JWST | "Avec cette mission, nous espérons apporter des réponses à deux grands mystères de l’Univers"

Deux des grandes questions qui vont être étudiées avec le JWST concernent la compréhension de l'histoire de l'Univers et l'étude de la matière sombre qui semble constituer plus de 80% de la matière dans l'Univers.

Notre Univers est en expansion, un peu à la manière d'un cake aux raisins dans un four. Les raisins seraient des galaxies, qui dans notre cake-univers s'éloignent les unes des autres. En mesurant la vitesse d'éloignement des galaxies, c'est-à-dire le taux d'expansion de l'Univers ou constante de Hubble-Lemaître, on peut reconstruire son histoire et déduire quand il s'est créé (quand le cake était encore une boule de pâte). Si on étudiait en détail la cuisson du cake en la comparant à un modèle, on pourrait en déduire la température du four mais aussi la quantité de levure et de farine. C'est un peu cette démarche que suivent les astrophysiciens pour connaître le contenu de l'Univers à partir du mouvement des galaxies. Ils trouvent que parmi les ingrédients nécessaires, il y a un ingrédient mystère que l'on a appelé matière sombre car elle n'est pas visible. Le problème est qu'on ne sait toujours pas ce qui constitue cette matière sombre et le JWST devrait nous aider à mieux connaître les propriétés de celle-ci.  

Le phénomène des mirages gravitationnels est fascinant, même si on l'explique parfaitement grâce à la théorie de la relativité générale. Il s'agit d'images multiples du même objet, en général une galaxie lointaine, qui apparaissent parce que durant leur voyage jusqu'à nous, les rayons lumineux ont été défléchis par une galaxie d'avant plan. On observe en général 2 ou 4 images de la galaxie la plus distante, images qui se forment autour de la galaxie la plus proche. Cette dernière agit un peu comme une lentille déformante. Le trajet suivi par la lumière n'est pas exactement le même pour chaque image, de sorte que si la source varie, on voit les variations apparaître dans une image, puis dans une autre. C'est en mesurant ces délais temporels qu'on arrive à déduire la différence de trajet entre les rayons qui nous conduisent à la mesure de la constante de Hubble-Lemaître.

C’est cette méthode que nous développons depuis de nombreuses années dans la collaboration TDCOSMO. Je ne suis maintenant plus seul à Liège dans TDCOSMO puisqu’une thésarde, Lyne van de Vyvere et un post-doctorant américain, Matt Gomer, m'aident dans mes travaux. Ce qu'il y a de fantastique avec ces systèmes, c'est que la position des images observées dépend de la masse totale de la galaxie déflectrice (ou lentille), que cette masse soit lumineuse ou non. La masse lumineuse, on peut l'estimer sur base de la lumière. Ce qui reste est la matière sombre. Les lentilles gravitationnelles nous permettent donc de "voir" la matière sombre. On peut étudier deux grandes questions à la fois : l'histoire de l'Univers et la matière sombre. Pas étonnant que les mirages gravitationnels aient une place de choix dans la recherche.   

La nature de la matière sombre est totalement inconnue et c'est bien cela qui pose problème. C'est tout de même interpelant de se dire que la majorité de la matière dans l'Univers est constituée de particules de nature inconnue. Ceci dit, on ne manque pas de candidats théoriques. On peut diviser ceux-ci en deux catégories : la matière sombre dite froide, constituée de particules « lourdes » qui se déplacent lentement, et la matière sombre dite chaude, constituée de particules plus légères qui se déplacent plus rapidement. Si ces particules sont massives et se déplacent lentement, elles ont plus de chances de s'agglomérer et de former des grumeaux de différentes tailles, alors que si elles sont légères et rapides, il y aura moins de grumeaux. Pour compter les grumeaux, il faut utiliser des méthodes qui sont sensibles à la masse et c'est là que les lentilles gravitationnelles entrent en scène. L'observation d'un large échantillon de lentilles gravitationnelles avec le James Webb nous permettra d'estimer la quantité moyenne de grumeaux dans les galaxies, pour un large domaine de masses de ces grumeaux et ainsi d'identifier le type de particules qui constituerait le meilleur candidat pour composer la matière sombre.  

La mesure de la constante de Hubble est très délicate et c'est la raison pour laquelle il y a eu de nombreux débats et controverses depuis plus d'un siècle. L'instrumentation moderne a permis de faire un pas géant et d'améliorer la précision des mesures de plus d'un facteur dix. Mais cette amélioration de la précision, et la multiplication des méthodes de mesures a révélé un résultat inattendu : les mesures basées sur l'étude de l'Univers « jeune » prédisent une expansion moins rapide que celles basées sur l'Univers « vieux ». Est-ce dû aux erreurs de mesures qui sont sous-estimées ou est-ce réel ? Si c'est réel, cela sera l'effondrement du modèle cosmologique tel qu'on le connaît. Aucune des variantes proposées ne semble être capable d'expliquer toutes les observations à notre disposition. Ce pourrait alors être les prémices d'une grande crise ou d'un changement majeur du modèle cosmologique.  

Ce qui est sûr, c'est que le JWST va fournir de nombreuses observations clés, impossibles à obtenir avec les instruments actuels. Il est taillé pour étudier les premières galaxies qui se sont formées. Il permet d'effectuer de nombreuses autres observations fines de galaxies distantes qui sont actuellement impossibles. Dans le domaine de la cosmologie observationnelle, il risque de bousculer le paradigme établi. La matière et l'énergie sombre pourraient n'être que l'équivalent moderne de l'éther que l'on pensait baigner l'Univers jusque la fin du 19^e siècle. Il faut des arguments solides pour remettre en cause complètement notre modèle cosmologique et je pense que le JWST est en mesure de fournir les observations qui pourraient nous faire revoir notre copie … si il y a lieu !  

Je suis impliqué dans deux projets qui feront partie du premier cycle d'observations qui doivent être obtenues avec le JWST. Un projet auquel je participe avec des collègues américains et qui va utiliser l'instrument MIRI pour observer un grand nombre de lentilles gravitationnelles et sonder leur contenu en matière noire, et en particulier estimer le nombre de grumeaux de matière sombre. Mon rôle consiste principalement à évaluer dans quelle mesure les étoiles dans la galaxie peuvent donner lieu à des signatures observationnelles semblables à celles produites par les grumeaux de matière sombre. Le second projet utilise l'instrument NIRSpec et est mené avec mes collègues de la collaboration TDCOSMO. Il vise à mesurer la masse d'une galaxie lentille gravitationnelle en étudiant le mouvement des étoiles dans cette galaxie. C'est une mesure très difficile depuis le sol. En la comparant à la mesure déduite sur la base du mirage en lui-même, nous pourrons estimer si la méthode que nous utilisons pour mesurer la constante de Hubble avec les mirages gravitationnels est suffisamment robuste. C'est un test important que nous ferons sur un mirage qui a lui aussi une note liégeoise puisqu'il s'agit de l'un des mirages gravitationnels découverts par les chercheurs liégeois au cours des dernières décennies.