Ces vitesses d'échelonnent entre 40 km/s pour Mercure, la plus rapprochée de l'astre central, jusqu'à 4 km/s pour la lointaine Pluton.
Ces vitesses s'accompagnent d'une force centrifuge qui compense l'attraction solaire et permet à la planète de se stabiliser sur son orbite. Plus on s'éloigne, plus l'attraction solaire est faible et plus la vitesse orbitale diminue. Pluton, cent fois plus éloignée que Mercure, se déplace dix fois plus lentement.

Notre Galaxie présente une situation analogue. Les étoiles tournent autour du centre galactique. Ce mouvement de rotation leur permet de résister à l'attraction qui, autrement, les projetterait contre le noyau central. Ainsi notre Soleil se tient à environ 25 000 années-lumière du centre, dont il fait le tour en 200 millions d'années.
A partir de la masse galactique visible, on calcule la vitesse requise pour qu'une étoile se maintienne sur son orbite stable. Puis on compare avec les données astronomiques. Surprise : comme le montre la figure suivante, les plus lointaines ont des vitesses observées bien supérieures aux valeurs calculées...


Ces observations inattendues suggèrent l'existence d'une composante de matière sombre, dispersée dans le volume de la Galaxie, surtout vers sa périphérie. Une sorte de "halo" galactique. Son champ d'attraction expliquerait pourquoi les étoiles lointaines se déplacent si vite. On estime sa masse à environ dix fois celle de toutes les étoiles visibles. D'où l'idée que 90% de la masse galactique "gravite" - les étoiles en sentent la présence - mais ne "brille" pas.
De quoi ce halo est-il constitué ? Il pourrait s'agir d'une population importante d'astres si faibles qu'ils échappent à nos instruments. Certaines observations récentes montrent que les astres faibles (naines brunes, par exemple) sont trop rares pour constituer la matière sombre.
Il pourrait aussi s'agir de nouvelles particules élémentaires, encore inconnues, et dénommées particules exotiques. Depuis quelques années, plusieurs expériences de laboratoire tentent de détecter et d'identifier ces particules. Les théoriciens, de leur côté, suggèrent l'existence de particules hypothétiques qui pourraient bien jouer le rôle de matière exotique. Aujourd'hui, à part quelques résultats encore contestés, rien ne se profile à l'horizon des laboratoires, mais les explorations se poursuivent et le moral est bon.

Les amas de galaxies semblent trop légers
La matière sombre se manifeste encore sur une plus grande échelle. Le problème des amas de galaxies nous en offre un exemple.
Une image préliminaire va nous éclairer : un caillou, lancé par un enfant, s'élève dans le ciel bleu. Comme il est attiré par la Terre, sa vitesse diminue progressivement ; il finit par s'arrêter et revient vers le sol. On pourrait calculer la masse de la Terre en mesurant la décélération du caillou.
Sur un astre moins massif, le caillou lancé avec la même force  pourrait ne pas retomber au sol : il s'échapperait dans le système solaire. Par exemple, sur Phobos, un satellite de Mars dont le rayon ne dépasse pas trente kilomètres.
Une notion utile ici : la vitesse d'échappement. C'est une vitesse minimale qu'il faut donner à un projectile pour l'extraire du champ d'attraction dans lequel il se trouve plongé. A la surface de la Terre, la vitesse d'échappement (on dit aussi vitesse de libération) est de 11 km/s ; sur la Lune, 80 fois moins massive que la Terre, cette vitesse n'est plus que de 2 km/s. A la surface de Phobos, elle ne dépasse pas 10 m/s (soit 3,6 km/h) : un enfant pourrait en éjecter un caillou.
Dans un amas, un nombre considérable (plusieurs milliers) de galaxies coexistent en un volume relativement restreint. On évalue la masse de l'amas en faisant la somme des masses des galaxies individuelles. Puis on calcule la vitesse d'échappement qui permettrait à une galaxie de s'extraire du champ de gravité de l'amas et de s'enfuir dans l'espace intergalactique.
En parallèle, on mesure la vitesse des galaxies dans cet amas. Nouvelle surprise : ces vitesses observées sont largement supérieures aux vitesses d'échappement calculées : l'amas devrait "s'évaporer" en peu de temps !
Une solution s'impose : les amas sont plus massifs que nous le pensons ou, plus précisément, que nous sommes en mesure de l'évaluer à partir de ces qui brille. Ils contiennent une composante sombre et attractive environ cinquante fois plus massive que leur composante lumineuse (étoiles). Les nouvelles vitesses d'échappement, calculées en tenant compte de cette composante, sont maintenant supérieures aux vitesses mesurées. Les amas ne risquent plus de s'évaporer.

Mirages gravitationnels
Une découverte récente, basée sur la théorie de la relativité d'Einstein, confirme la présence de matière sombre : les mirages gravitationnels.
Quand la lumière passe près d'un astre, sa trajectoire en est déviée. Prenons l'exemple d'un quasar qui, dans notre ciel, serait situé tout juste derrière une galaxie. Son image, déformée par la galaxie intermédiaire, nous arrive sous la forme d'un "anneau d'Einstein". On en connaît de nombreux exemples. Ces observations, répétées sur plusieurs quasars différents, montrent que les masses réelles des galaxies intermédiaires sont environ plusieurs dizaines de fois plus élevées que leurs masses visibles.
Des études récentes à l'aide des déformations lumineuses des images des galaxies lointaines nous permettent de reconnaître les contours des masses de matière sombre. Si nous ne savons pas encore ce qu'elle est, nous commençons à savoir où elle se trouve.
Les meilleurs estimations à l'échelle des amas et des superamas indiquent que la densité de cette matière sombre est environ soixante fois plus grande que celle de la matière lumineuse. Elle équivaudrait à la masse d'une population d'environ deux protons par mètre-cube.

La découverte de l'énergie sombre
Non seulement les galaxies s'éloignent les unes des autres - cela, on le savait grâce à Hubble depuis 1928 -, mais elles vont de plus en plus vite ! Il s'agit là d'une des plus grandes découvertes cosmologiques de ces dernières années.
Cette information étonnante nous a été fournie par l'observation d'étoiles éclatées en supernovae alors que l'Univers n'avait que la moitié de son âge présent. Pour rendre compte de leurs distances, il faut supposer l'existence d'une force de répulsion qui éloigne les galaxies les unes des autres.
Pour expliquer cette force répulsive, on est amené à invoquer la présence d'une nouvelle composante du cosmos, distribuée de façon homogène dans l'espace, appelée "énergie sombre" (ou "quintessence" pour certains). Plus étonnant encore, cette composante sombre domine la densité de l'Univers ; elle est deux fois plus importante que la matière sombre (attirante). Nous verrons plus tard comment les études récentes des fluctuations du rayonnement fossile confirment magnifiquement l'existence de cette composante.
Si cette composante répulsive est si puissante, il serait légitime de se demander pourquoi les corps continuent à s'attirer : la Lune et la Terre ; le Soleil et les planètes. La réponse est simple : c'est que, contrairement à la force d'attraction liée à la matière, qui diminue rapidement avec la distance entre les objets (loi de Newton), les effets de cette force de répulsion augmentent avec la distance et ne deviennent importants qu'à des centaines de millions d'années-lumière. Aux éloignements typiques des planètes et des étoiles, la composante matérielle attractive domine entièrement le comportement des astres. Entre la Lune et la Terre, entre la Terre et le Soleil, la répulsion est parfaitement négligeable.
Jusqu'à ce jour, la nature de cette composante cosmique nous est encore largement inconnue. Il y a quelques hypothèses, que l'on développera ultérieurement...

Sur la courbure de l'espace : la densité critique
La surface de la Terre a longtemps paru plane aux êtres humaines. L'astronome Aristarque de Samos en a mesuré la courbure quelques siècles avant J.-C. L'histoire vaut la peine d'être racontée.
Une rumeur, provenant de Thèbes (maintenant Assouan), en Egypte, voulait que la lumière du Soleil y pénètre jusqu'au fond des puits le 21 juin à midi. Tel n'était pas le cas à Alexandrie, où vivait Aristarque. Il en conclut que la Terre était ronde. Un voyage à Thèbes lui permit de vérifier le bien fondé de cette rumeur : mesurant l'angle du Soleil le 21 juin à Alexandrie, ainsi que la distance Alexandrie-Thèbes, Aristarque calcula, le premier, le rayon de la Terre. Son estimation est alors correcte à 10%, un résultat tout à fait remarquable pour l'époque. Les observations satellites, en photographiant la Terre depuis l'espace; se sont chargées de dissiper les derniers doutes quant au caractère sphérique de notre planète.
Il faut maintenant mentionner une conséquence étonnante de la théorie de la relativité générale d'Einstein : l'espace dans lequel nous vivons n'est pas nécessairement un espace plat ! Il peut avoir une courbure. La théorie admet tous les cas de figure. Cette courbure, bien spur, échappe à notre imagination : nous n'avons aucun moyen de nous la représenter.
Pourtant, la théorie d'Einstein en admet la possibilité, laissant aux scientifiques la tâche de déterminer la valeur numérique de cette courbure (comme on mesure le rayon d'une sphère).
L'espace peut-être courbe de deux façons différentes. Il peut être soit fermé comme une sphère, soit ouvert comme un tajine marocain.


Quel est la courbure de l'Univers dans lequel nous vivons ? Selon la théorie du Big Bang, elle est déterminée par la densité de matière et d'énergie qu'il contient. Si cette densité est faible, l'espace sera dit "ouvert" ; si elle est élevée, il sera dit "fermé". A la frontière entre ces deux familles de courbures se situe un espace de courbure nulle, dit "plat" ou encore "euclidien" : on dira qu'il a la "densité critique". Dans notre Univers, cette densité critique correspond à l'équivalent de six protons par mètre-cube.
Or la somme des densités de la matière sombre et de l'énergie sombre évaluée par les observations décrites précédemment donne une valeur très voisine de la densité critique. D'où la conclusion largement répétée dans les médias : nous vivons, semble-t-il, dans un Univers plat.
En peu de mots, les mesures de ces toutes dernières années - aussi bien la mesure de la distance des supernovae lointaines par lesquelles nous avons découvert l'existence de l'énergie sombre que des observations du rayonnement fossile - nous montrent que la courbure de notre Univers est très faible, sinon nulle. Nous vivons dans un espace plat, où les parallèles ne se rencontrent jamais.

Retour à la constante cosmologique
Notons que l'existence d'une énergie sombre dans le cosmos n'est en conflit avec aucune des lois de la physique connues aujourd'hui. En fait, elle était même prévisible dans le cadre de la théorie de la relativité d'Einstein, où elle est représentée sous la forme d'une "constante cosmologique". Telle est la puissance des modèles mathématiques. Ils peuvent incorporer l'existence de phénomènes inconnus et qui ne seront modifiés que beaucoup plus tard. L'existence de l'antimatière en est un exemple célèbre. Elle était déjà inscrite dans l'équation par laquelle le physicien Paul Dirac présentait en 1932 la physique quantique.
La constante cosmologique est née, rappelons-le, des efforts d'Einstein pour stabiliser l'Univers. Il s'agit, au départ, d'un terme mathématique légitime dans le cadre des équations du Big Bang. Mais à quoi correspondrait-elle dans la réalité ? Quel serait son effet sur le cosmos ?
Elle se comporterait comme une composante de matière d'un type tout à fait particulier. Sa présence se manifesterait par une force qui influencerait l'expansion du cosmos. Selon sa valeur numérique, elle pourrait être négative (correspondant à une influence attractive) ou positive (correspondant à une influence répulsive). Les nouvelles mesures de la distance des supernovae lointaines nous donnent son signe (positif, elle serait donc répulsive) ainsi que son intensité : les deux tiers de la densité totale.
Pourtant, une question reste en suspens : l'accélération observée est-elle vraiment due à l'effet de la constante cosmologique telle que prévue par la théorie de la Relativité ? Ou bien s'agit-il d'un tout autre phénomène, analogue dans ses effets mais de nature différente ? Cette question prendra toute son ampleur quand nous essaierons de voir l'avenir de l'Univers. La réponse est liée à l'observation de nombreuses supernovae situées à des distances différentes. De telles mesures sont en cours.

Sur l'âge de l'Univers
Les observations du mouvement des galaxies nous suggèrent un calcul simple : mesurons la vitesse et la distance des galaxies. Combien de temps ont-elles mis pour atteindre cette distance en s'éloignant à cette vitesse ? La réponse nous permet une évaluation approximative de l'âge de l'Univers.
Historiquement, la question a subi plusieurs rebondissements. Les premières mesures de Hubble, vers 1930, faisaient apparaître une contradiction entre la géologie et la théorie du Big Bang. L'âge du cosmos estimé au moyen de ces esures (environ deux milliards d'années) était nettement inférieur à celui du système solaire (quatre milliards et demi d'années). Par la suite, grâce à une réévaluation de l'échelle des distances, cette contradiction a disparu.
Certaines étoiles de notre Galaxie brillent depuis treize à quatorze milliards d'années. Ces estimations nous viennent de l'étude des amas dits "globulaires" dont les étoiles sont nées en même temps, peu après la formation de notre Voie Lactée; Il a été confirmé récemment par la détection de l'uranium et du thorium dans une étoile de toute première génération. Ces éléments radioactifs à longue durée de vie sont des indicateurs idéaux de l'âge des objets dans lesquels leurs abondances sont mesurées.
La théorie du Big Bang est-elle compatible avec un âge aussi grand ? L'idée sous-jacente est bien sûr qu'aucune étoile ne peut être plus vieille que l'Univers ! Les modèles détaillés incorporant les effets de l'énergie sombre, aujourd'hui, sont parfaitement compatibles (treize à quinze milliards d'années) avec l'âge des plus vieilles étoiles.
En fait, cette compatibilité entre la fourchette des âges délimitée par l'étude des étoiles et l'observation du mouvement des galaxies peut être considérée comme un argument de plus en faveur du Big Bang. Or, rin ne la garantissait a priori. Il suffit de détecter une étoile dont l'âge serait, disons de cinquante milliards d'années pour remettre en cuase la théorie du Big Bang. Jusqu'ici, on n'en a jamais observé.

Glaner
Avant de poursuivre le voyage, glanons quelques résultats numériques qui vont nous familiariser avec le scénario du Big Bang.
Le rayonnement fossile nous apprend que la température actuelle du cosmos est de 2,7 K (soit environ -270°C). Supposons une galaxie bleue avec une longueur d'onde d'environ trois dixièmes de micron (300 nm). Si ce rayonnement nous arrive avec une longueur d'onde deux fois plus grande (600 nm, elle serait rouge), c'est que nous la voyons telle qu'elle était à une époque où la température du cosmos était plus élevée qu'aujourd'hui (5,5 K), et la densité moyenne huit fois plus élevée qu'aujourd'hui. Elle était alors deux fois plus proche de nous ; elle est maintenant à une dizaine de milliards d'années-lumière, elle était à 5 milliards d'années-lumière quand elle a émis sa lumière bleue. L'Univers avait alors un peu plus de 5 milliards d'années. Elle s'éloigne de nous à 60% de la vitesse de la lumière.
La figure qui suit montre d'autres exemples numériques. Elle illustre un fait important : les galaxies lointaines baignaient dans un rayonnement plus chaud quand elles ont émis les photons que nous recevons maintenant. On a pu récemment mesurer la température de ce rayonnement pour une galaxie située à huit milliards d'années-lumière : la température mesurée (8,8 K) est telle que prévue par la théorie et confirme une fois de plus le scénario du Big Bang.



Quel est l'avenir du monde ?
Le cosmos va-t-il continuer à se refroidir indéfiniment, approchant indéfiniment du zéro absolu  ? Ou bien, à l'instar du caillou lancé par l'enfant et qui revient vers le sol, va-t-il inverser son mouvement ? L'expansion se transformera-t-elle en une contraction générale ramenant les galaxies les unes vers les autres, entraînement un réchauffement futur du cosmos ? La théorie du Big Bang admet les deux scénarios. Mais dans lequel notre Univers est-il inscrit ?
La question de l'avenir de l'Univers est intimement liée à la fois à la densité de matière gravitante et à la densité d'énergie sombre. Les deux interviennent, mais d'une façon très différente.
La matière gravitante (sombre et lumineuse) ralentit le mouvement d'expansion de l'Univers. Dans un monde à faible densité, les galaxies s'éloigneraient sans arrêt, et l'Univers se raréfierait indéfiniment. A l'inverse, dans un Univers très dense, le mouvement des galaxies en viendrait à s'inverser et l'espace à se recontracter. Si la matière gravitante avait la densité critique, l'Univers s'étalerait, mais en ralentissant progressivement, sans pour autant jamais se recontracter. La température tendrait vers le zéro absolu, mais de plus en plus lentement, ne l'atteignant qu'après une période infinie.
La figure suivante montre les trajectoires suivie par des univers hypothétiques de densité gravitante différente, en l'absence d'une composante d'énergie sombre répulsive. L'axe vertical décrit l'étalement de l'espace (par exemple la distance entre deux particules) en fonction du temps.