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Les régions de formation stellaire sont souvent sombres en lumière visible, car la poussière masque ce qui s’y trouve. L’observatoire ALMA étudie leur rayonnement millimétrique et submillimétrique. Ses antennes couplées révèlent la poussière froide et le gaz moléculaire. Il devient ainsi possible d’explorer les régions où naissent les étoiles et où s’accumulent, autour des jeunes étoiles, les matériaux à l’origine de nouvelles planètes.
D’après les observations, l’expansion de l’Univers ne se contente pas de ralentir continuellement. À grande échelle, elle s’est accélérée au cours des époques cosmiques plus tardives. L’énergie sombre désigne une cause possible dans le cadre du modèle standard. Sa nature demeure inconnue et fait l’objet de recherches à l’aide des supernovæ, des cartes de galaxies et des lentilles gravitationnelles.
La matière noire désigne une composante de matière qui n’a pas encore été identifiée, mais dont les effets gravitationnels se manifestent dans de nombreux contextes. Les mouvements des galaxies, les lentilles gravitationnelles et les structures cosmiques ne s’expliquent pas par la seule matière ordinaire observée. Cela ne signifie pas que les particules qui la constituent ont déjà été découvertes. Des effets mesurés avec précision et une nature inconnue sont deux constats distincts.
Une planète de la taille de la Terre n’est pas automatiquement une seconde Terre. L’atmosphère, l’environnement radiatif et l’histoire de son évolution comptent également pour déterminer si des conditions propices à la vie sont possibles. Les télescopes peuvent étudier certains gaz ou le rayonnement thermique d’une planète. Ces mesures sont précieuses, mais la détection d’un seul type de molécule et la position dans la zone habitable ne prouvent ni l’habitabilité ni l’existence de la vie.
La plupart des exoplanètes ne sont pas photographiées sous la forme de mondes clairement discernables. Les astronomes mesurent plutôt leurs effets sur leur étoile hôte : des baisses régulières de luminosité, d’infimes variations de vitesse ou des changements de position. Chaque méthode favorise la détection de certains types de planètes. Seule leur combinaison permet de passer d’un signal qui attire l’attention à une description fiable de la taille, de la masse et de l’orbite.
Les grandes masses modifient les trajectoires que suit la lumière dans l’espace-temps. Lorsqu’une galaxie ou un amas de galaxies se trouve devant une source lointaine, des arcs déformés, des images multiples ou des signaux amplifiés peuvent apparaître. Les lentilles gravitationnelles sont donc à la fois des aides naturelles à l’observation et des outils de mesure de la matière qui n’émet elle-même que peu ou pas de lumière.
Les ondes gravitationnelles sont des variations de l’espace-temps qui se propagent. Des signaux mesurables particulièrement intenses sont produits lorsque des objets compacts, tels que des trous noirs ou des étoiles à neutrons, gravitent l’un autour de l’autre puis fusionnent. Les détecteurs ne mesurent pas des ondes sonores ordinaires. Ils comparent des trajets lumineux avec une précision extrême et donnent ainsi accès à des événements qui peuvent échapper à l’observation par la lumière.
Le télescope spatial James-Webb observe principalement la lumière infrarouge. Il étudie ainsi les galaxies lointaines, la formation d’étoiles dissimulée par la poussière et les atmosphères de certaines exoplanètes. Son grand miroir n’est qu’un des éléments de sa réussite. Des instruments maintenus à basse température, des spectrographes adaptés et une position d’observation permettant de bien se protéger de la chaleur parasite sont tout aussi importants.
Une année-lumière est une distance, non une durée : elle correspond à environ 9 460 milliards de kilomètres. Mais comment déterminer des distances qu’aucun mètre ruban ne peut couvrir ? Les astronomes associent des mesures géométriques à des relations connues faisant intervenir la luminosité. Cette échelle des distances s’étend des étoiles proches aux galaxies lointaines, et chaque échelon comporte ses propres incertitudes.
Le fond diffus cosmologique provient d’une époque où l’Univers est devenu pour la première fois largement transparent. Aujourd’hui, son spectre correspond à une température d’environ 2,725 kelvins. D’infimes différences d’un point du ciel à l’autre renseignent sur les premières fluctuations de densité. Elles ne montrent pas le Big Bang lui-même, mais un état précoce du cosmos, bien avant que les premières étoiles ne se mettent à briller.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation dont les faisceaux de rayonnement balaient régulièrement notre ligne de visée. Ce clignotement apparent ne signifie pas que l’étoile entière s’allume et s’éteint sans cesse. Les pulsars particulièrement stables servent d’horloges précises. Leurs signaux aident à étudier la matière compacte, les mouvements galactiques et même les variations très lentes de l’espace-temps.
Une fusée n’a pas besoin de prendre appui sur l’air. Elle accélère en éjectant vers l’arrière une masse qu’elle emporte, ce qui lui communique une quantité de mouvement dans la direction opposée. Ce principe fonctionne aussi dans le vide. Lors d’un lancement vers une orbite, acquérir une très grande vitesse latérale est généralement plus difficile que de simplement gagner de l’altitude.
Au centre de la Voie lactée se trouve Sagittarius A*, un trou noir supermassif d’environ quatre millions de masses solaires. C’est avant tout le mouvement des étoiles proches, et non une observation de son intérieur, qui a permis de déterminer sa masse. Leurs orbites font également du centre galactique un laboratoire exceptionnel pour mettre la gravitation à l’épreuve.
Un trou noir n’est pas une boule ordinaire dotée d’une surface solide. Son horizon des événements délimite une région dont aucun signal ne peut plus s’échapper. Il reste pourtant possible d’étudier son environnement. Les étoiles en orbite, le gaz chaud et les ondes gravitationnelles fournissent ainsi des informations différentes sur sa masse, son mouvement et l’espace-temps soumis à des conditions extrêmes.
Les astronautes ne flottent pas parce que la gravité serait absente en orbite terrestre. Ils se trouvent en chute libre avec leur station spatiale. Leur vitesse latérale élevée fait qu’ils passent sans cesse à côté de la Terre sans la heurter. Ce principe explique aussi pourquoi il est possible de créer temporairement des conditions d’apesanteur dans les tours de chute et les fusées-sondes.
Il n’existe pas de température uniforme dans l’espace. Le rayonnement de fond cosmologique correspond à environ 2,7 kelvins, tandis que les composants exposés au Soleil peuvent devenir chauds et les surfaces à l’abri de son rayonnement, très froides. Pour parler de la température de l’espace, il faut donc préciser ce que l’on considère : le rayonnement, un gaz raréfié ou un objet particulier dans le vide ?
Les débris spatiaux comprennent des satellites hors service, des restes de fusées et des fragments. Leur dangerosité tient non seulement à leur nombre, mais surtout à leur vitesse élevée. Même de petits éléments peuvent endommager des engins spatiaux en activité. L’effet dit de Kessler décrit la possibilité que des collisions produisent de nouveaux débris et rendent, à long terme, certaines régions orbitales de plus en plus difficiles à utiliser.
L’Univers observable a un diamètre d’environ 93 milliards d’années-lumière. Cela ne signifie pas que l’espace tout entier a cette même taille. La distinction essentielle est celle qui sépare une limite d’observation d’un véritable bord. L’expansion cosmique explique pourquoi nous pouvons voir plus loin que l’âge de l’Univers ne le laisserait supposer à première vue.
Les planètes se développent dans les disques de gaz et de poussière qui entourent les jeunes étoiles. De minuscules grains doivent d’abord donner naissance à des corps plus grands avant que la gravitation puisse accélérer sensiblement leur croissance. Les transitions entre ces différentes échelles de taille sont particulièrement délicates. Les anneaux observés, les modèles théoriques et la diversité des systèmes planétaires connus apportent à ce sujet des indices de différentes natures.
Les étoiles naissent lorsque des régions de nuages de gaz froid se condensent sous l’effet de leur propre gravité. Mais l’effondrement ne suffit pas à expliquer l’ensemble du processus. La turbulence, les champs magnétiques, la rotation et le rayonnement des jeunes étoiles influencent la quantité de matière qui s’accumule. Ce n’est que lorsque la température interne devient suffisamment élevée que s’amorce la fusion de l’hydrogène, qui assurera durablement l’apport d’énergie.
