Evolution de l'Univers. Credit : Hubble Space Telescope Science Institute
Nous savons aujourd'hui que ce que nous observons de l'Univers n'en représente qu'une très faible partie.
De quoi est-il fait ?
Comment les grandes structures se sont-elles formées depuis le Big Bang jusqu’à nos jours ?
La matière noire, l'énergie sombre, la formation des grandes structures ainsi que le destin de l'antimatière originelle sont au programme des recherches testant les modèles cosmologiques. Aux plus petites échelles, les questions de la formation des étoiles et des systèmes planétaires, occupent aussi une grande place à l’Irfu.
Comprendre la gravitation à toutes les échelles de l’Univers est le but ultime de cet axe scientifique.
Aujourd’hui notre Univers est constitué d'étoiles, de galaxies, d'amas de galaxies mais aussi de vides immenses. Pourtant à sa naissance, il y a plus de 13 milliards d'années, la matière était répartie de manière uniforme.
Pour comprendre les mécanismes physiques responsables de ce scénario, nous avons besoin de retracer l’histoire des galaxies et de leur assemblage en amas en combinant les trois piliers que sont les observations, la modélisation théorique des données et les simulations numériques.
Cette synergie couvre un large éventail d'échelles spatiales et de processus physiques;
- de la physique du milieu interstellaire aux structures cosmologiques à grande échelle
et de domaines de longueurs d'onde;
- de l'infrarouge lointain aux rayons X.
A hautes énergies, les phénomènes violents de l’Univers sont liés à la production de rayonnement et de particules tels que les rayonnements X, gamma, les particules subatomiques de tous types (particules chargées, neutrinos, …) et à l’extrême le rayonnement gravitationnel.
Etudier ces rayonnements a pour but de comprendre quels sont les mécanismes capables de produire l’accélération de particules galactiques et extragalactiques au sein des objets compacts et de leur environnement. Les chercheurs étudient les trous noirs (trou noir au centre de la Voie lactée, dans les systèmes binaires galactiques ou dans les galaxies actives), les restes de supernovae, les pulsars ou bien encore les sursauts gamma.
Les activités scientifiques concernent tous les objets astrophysiques profondément liés à notre propre origine, c'est-à-dire les planètes et la formation de disques protoplanétaires, les interactions planétaires et stellaires, la compréhension et la prédiction de l'activité stellaire, la formation des étoiles, la structure du milieu interstellaire par rapport à la formation des étoiles, l'équilibre énergétique global dans le milieu interstellaire pour expliquer son état actuel dans le contexte de l'évolution galactique.
D'autres points communs unissent ces domaines de recherche: l'utilisation d'une grande diversité de traceurs pour recueillir des informations sur les objets eux-mêmes, c'est-à-dire une forte approche multi-longueur d'onde, et le développement de simulations numériques complexes et de modèles pour confronter les observations.
Le développement le plus intrigant de la cosmologie moderne a été de réaliser que l'essentiel du contenu énergétique de l'Univers était de nature inconnue.
Cette conclusion repose sur deux ensembles d'observations :
- d'une part, la mise en évidence indirecte, depuis des décennies, de l'existence d'une matière noire dont influence gravitationnelle se ressent à toutes les échelles, des galaxies aux amas de galaxies, mais aussi à l'échelle cosmologique ;
- d'autre part, l'observation de l'accélération de l'expansion de l'Univers dans son histoire récente, qui implique l'existence d'un nouveau concept, celui d'une énergie noire qui exerce une pression gravitationnelle négative s'opposant à la contraction gravitationnelle sous l'effet de la matière.
La compréhension de l'Univers sombre (la nature de la matière noire et de l'énergie noire) est sans doute le plus grand défi de la physique moderne.
