Deux fois par jour, sept jours sur sept, de février à novembre depuis quatre ans, deux chercheurs se sont superposés à des sous-vêtements thermiques et à des vêtements d’extérieur, avec de la polaire, de la flanelle, des gants doubles, des chaussettes doubles, des combinaisons rembourrées et des parkas rouges gonflés, se momifiant jusqu’à ressembler à des hommes jumeaux Michelin. Puis ils sortent, échangeant la chaleur et les commodités modernes d’une station scientifique (baby-foot, centre de fitness, cafétéria ouverte 24h/ 24) contre un paysage sans relief de moins-100 degrés Fahrenheit, plus plat que le Kansas et l’un des endroits les plus froids de la planète. Ils traînent dans l’obscurité sur près d’un kilomètre, à travers un plateau de neige et de glace, jusqu’à ce qu’ils discernent, sur fond de plus d’étoiles que n’importe quel observateur d’arrière-cour n’en a jamais vu, la silhouette du disque géant du Télescope du Pôle Sud, où ils se joignent à un effort mondial pour résoudre peut-être la plus grande énigme: de quoi la majeure partie est faite.

Pendant des milliers d’années, notre espèce a étudié le ciel nocturne et s’est demandé si quelque chose d’autre se trouvait là-bas. L’année dernière, nous avons célébré le 400e anniversaire de la réponse de Galileo: Oui. Galilée entraîna un nouvel instrument, le télescope, sur les cieux et vit des objets qu’aucune autre personne n’avait jamais vus: des centaines d’étoiles, des montagnes sur la Lune, des satellites de Jupiter. Depuis, nous avons trouvé plus de 400 planètes autour d’autres étoiles, 100 milliards d’étoiles dans notre galaxie, des centaines de milliards de galaxies au-delà de la nôtre, même le faible rayonnement qui fait écho au Big Bang.

Maintenant, les scientifiques pensent que même ce recensement extravagant de l’univers pourrait être aussi obsolète que le cosmos à cinq planètes dont Galilée a hérité des anciens. Les astronomes ont compilé des preuves que ce que nous avons toujours considéré comme l’univers réel – moi, vous, ce magazine, les planètes, les étoiles, les galaxies, toute la matière dans l’espace — ne représente que 4% de ce qui existe réellement. Le reste qu’ils appellent, faute d’un meilleur mot, sombre: 23% est quelque chose qu’ils appellent de la matière noire, et 73% est quelque chose d’encore plus mystérieux, qu’ils appellent de l’énergie sombre.

« Nous avons un inventaire complet de l’univers”, a déclaré Sean Carroll, cosmologiste de l’Institut de technologie de Californie, « et cela n’a aucun sens. »

Les scientifiques ont quelques idées sur ce que pourrait être la matière noire — des particules exotiques et encore hypothétiques – mais ils n’ont guère la moindre idée de l’énergie noire. En 2003, le Conseil national de recherches du Canada a énuméré  » Quelle est la nature de l’Énergie noire? »comme l’un des problèmes scientifiques les plus pressants des décennies à venir. Le chef du comité qui a rédigé le rapport, le cosmologiste de l’Université de Chicago Michael S. Turner, va plus loin et classe l’énergie noire comme « le mystère le plus profond de toute la science. »

L’effort pour le résoudre a mobilisé une génération d’astronomes dans une refonte de la physique et de la cosmologie pour rivaliser et peut-être dépasser la révolution inaugurée par Galilée un soir d’automne à Padoue. Ils se réconcilient avec une profonde ironie: c’est la vue elle-même qui nous a aveuglés à presque tout l’univers. Et la reconnaissance de cet aveuglement, à son tour, nous a inspirés à nous demander, comme pour la première fois: Quel est ce cosmos que nous appelons chez nous?

Les scientifiques sont parvenus à un consensus dans les années 1970 sur le fait qu’il y avait plus dans l’univers que ce que l’on peut voir. Dans les simulations informatiques de notre galaxie, la Voie Lactée, les théoriciens ont constaté que le centre ne tiendrait pas — d’après ce que nous pouvons en voir, notre galaxie n’a pas assez de masse pour tout maintenir en place. En tournant, il devrait se désintégrer, libérant des étoiles et du gaz dans toutes les directions. Soit une galaxie spirale comme la Voie Lactée viole les lois de la gravité, soit la lumière qui en émane — des vastes nuages de gaz incandescents et de la myriade d’étoiles — est une indication inexacte de la masse de la galaxie.

Mais que se passe-t-il si une partie de la masse d’une galaxie ne rayonne pas de lumière ? Si les galaxies spirales contenaient suffisamment d’une telle masse mystérieuse, alors elles pourraient bien obéir aux lois de la gravité. Les astronomes ont surnommé la masse invisible « matière noire. »

”Personne ne nous a jamais dit que toute la matière rayonnait », a déclaré Vera Rubin, une astronome dont les observations des rotations des galaxies ont fourni des preuves de la matière noire. « Nous avons juste supposé que c’était le cas. »

L’effort de compréhension de la matière noire a défini une grande partie de l’astronomie pour les deux décennies suivantes. Les astronomes ne savent peut-être pas ce qu’est la matière noire, mais en déduire sa présence leur a permis de poursuivre d’une manière nouvelle une question éternelle: Quel est le sort de l’univers ?

Ils savaient déjà que l’univers était en expansion. En 1929, l’astronome Edwin Hubble avait découvert que les galaxies lointaines s’éloignaient de nous et que plus elles s’éloignaient, plus elles semblaient reculer rapidement.

C’était une idée radicale. Au lieu de la nature morte majestueuse et éternellement immuable que l’univers semblait être, il était en fait vivant dans le temps, comme un film. Rembobinez le film de l’expansion et l’univers finirait par atteindre un état de densité et d’énergie infinies — ce que les astronomes appellent le Big Bang. Mais que se passe-t-il si vous appuyez sur avance rapide? Comment l’histoire se terminerait-elle ?

L’univers est plein de matière, et la matière attire d’autres matières par la gravité. Les astronomes ont estimé que l’attraction mutuelle entre toute cette matière devait ralentir l’expansion de l’univers. Mais ils ne savaient pas quel serait le résultat final. L’effet gravitationnel serait-il si puissant que l’univers finirait par s’étirer sur une certaine distance, s’arrêter et s’inverser, comme une balle lancée dans les airs? Ou serait-il si léger que l’univers échapperait à sa portée et ne cesserait jamais de s’étendre, comme une fusée quittant l’atmosphère terrestre? Ou vivions—nous dans un univers délicieusement équilibré, dans lequel la gravité assure un taux d’expansion des Boucles d’or ni trop rapide ni trop lent – de sorte que l’univers finirait par s’immobiliser virtuellement?

En supposant l’existence de la matière noire et que la loi de la gravitation est universelle, deux équipes d’astrophysiciens — l’une dirigée par Saul Perlmutter, au Lawrence Berkeley National Laboratory, l’autre par Brian Schmidt, à l’Australian National University — se sont attelées à déterminer l’avenir de l’univers. Tout au long des années 1990, les équipes rivales ont analysé de près un certain nombre d’étoiles en explosion, ou supernovas, en utilisant ces objets lointains inhabituellement brillants et de courte durée de vie pour évaluer la croissance de l’univers. Ils savaient à quel point les supernovas devraient apparaître brillantes à différents points de l’univers si le taux d’expansion était uniforme. En comparant la luminosité réelle des supernovas, les astronomes ont pensé qu’ils pouvaient déterminer à quel point l’expansion de l’univers ralentissait. Mais à la surprise des astronomes, lorsqu’ils ont regardé jusqu’à la moitié de l’univers, à six ou sept milliards d’années-lumière, ils ont constaté que les supernovas n’étaient pas plus brillantes — et donc plus proches — que prévu. Ils étaient plus faibles — c’est-à-dire plus éloignés. Les deux équipes ont toutes deux conclu que l’expansion de l’univers ne ralentissait pas. Ça s’accélère.

L’implication de cette découverte était capitale: cela signifiait que la force dominante dans l’évolution de l’univers n’était pas la gravité. Ça l’est…autre chose. Les deux équipes ont annoncé leurs résultats en 1998. Turner a donné au « quelque chose” un surnom: dark energy. Ça a collé. Depuis lors, les astronomes ont poursuivi le mystère de l’énergie noire jusqu’aux extrémités de la Terre — littéralement.

« Le Pôle Sud a l’environnement le plus dur sur Terre, mais aussi le plus bénin”, explique William Holzapfel, astrophysicien à l’Université de Californie à Berkeley, qui était le chercheur principal sur place au South Pole Telescope (SPT) lors de ma visite.

Il ne faisait pas référence à la météo, bien que dans la semaine entre Noël et le jour de l’An — début de l’été dans l’hémisphère Sud — le soleil brillait 24 heures sur 24, les températures étaient à peine dans les chiffres négatifs (et un jour même cassé zéro), et le vent était généralement calme. Holzapfel a fait la promenade de la station du pôle Sud Amundsen-Scott de la National Science Foundation (à un jet de boule de neige du site traditionnel du pôle lui-même, qui est marqué, oui, d’un pôle) au télescope en jeans et chaussures de course. Un après-midi, le laboratoire du télescope a été si chaud que l’équipage a ouvert une porte.

Mais du point de vue d’un astronome, ce n’est que lorsque le Soleil se couche et reste bas — de mars à septembre — que le Pôle Sud devient « bénin. »

”C’est six mois de données ininterrompues « , explique Holzapfel. Pendant les 24 heures d’obscurité de l’automne et de l’hiver austraux, le télescope fonctionne sans arrêt dans des conditions impeccables pour l’astronomie. L’atmosphère est mince (le pôle est à plus de 9 300 pieds au-dessus du niveau de la mer, dont 9 000 sont de la glace). L’atmosphère est également stable, en raison de l’absence des effets de chauffage et de refroidissement d’un soleil levant et couchant; le pôle a certains des vents les plus calmes de la Terre, et ils soufflent presque toujours de la même direction.

Peut-être le plus important pour le télescope, l’air est exceptionnellement sec; techniquement, l’Antarctique est un désert. (Les mains gercées peuvent prendre des semaines à guérir, et la transpiration n’est pas vraiment un problème d’hygiène, donc la restriction à deux douches par semaine pour conserver l’eau n’est pas un problème. Comme l’a dit un vétéran du pôle, « Au moment où vous passerez la douane à Christchurch, c’est à ce moment-là que vous aurez besoin d’une douche.”) Le SPT détecte les micro-ondes, une partie du spectre électromagnétique particulièrement sensible à la vapeur d’eau. L’air humide peut absorber les micro-ondes et les empêcher d’atteindre le télescope, et l’humidité émet son propre rayonnement, qui pourrait être mal interprété comme des signaux cosmiques.

Pour minimiser ces problèmes, les astronomes qui analysent les micro-ondes et les ondes submillimétriques ont fait du Pôle Sud une résidence secondaire. Leurs instruments résident dans le secteur sombre, un groupe restreint de bâtiments où la lumière et d’autres sources de rayonnement électromagnétique sont réduites au minimum. (À proximité se trouvent le Secteur Calme, pour la recherche en sismologie, et le secteur de l’Air pur, pour les projets climatiques.)

Les astronomes aiment dire que pour des conditions d’observation plus vierges, ils devraient aller dans l’espace — une proposition exponentiellement plus coûteuse, et que la NASA n’aime généralement pas poursuivre à moins que la science ne puisse pas être facilement faite sur Terre. (Un satellite à énergie sombre est sur et hors de la planche à dessin depuis 1999, et l’année dernière est « revenue à la case départ”, selon un conseiller de la NASA.) Au moins sur Terre, si quelque chose ne va pas avec un instrument, vous n’avez pas besoin de réquisitionner une navette spatiale pour le réparer.

Les États-Unis ont maintenu une présence toute l’année au pôle depuis 1956, et maintenant le programme antarctique américain de la National Science Foundation a ramené la vie là-bas à une science. Jusqu’en 2008, la station était logée dans un dôme géodésique dont la couronne est encore visible au-dessus de la neige. La nouvelle station de base ressemble plus à un petit bateau de croisière qu’à un avant-poste éloigné et peut accueillir plus de 150 personnes, le tout dans des quartiers privés. À travers les hublots qui bordent les deux étages, vous pouvez contempler un horizon aussi hypnotiquement plat que celui de n’importe quel océan. La nouvelle station repose sur des ascenseurs qui, à mesure que la neige s’accumule, lui permettent d’être montée sur deux étages complets.

Les chutes de neige dans cette région ultra-aride sont peut-être minimes, mais celles qui arrivent des bords du continent peuvent encore faire désordre, créant l’une des tâches les plus banales pour l’équipage hivernal du SPT. Une fois par semaine pendant les mois sombres, lorsque la population de la station diminue à environ 50, les deux chercheurs du SPT sur place doivent monter dans la boîte à micro-ondes de 33 pieds de large du télescope et la nettoyer. Le télescope recueille des données et les envoie aux bureaux de chercheurs éloignés. Les deux « hivernants » passent également leurs journées à travailler sur les données, les analysant comme s’ils étaient de retour à la maison. Mais lorsque le télescope tombe sur un problème et qu’une alarme retentit sur leurs ordinateurs portables, ils doivent comprendre rapidement quel est le problème.

 » Une heure d’arrêt représente des milliers de dollars de temps d’observation perdu ”, explique Keith Vanderlinde, l’un des deux winter-overs de 2008.  » Il y a toujours de petites choses. Un ventilateur se casse parce qu’il est tellement sec là-bas, toute la lubrification disparaît. Et puis l’ordinateur va surchauffer et s’éteindre, et tout à coup nous sommes en panne et nous ne savons pas pourquoi.”À ce stade, l’environnement pourrait ne pas sembler si « bénin” après tout. Aucun vol ne va vers ou depuis le pôle Sud de mars à octobre (l’huile moteur d’un avion se gélatinerait), donc si les hivernages ne peuvent pas réparer tout ce qui est cassé, il reste cassé – ce qui n’est pas encore arrivé.

Plus que la plupart des sciences, l’astronomie dépend du sens de la vue; avant que les astronomes puissent réinventer l’univers dans son ensemble, ils doivent d’abord comprendre comment percevoir les parties sombres. Savoir ce qu’est la matière noire aiderait les scientifiques à réfléchir à la façon dont la structure de l’univers se forme. Savoir ce que fait l’énergie noire aiderait les scientifiques à réfléchir à la façon dont cette structure a évolué au fil du temps — et comment elle continuera d’évoluer.

Les scientifiques ont quelques candidats pour la composition de la matière noire — des particules hypothétiques appelées neutralinos et axions. Pour l’énergie noire, cependant, le défi est de comprendre non pas ce que c’est, mais à quoi cela ressemble. En particulier, les astronomes veulent savoir si l’énergie sombre change dans l’espace et le temps, ou si elle est constante. Une façon de l’étudier est de mesurer les oscillations acoustiques dites baryonnes. Lorsque l’univers en était encore à ses balbutiements, âgé de seulement 379 000 ans, il s’est suffisamment refroidi pour que les baryons (particules constituées de protons et de neutrons) se séparent des photons (paquets de lumière). Cette séparation a laissé une empreinte – appelée le fond cosmologique des micro-ondes – qui peut encore être détectée aujourd’hui. Il comprend des ondes sonores (« oscillations acoustiques ») qui parcouraient l’univers infantile. Les pics de ces oscillations représentent des régions légèrement plus denses que le reste de l’univers. Et parce que la matière attire la matière par la gravité, ces régions sont devenues encore plus denses à mesure que l’univers vieillissait, coalescant d’abord en galaxies, puis en amas de galaxies. Si les astronomes comparent les oscillations originales du fond des micro-ondes cosmiques avec la distribution des galaxies à différents stades de l’histoire de l’univers, ils peuvent mesurer le taux d’expansion de l’univers.

Une autre approche pour définir l’énergie noire implique une méthode appelée lentille gravitationnelle. Selon la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, un faisceau de lumière traversant l’espace semble se plier à cause de l’attraction gravitationnelle de la matière. (En fait, c’est l’espace lui-même qui se plie, et la lumière va juste le long du trajet.) Si deux amas de galaxies se trouvent le long d’une seule ligne de visée, l’amas de premier plan agira comme une lentille qui déforme la lumière provenant de l’amas de fond. Cette distorsion peut indiquer aux astronomes la masse de l’amas de premier plan. En échantillonnant des millions de galaxies dans différentes parties de l’univers, les astronomes devraient être en mesure d’estimer la vitesse à laquelle les galaxies se sont agglomérées en amas au fil du temps, et cette vitesse à son tour leur indiquera à quelle vitesse l’univers s’est développé à différents moments de son histoire.

Le télescope du Pôle Sud utilise une troisième technique, appelée effet Sunyaev-Zel’dovich, du nom de deux physiciens soviétiques, qui s’appuie sur le fond micro-onde cosmique. Si un photon de ce dernier interagit avec un gaz chaud dans un amas, il subit une légère augmentation d’énergie. La détection de cette énergie permet aux astronomes de cartographier ces amas et de mesurer l’influence de l’énergie noire sur leur croissance tout au long de l’histoire de l’univers. C’est du moins l’espoir. « Beaucoup de gens dans la communauté ont développé ce que je pense être un scepticisme sain. Ils disent: ”C’est génial, mais montrez-nous l’argent » « , explique Holzapfel. « Et je pense que d’ici un an ou deux, nous serons en mesure de le faire. »

L’équipe du SPT se concentre sur les amas de galaxies car ce sont les plus grandes structures de l’univers, souvent composées de centaines de galaxies — elles représentent un million de milliards de fois la masse du Soleil. Alors que l’énergie noire pousse l’univers à s’étendre, les amas de galaxies auront plus de mal à se développer. Ils deviendront plus éloignés les uns des autres, et l’univers deviendra plus froid et plus solitaire.

Les amas de galaxies « sont un peu comme les canaris dans une mine de charbon en termes de formation de structures”, explique Holzapfel. Si la densité de la matière noire ou les propriétés de l’énergie noire devaient changer, l’abondance des amas « serait la première chose à modifier.”Le télescope du Pôle Sud devrait pouvoir suivre les amas de galaxies au fil du temps. « Vous pouvez dire ‘ « Il y a tant de milliards d’années, combien d’amas y avait-il, et combien y en a-t-il maintenant? » dit Holzapfel. « Et puis comparez-les à vos prédictions. »

Pourtant, toutes ces méthodes sont accompagnées d’une mise en garde. Ils supposent que nous comprenons suffisamment la gravité, qui n’est pas seulement la force qui s’oppose à l’énergie noire, mais qui est le fondement même de la physique depuis quatre siècles.

Vingt fois par seconde, un laser haut dans les montagnes de Sacramento au Nouveau-Mexique vise une impulsion de lumière sur la Lune, à 239 000 miles de distance. La cible du faisceau est l’un des trois réflecteurs de la taille d’une valise que les astronautes d’Apollo ont plantés sur la surface lunaire il y a quatre décennies. Les photons du faisceau rebondissent sur le miroir et retournent au Nouveau-Mexique. Durée totale du trajet aller-retour: 2,5 secondes, plus ou moins.

Ce « plus ou moins” fait toute la différence. En chronométrant le voyage à la vitesse de la lumière, les chercheurs de l’opération de télémétrie laser lunaire APOLLO (Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation) peuvent mesurer la distance Terre-Lune d’un instant à l’autre et cartographier l’orbite de la Lune avec une précision exquise. Comme dans l’histoire apocryphe de Galilée faisant tomber des boules de la Tour penchée de Pise pour tester l’universalité de la chute libre, APOLLON traite la Terre et la Lune comme deux boules tombant dans le champ gravitationnel du Soleil. Mario Livio, astrophysicien au Space Telescope Science Institute de Baltimore, l’appelle une « expérience absolument incroyable. »Si l’orbite de la Lune présente le moindre écart par rapport aux prédictions d’Einstein, les scientifiques pourraient devoir repenser ses équations — et peut-être même l’existence de la matière noire et de l’énergie noire.

 » Jusqu’à présent, Einstein tient le coup ”, déclare l’un des principaux observateurs d’APOLLO, l’astronome Russet McMillan, alors que son projet de cinq ans passe à mi-chemin.

Même si Einstein ne tenait pas, les chercheurs devraient d’abord éliminer d’autres possibilités, comme une erreur dans la mesure de la masse de la Terre, de la Lune ou du Soleil, avant de concéder que la relativité générale nécessite une correction. Malgré cela, les astronomes savent qu’ils tiennent la gravité pour acquise à leurs risques et périls. Ils ont déduit l’existence de la matière noire en raison de ses effets gravitationnels sur les galaxies, et l’existence de l’énergie noire en raison de ses effets anti-gravitationnels sur l’expansion de l’univers. Et si l’hypothèse sous-jacente à ces déductions jumelles – que nous savons comment fonctionne la gravité – était fausse? Une théorie de l’univers encore plus farfelue qu’une théorie postulant la matière noire et l’énergie noire peut-elle expliquer les preuves? Pour le savoir, les scientifiques testent la gravité non seulement à travers l’univers, mais sur toute la table. Jusqu’à récemment, les physiciens n’avaient pas mesuré la gravité à des distances extrêmement rapprochées.

 » Étonnant, n’est-ce pas ? » explique Eric Adelberger, coordinateur de plusieurs expériences de gravité qui se déroulent dans un laboratoire de l’Université de Washington, Seattle. « Mais ce ne serait pas étonnant si vous essayiez de le faire” — si vous essayiez de tester la gravité à des distances inférieures à un millimètre. Tester la gravité ne consiste pas simplement à rapprocher deux objets l’un de l’autre et à mesurer l’attraction entre eux. Toutes sortes d’autres choses peuvent exercer une influence gravitationnelle.

 » Il y a du métal ici ”, dit Adelberger en montrant un instrument à proximité. ”Il y a une colline ici » — en agitant vers un point passé le mur de béton qui entoure le laboratoire.  » Il y a un lac là-bas.”Il y a aussi le niveau des eaux souterraines dans le sol, qui change à chaque fois qu’il pleut. Ensuite, il y a la rotation de la Terre, la position du Soleil, la matière noire au cœur de notre galaxie.

Au cours de la dernière décennie, l’équipe de Seattle a mesuré l’attraction gravitationnelle entre deux objets à des distances de plus en plus petites, jusqu’à 56 microns (ou 1/500 de pouce), juste pour s’assurer que les équations d’Einstein pour la gravité restent vraies aux distances les plus courtes. Jusqu’à présent, ils le font.

Mais même Einstein a reconnu que sa théorie de la relativité générale n’expliquait pas entièrement l’univers. Il a passé les 30 dernières années de sa vie à essayer de concilier sa physique du très grand avec la physique de la très petite mécanique quantique. Il a échoué.

Les théoriciens ont proposé toutes sortes de possibilités pour tenter de réconcilier la relativité générale avec la mécanique quantique: des univers parallèles, des univers en collision, des univers à bulles, des univers à dimensions supplémentaires, des univers qui se reproduisent éternellement, des univers qui rebondissent du Big Bang au Big Crunch en passant par le Big Bang.

Adam Riess, un astronome qui a collaboré avec Brian Schmidt sur la découverte de l’énergie noire, dit qu’il regarde tous les jours un site Internet (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph ) où les scientifiques postent leurs analyses pour voir quelles sont les nouvelles idées qui existent. « La plupart d’entre eux sont assez loufoques”, dit-il. « Mais il est possible que quelqu’un émette une théorie profonde. »

Malgré toutes ses avancées, l’astronomie s’avère avoir travaillé sous une hypothèse incorrecte, si raisonnable: ce que vous voyez est ce que vous obtenez. Maintenant, les astronomes doivent s’adapter à l’idée que l’univers n’est pas notre substance — dans le grand schéma des choses, notre espèce, notre planète et notre galaxie et tout ce que nous avons jamais vu est, comme l’a dit le physicien théoricien Lawrence Krauss de l’Arizona State University, « un peu de pollution. »

Pourtant, les cosmologistes ont tendance à ne pas se décourager. ”Les problèmes vraiment difficiles sont énormes », explique Michael Turner, « parce que nous savons qu’ils nécessiteront une nouvelle idée folle. »Comme l’a déclaré Andreas Albrecht, cosmologiste à l’Université de Californie à Davis, lors d’une récente conférence sur l’énergie noire: « Si vous me soumettez la chronologie de l’histoire des sciences et que je pouvais choisir n’importe quel moment et n’importe quel domaine, c’est là que je voudrais être. »

Richard Panek a écrit sur Einstein pour le Smithsonian en 2005. Son livre sur la matière noire et l’énergie noire paraîtra en 2011.