellement par les astronomes pour mesurer les positions complètes (direction dans le ciel et distance) d'un grand nombre de galaxies. Dans quelques années, nous disposerons de catalogues possédant de l'ordre du million de galaxies. La nouvelle technique de reconstruction et ses améliorations (qui visent à travailler à des échelles de quelques millions d'années-lumière) devraient nous donner une nouvelle fenêtre sur l'Univers primitif et permettre ainsi de mieux comprendre comment il s'est formé.

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Last revised : June 1, 2002