La majeure partie de l'univers est un vide, et le vide grandit rapidement

Le vide entre les étoiles et les galaxies représente 80 % du volume de l'univers connu. L'énergie noire élargit ces vides rapidement.

Il y a des endroits sombres là-bas dans l'univers profond, de vastes Saharas de centaines de millions d'années-lumière de diamètre, vides à l'exception d'un atome d'hydrogène égaré ou d'un peu de rayonnement. Ce sont les vides cosmiques, et ils grandiront un jour pour consommer l'univers entier.

Pour comprendre les vides, nous devons d'abord avoir la bonne perspective. Et pour ce faire, nous devons effectuer un zoom arrière au-delà du système solaire, au-delà de la galaxie de la Voie lactée, et même au-delà de tous les groupes et amas qui composent notre voisinage de l'univers. Nous devons dézoomer jusqu'à ce que des galaxies entières - chacune abritant des centaines de millions d'étoiles - ne deviennent rien de plus que de minuscules points de lumière.

A ces échelles véritablement cosmologiques, on voit émerger une structure étonnante. Les galaxies de notre univers ne sont pas éparpillées au hasard comme du sel renversé sur la table ; au lieu de cela, ils forment le plus grand motif trouvé dans la nature. Nous voyons des amas denses, abritant des milliers de galaxies, et de longs et fins brins reliant ces amas. Ces brins agissent comme de longues autoroutes s'étendant entre les amas, avec des milliers de galaxies enfilées le long d'eux. Et nous voyons ces brins liés ensemble pour former de larges et immenses murs.

Nous appelons cette immensité la "toile cosmique". Il est composé de galaxies de la même manière que votre corps est composé de cellules microscopiques. Mais cette métaphore ne peut aller que jusqu'à présent ; pour faire un bon modèle à l'échelle de la toile cosmique, vos cellules devraient être un million de fois plus petites qu'elles ne le sont.

Mais alors que les lumières des étoiles et des galaxies de la toile cosmique se détachent, ces structures ne servent qu'à définir les frontières des véritables maîtres du cosmos : les régions vides entre elles. Découverts pour la première fois au début des années 1980, ces vides cosmiques dominent le volume de l'univers. En d'autres termes, la majeure partie de notre univers est complètement, totalement vide.

Si vous cherchez assez fort, vous pouvez trouver de petites galaxies naines sombres dispersées à l'intérieur des vides, et bien sûr il y a la fine soupe toujours présente de radiations et de particules qui inonde le cosmos. Mais les vides sont bel et bien vides, désertés de toute structure signifiante ou concentration de matière.

Les graines des vides ont été plantées dans les premiers instants de l'univers, avant même que les premières étoiles et galaxies n'apparaissent. Il y a des milliards d'années, la matière de notre univers était presque parfaitement uniforme, sans variations d'un endroit à l'autre. Mais il y avait de minuscules différences aléatoires et microscopiques. Juste un millionième de matière en plus ici, ou un millionième de matière en moins là-bas.

Au fur et à mesure que notre univers vieillissait, ces différences augmentaient. La gravité est une force incroyablement faible, mais elle est très persistante et extrêmement patiente. Les régions de notre univers avec un si léger avantage en matière avaient également une attraction gravitationnelle légèrement plus forte. Cela a attiré plus de matière vers ce patch, vidant son environnement. Au fur et à mesure que la matière s'accumulait, l'attraction gravitationnelle s'intensifiait et l'environnement se vidait encore plus. Au cours de centaines de millions d'années, la toile cosmique a commencé à émerger : d'abord sous forme de petits amas, qui se sont enflammés comme les premières étoiles ; puis, de petites galaxies sont apparues et ont fusionné avant de former les grands amas de galaxies, les filaments et les parois.

Et comme les riches sont devenus plus riches, les pauvres sont devenus plus pauvres. Les vides ont commencé comme de petites fossettes effervescentes dans un tissu autrement lisse et harmonieux. Mais à mesure que la toile cosmique grandissait, les vides augmentaient également, toute leur matière se précipitant dans l'étreinte gravitationnelle de grandes structures lumineuses. Aujourd'hui, les vides représentent plus de 80 % du volume de l'univers, mais contiennent moins d'un dixième de sa masse totale.

✅ Les vides cosmiques sont des trous dans la répartition de la matière dans l'univers, comme les trous dans le fromage suisse ou les interstices d'une toile d'araignée. Ils sont vides de tout, y compris de la matière normale et de la matière noire.

Et ce vide leur donne un pouvoir secret. A la fin des années 1990, deux équipes d'astronomes découvrent que l'expansion de l'univers s'accélère ; notre univers devient de plus en plus grand, de plus en plus vite, chaque jour qui passe. Nous nous attendions à observer le contraire : dans un univers en expansion, l'attraction gravitationnelle de toute la matière du cosmos devrait ralentir doucement cette expansion, et non l'accélérer. Confirmée par de multiples expériences au cours du dernier quart de siècle, l'expansion accélérée porte un nom : nous l'appelons énergie noire.

En termes simples, nous n'avons aucune idée de ce qu'est l'énergie noire. Mais nous soupçonnons que cette mystérieuse accélération est en quelque sorte une propriété du vide de l'espace-temps lui-même. En d'autres termes, l'énergie noire est intégrée dans le tissu même du cosmos, et elle provoque l'accélération de l'expansion de l'univers partout. Mais nous ne ressentons pas cette accélération localement. La Terre n'est pas en expansion, le système solaire n'est pas en expansion, la Voie lactée n'est pas en expansion et même notre environnement cosmologique local n'est pas en expansion.

C'est parce que notre partie locale de l'univers est remplie de choses : des étoiles, du gaz, de la poussière, des gens. Tout cela a une attraction gravitationnelle, et il submerge complètement les effets de l'accélération de l'énergie noire.

Mais pas dans les vides. Les vides sont vides. C'est leur définition. Il n'y a ni étoiles, ni gaz, ni poussière, ni personnes. Il n'y a rien dans les vides pour contrecarrer les effets de l'énergie noire. Et ainsi les vides grandissent, accélérant leur expansion. Ils poussent littéralement sur les filaments et les murs qui les entourent, éloignant la matière d'eux-mêmes dans leur quête d'expansion incessante.

Dans environ 10 à 20 milliards d'années, la toile cosmique, avec sa splendeur de galaxies, de filaments et de murs, se dissoudra. Tout d'abord, les filaments se séparent lorsque les vides qui les entourent les font disparaître. Ensuite, les murs vont se dissoudre. Les amas survivront, mais chacun deviendra un univers insulaire, effectivement seul dans une vaste étendue de néant.

Avant que cela n'arrive, cependant, nous avons beaucoup de travail à faire. Alors que l'énergie noire imprègne chaque centimètre cube d'espace-temps, elle ne se montre que dans les vides. Donc, si nous voulons étudier cette force mystérieuse qui dictera l'avenir de l'univers, nous ne pouvons pas regarder à l'intérieur des galaxies ou des amas. Leur gravité interne est tout simplement trop forte, emportant l'influence de l'énergie noire. Au lieu de cela, nous devons chercher dans les vides.

Les vides sont notre clé pour comprendre l'énergie noire. Leur croissance au cours du temps cosmique, leurs formes, leurs nombres et toutes leurs propriétés nous renseignent sur la force et l'histoire de l'énergie noire. Si l'énergie noire avait une force différente ou une évolution différente, elle apparaîtrait d'abord dans les vides. Les astrophysiciens ont déjà commencé à cartographier autant de vides cosmiques que possible dans l'univers pour comparer leurs caractéristiques et leurs caractéristiques à nos estimations théoriques. Les chercheurs espèrent que ces enquêtes à grande échelle pourront révéler les propriétés subtiles et mal comprises de l'énergie noire.

Mais il y a plus. Les vides cosmiques sont les plus grandes capsules temporelles du cosmos. En milliards d'années, ils n'ont tout simplement pas beaucoup changé. Dans les galaxies, les étoiles vivent et meurent ; la matière et la matière dérivent et se recombinent. Les galaxies ne ressemblent en rien à leur jeunesse. Mais il y a des milliards d'années, les vides étaient simples, vides. Et aujourd'hui, des milliards d'années plus tard, elles sont toujours simples et vides.

Les réponses à de nombreux mystères cosmologiques - la nature de l'énergie noire, les propriétés de l'ancien cosmos, etc. - vivent à l'intérieur des vides. Et donc peut-être que nos plus grandes idées ne viendront qu'une fois que nous regarderons dans l'abîme.

Paul M. Sutter est professeur de sciences et cosmologiste théorique à l'Institute for Advanced Computational Science de l'Université de Stony Brook et auteur de How to Die in Space : A Journey Through Dangerous Astrophysical Phenomena and Your Place in the Universe : Understanding Our Big, Messy Existence. Sutter est également l'hôte de divers programmes scientifiques et il est sur les réseaux sociaux. Découvrez son podcast Ask a Spaceman et sa page YouTube.

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