Innehållsförteckning för HS No. 293 från Science & Vie

Notre compréhension de l’Univers, ce que les théoriciens appellent le “modèle cosmologique”, se situe à un tournant de son histoire. D’un côté, il s’est érigé sur les fondations de la théorie de la relativité générale, chef-d’œuvre incontesté du génie Einstein. De l’autre, il est tiraillé par des questions lancinantes qui restent toujours sans réponse, témoignant de son incomplétude: comment décrire l’instant zéro de l’Univers? Comment expliquer son évolution et l’accélération subite de son expansion? Et le fait que la matière noire, la fameuse “masse manquante”, reste désespérément invisible ? Force est de constater que notre modèle n’en est qu’à ses débuts. Rappelons-nous que l’existence d’autres galaxies a été découverte il y a moins d’un siècle. Que le concept même du big bang n’est largement accepté que depuis cinquante ans. Et…

Cette image du “fond diffus cosmologique” (FDC) représente le rayonnement émis par l’Univers 380 000 ans après le big bang. Soit les mesures les plus proches des origines, et donc notre meilleur espoir de remonter vers le big bang et l’inflation. Fluctuations de température La majorité de nos connaissances sur l’inflation provient de l’analyse des fluctuations de température du FDC. Les variations, de l’ordre de 10-5 degré (0,00001) par rapport à celle du rayonnement d’un corps noir que le FDC est censé avoir, révèlent l’empreinte des fluctuations primordiales à l’origine des grandes structures de l’Univers. Distorsions spectrales Les écarts spectraux par rapport au rayonnement d’un corps noir permettraient d’en savoir plus sur l’évolution de l’inflation. Mais les seules observations de distorsions spectrales primordiales du FDC qui permettraient une telle analyse…

De l’hydrogène à l’uranium, la formation des éléments chimiques du tableau de Mendeleïev est le résultat de quatre processus distincts. 1. Les plus légers sont nés du refroidissement primordial Lorsque la température de l’Univers primordial passe sous le milliard de degrés kelvin, une centaine de secondes après le big bang, les noyaux les plus légers se forment par combinaison de protons et de neutrons. 2. Les atomes suivants ont été forgés au coeur des étoiles 100 millions d’années après le big bang, la température croissante au coeur des étoiles permet des réactions de fusion nucléaire en chaîne, comme celle de l’hydrogène, de l’hélium, qui forgent des éléments plus lourds, jusqu’au nickel. 3. Les gros ont profité de l’absorption de neutrons Dans le coeur de certaines étoiles, des réactions produisent des…

MACS0416-Y1 est-elle une galaxie ou un groupe d’amas d’étoiles ? À 13,2 milliards d’annéeslumière de distance, la frontière entre les deux est infime. Et dépend en partie des outils qui ont permis de détecter sa luminosité. Les images prises en lumière optique par le télescope spatial Hubble (ci-dessus, en bas), montrent trois amas d’étoiles, à l’est (E), au centre (C) et à l’ouest (W). Celles prises en ondes radio par l’interféromètre Alma (en haut) révèlent, au contraire, la présence d’une galaxie à part entière. C’est cette vision qui a finalement été adoptée par les astrophysiciens.…

Le wimp Le principe Apparue dans le cadre des extensions dites supersymétriques du modèle standard de la physique de l’infiniment petit, cette particule présente sur le papier toutes les caractéristiques de la matière noire. L’état de la recherche Après avoir suscité tous les espoirs, il est en perte de vitesse faute d’avoir été détectée, malgré d’intenses recherches depuis vingt ans. L’axion Le principe Cette particule a été imaginée dans le cadre de la théorie de l’interaction forte entre les quarks, afin d’expliquer pourquoi cette interaction respecte certaines symétries mathématiques. L’état de la recherche Moins en vogue pendant longtemps que le wimp, elle a le vent en poupe depuis que cette dernière reste insaisissable. La gravitation modifiée Le principe Ces théories tentent d’expliquer les mouvements des astres et du cosmos en…

À l’origine du big bang Le principe Notre Univers serait né d’un trou noir inversé. Un trou noir supermassif issu d’un ancien Univers, où toute la matière s’est réunie en un point, avant d’exploser en big bang, marquant ainsi l’avènement de notre Univers. L’état de la recherche Très théorique. Pour valider cette thèse, il faudrait remonter aux premières nanosecondes après le big bang, période que la physique actuelle peine à décrire avec ses modèles de la quantique et de la relativité. Un pont dans l’espace-temps Le principe Les trous noirs seraient des trous de ver, un objet –théoriquement possible– reliant deux points de l’espace-temps. On pourrait donc y pénétrer ici, pour ressortir immédiatement ailleurs: autre lieu, autre temporalité. L’état de la recherche Possible en théorie… Mais difficile à vérifier. Cette…

L’énergie du vide Le principe L’énergie noire résulterait de l’énergie du vide qui, selon la mécanique quantique, serait non nulle et remplirait les régions dépourvues de matière de l’Univers. L’état de la recherche Même si le calcul théorique demeure aberrant, l’hypothèse reste soutenue par certains chercheurs. Les observations ont d’ailleurs permis de mieux délimiter les “bulles” de vide entre les galaxies. La quintessence Le principe L’énergie noire serait un champ scalaire induisant une cinquième interaction fondamentale avec la matière, notamment la matière noire. L’état de la recherche Fortes de la confirmation de l’existence du champ scalaire de Higgs, plusieurs théories ont fleuri pour décrire cette quintessence, sans aucune preuve expérimentale à ce jour. L’énergie perdue Le principe L’énergie noire serait l’énergie dissipée par la matière lorsqu’elle se déplace dans le…

Deux grandes stratégies permettent de mesurer le taux d’expansion de l’Univers, autrement dit la constante de Hubble notée H0. Mais ces deux stratégies, l’une globale (mesures du bas) et l’autre locale (en haut), ne coïncident plus ! Céphéides et supernovae Fondée sur ces deux types d’étoiles, dites “chandelles de référence”, et les données du télescope Hubble, c’est la mesure directe la plus précise à ce jour… et la plus divergente. Géantes rouges Ces anciennes étoiles pourraient pallier les défauts des Céphéides et des supernovae de type Ia… Mais la valeur de H0, si elle réduit la tension, pourrait aussi être entachée d’erreurs. Lentilles gravitationnelles Très attendus, les résultats de cette nouvelle approche fondée sur les mirages gravitationnels de galaxies très lumineuses (quasars) ne font que renforcer la crise du modèle…

C’est une découverte fortuite. Et décisive. Tout commence en 1948, quand trois théoriciens, qui publient différents scénarios du big bang, prédisent un rayonnement d’un genre nouveau: le fond diffus cosmologique, un vestige électromagnétique du big bang baignant l’Univers. Un signal à peine quelques kelvins au-dessus du zéro absolu. Autrement dit, seules de puissantes antennes radio pourraient le détecter. Sauf qu’on n’en capte aucun signe tangible jusqu’aux années 1960. Deux physiciens américains, Arno Penzias et Woodrow Wilson, construisent alors un impressionnant radiomètre… sans même songer au fond diffus cosmologique. Or, surprise! Un “bruit de fond” permanent s’invite sur leurs écrans: c’est le rayonnement fossile! Publiée en 1965, cette découverte assoit définitivement la théorie du big bang.…

Nous sommes confinés sur l’une des centaines de milliards de planètes de la Voie lactée, une galaxie parmi 2000milliards d’autres dans l’Univers… qui, lui-même, à son tour, pourrait n’être qu’un grain de poussière perdu parmi des milliards d’autres? L’idée d’un “multivers” (contraction de “multiple” et d’“univers”) donne le vertige. Pourtant son existence découle assez naturellement de plusieurs de nos théories physiques actuelles les plus solides, la relativité générale, l’inflation, la physique quantique… Chacune admet la possibilité d’un multivers, doté de caractéristiques propres. Ainsi, il n’existerait pas un seul, mais une multitude de multivers! Les Univers parallèles pulluleraient autour de nous. Une thèse très sérieusement défendue par des chercheurs comme le célèbre Stephen Hawking ou le Français Aurélien Barrau. Le problème, c’est qu’on n’en a pas la moindre preuve observationnelle. Pis:…

Pour corriger les effets de la turbulence atmosphérique, qui rendent floues les images prises avec les télescopes géants ultrasensibles, les astronomes ont développé l’optique adaptative : le télescope filme à très haute vitesse une étoile située dans le champ céleste à photographier ; un ordinateur, relié à un petit miroir souple, soutenu par des centaines de minuscules actuateurs, lit cette image et déforme le miroir en temps réel afin de corriger, mille fois par seconde, le flou atmosphérique.…

Big Bang T° infinie L’espace, le temps et l’énergie sont concentrés en un point minuscule, de densité et de température extrêmes. Une hypothèse qui expliquerait l’expansion de l’Univers telle que nous l’observons. Ère de Planck 1032 °C Les 4 forces qui régissent l’Univers (gravitation, électromagnétisme, interactions forte et faible) apparaissent et sont unifiées. La masse de l’Univers est minime : il n’est qu’énergie pure. Ère de l’inflation 1027 °C En une fraction de seconde, son volume augmente de façon exponentielle. Des particules de matière et d’antimatière s’annihilent en permanence dans un feu d’artifice de photons. Ère des particules 1013 °C L’Univers se peuple de particules élémentaires (quarks), qui vont s’assembler pour former un plasma de protons, neutrons, électrons, neutrinos et photons qui ne cessent d’interagir. Ère des noyaux 109 °C…

Une première lueur… Il y a un peu plus de 13 milliards d’années, un premier phare s’est allumé dans l’Univers naissant. La première étoile de l’aube cosmique, annonciatrice d’un immense feu d’artifice, celui de milliards d’astres embrasant bientôt l’Univers entier, lui donnant en quelque sorte naissance. Car c’est la chaleur, la lumière et les espèces chimiques fabriquées au cœur de ces étoiles qui constituent les bases de notre monde. Or, non seulement on pense avoir enfin repéré l’empreinte que cet événement fondateur a laissée un peu plus tard dans notre Univers, mais on est aussi sur le point de capter la lueur originelle des toutes premières étoiles! On imagine aisément qu’identifier des indices de cette lueur primitive dans l’Univers observable aujourd’hui constitue un des Graal de l’astronomie. Mais la tâche…

Je ne vois pas aujourd’hui de mystère plus prégnant”, lâche simplement Benoît Famaey, à l’Observatoire astronomique de Strasbourg. Cette énigme monumentale porte un nom, la matière noire : une matière nécessaire pour que le cosmos se comporte tel qu’on l’observe, mais dont la nature nous échappe entièrement, tout comme son apparence, puisqu’elle demeure absolument invisible malgré des décennies de traque. Mystère d’autant plus grand que cette “masse manquante” devrait être largement majoritaire. Une fois recensée la totalité de la matière du cosmos, celle qui compose les galaxies, les étoiles, les planètes et nous-mêmes, le compte n’y est clairement pas. Cette matière, dite ordinaire, ne représente que 15% du total. Autrement dit, 85% de la matière de l’Univers nous échappe totalement. Telle est l’ampleur du mystère de la matière noire. Difficile…

Dans le grand bestiaire de l’astrophysique, difficile de trouver plus effrayant que les trous noirs. Ces monstres invisibles du cosmos engloutissent tout ce qui traverse leur “horizon”. Rien n’en réchappe, pas même la lumière. La faute à une densité si forte qu’elle crée une courbure de l’espace-temps, un puits sans fond vers un abîme gravitationnel. Pourtant, au-delà de leur pouvoir de destruction, on découvre depuis peu que les trous noirs jouent sans doute un rôle beaucoup plus important qu’on ne le pensait, et peut-être même créateur au sein de l’Univers. Depuis 2015, et les premières détections d’ondes gravitationnelles (des torsions de notre espace-temps), les astrophysiciens ont en effet mis en lumière un rôle inattendu, et encore mal compris, de ces agents de l’ombre: celui de véritables chefs d’orchestre du cosmos.…

Pourquoi le monde existe-t-il ? Ce vertige de la philosophie apparaît aux cosmologistes comme l’un des plus grands mystères de notre monde. Car selon le modèle cosmologique en vigueur, c’est très clair, il ne devrait rien y avoir. Pas de majestueuses nébuleuses s’étalant paresseusement dans l’espace. Pas de galaxies tourbillonnant sur elles-mêmes. Pas d’étoiles scintillant dans l’obscurité sidérale. Pas de trous noirs, pas de gaz, pas de planètes. Rien. Et donc, surtout pas de vie. Bref, l’Univers ne devrait être qu’un espace-temps désespérément vide, baignant tout juste dans une pâle et diffuse lueur issue de cette monumentale annihilation originelle. Un non-univers, en quelque sorte. Or c’est tout le contraire: étoiles, galaxies, planètes… existent bel et bien. Et même la vie, dont nous sommes la preuve en chair et en os!…

On a un éléphant dans le cockpit et personne ne le voit! C’est exactement le sentiment qu’évoque l’énergie noire. Selon les calculs, elle représente 68% de l’énergie totale du cosmos, écrasant de fait toutes les autres formes d’énergies de l’Univers: atomes, neutrinos, matière noire, photons… Et pourtant, aucune expérience, aucun télescope n’est capable d’attester la présence de ce mastodonte. D’où son nom: “noire” ou “sombre” (de dark, en anglais), parce qu’elle reste invisible à nos yeux. En revanche, les questions, elles, s’affichent ostensiblement: de quoi est constituée cette énergie noire ? D’où vient-elle ? Comment agit-elle pour contrer les effets attractifs de la gravité et pousser l’Univers à accélérer son expansion? “Ce sont les questions les plus intrigantes et les plus débattues de la cosmologie”, atteste la théoricienne et cosmologiste…

Quelle est la forme de l’Univers? Le modèle du big bang pourrait laisser penser à une sphère en expansion. Pourtant, pour les astronomes, cela ne fait aucun doute : notre Univers est plat ! Leurs mesures montrent en effet que la lumière, y compris la plus lointaine, se déplace toujours en ligne droite. Mais cela ne signifie pas pour autant que l’Univers serait un disque qui s’agrandit au fil du temps… Pour se figurer sa forme, il faut penser en quatre dimensions, car espace et temps sont indissociables. C’est la raison pour laquelle les astronomes font en général une analogie : si l’Univers avait une courbure positive, il serait clos, comme la surface d’une sphère. S’il accusait une courbure négative, il ressemblerait à une selle de cheval, en forme de…

INSAISISSABLES TROUS NOIRS ON RÉVÈLE SON BESTIAIRE INVISIBLE On pensait qu’ils resteraient à jamais invisibles, leur pouvoir d’attraction étant si puissant que rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière. Et pourtant, ceci est bien la première image d’un trou noir. À l’origine de cet exploit : l’Event Horizon Telescope, un immense réseau d’antennes (radiotélescopes) réparties sur cinq continents. Il a permis de dévoiler le halo de matière qui entoure ce trou noir situé au coeur de la galaxie M87, à 50 millions d’annéeslumière de la Terre. SECRÈTES ÉTOILES Objets brillants par excellence, les étoiles sont faciles à déceler. Leur surface, en revanche, est quasiment impossible à observer de façon nette. C’est pourtant ce qu’a réussi à faire le VLTi, un interféromètre de 100 m de diamètre, 50 fois…

Avec l’augmentation de la taille des caméras CCD –on est passé du million au milliard de pixels en seulement vingt-cinq ans ! –, le champ de vision des télescopes a considérablement augmenté, permettant aux chercheurs d’embrasser d’un seul coup d’oeil des dizaines de millions d’étoiles et de galaxies, ou encore de découvrir des centaines de milliers d’astéroïdes… Grâce à la haute résolution, il est possible de zoomer dans ces images grand champ sans trop perdre de détails. L’ensemble du ciel nocturne est désormais totalement scanné, 24 heures sur 24, par les télescopes : plus rien ne leur échappe.…

Née 250 millions d’années après le big bang, MACS1149-JD1 est une des plus anciennes galaxies identifiées à ce jour. Une simulation, publiée par les équipes du radiotélescope Alma, montre comment ses étoiles se sont allumées. 1 Une formidable concentration de matière 190 millions d’années après le big bang, la matière s’est structurée en filaments sous l’effet de la gravitation. À l’intersection entre ces filaments, la densité de matière est maximale et se concentre encore localement. 2 Premières réactions nucléaires 280 millions d’années après le big bang, dans les points où la matière est hyperconcentrée, des réactions nucléaires se produisent : la création d’étoiles est intense. Ces jeunes astres brûlent rapidement. 3 Une nouvelle flambée 530 millions d’années après le big bang, le gaz éjecté par les étoiles, et notamment l’explosion…

Les orbites initiales, serrées et circulaires (a), sont perturbées par le couplage des orbites de Jupiter (en orange) et de Saturne (en vert). Il provoque l’éloignement de Neptune (en bleu) et d’Uranus (en turquoise) (b), ce qui éparpille des planétésimaux, dont une grande partie est éjectée (c).…

1 Des embryons d’étoiles 800 millions d’années après le big bang, la galaxie, issue d’embryons de quelques milliers d’étoiles qui se regroupent sous l’effet de leur gravité, émerge du gaz qui foisonne alors dans le cosmos. 2 Une explosion de la formation stellaire 2 milliards d’années après le big bang, la galaxie absorbe le gaz alentour et voit son taux de formation stellaire exploser: plusieurs centaines d’étoiles naissent par an. Elle atteint bientôt 200 millions de masses solaires. 3 Des fusions successives Après 13 milliards d’années, la galaxie a ingurgité la majorité du gaz à sa portée et fusionné avec ses voisines, qui ont suivi la même évolution. Ses bras spiraux se forment et lui donnent cette allure bien familière.…

Les neutrinos Le principe Des réactions entre neutrinos et antineutrinos favorisent l’apparition de matière. Au moment du big bang, elles auraient engendré l’asymétrie cosmique observée aujourd’hui. L’état de la recherche Si elle comporte des ingrédients spéculatifs, c’est aujourd’hui la piste privilégiée par la majorité des physiciens. Des expériences semblent aller dans ce sens, sans en apporter de preuve indiscutable. La baryogénèse supersymétrique Le principe Certaines théories spéculatives introduites pour compléter le modèle standard de la physique des particules prédisent une violation de la symétrie CP suffisante dans les réactions entre quarks, qui pourrait expliquer la disparition de l’antimatière. L’état de la recherche Cette hypothèse, non majoritaire, n’est pas strictement exclue, mais rien ne la valide à ce jour expérimentalement. La masse négative Le principe L’antimatière n’aurait pas disparu de l’Univers:…

Notre modèle cosmologique traverse en ce moment l’une des périodes les plus troubles de son histoire. Jugez plutôt: l’Univers s’étendrait 9% plus vite que ce que prédit la théorie! Si cette différence nous paraît bien modeste, elle est en revanche pour les cosmologistes et les astrophysiciens proprement vertigineuse. Un tel écart pourrait en effet conduire à une profonde révision de nos connaissances sur l’âge de l’Univers et son avenir, voire remettre en cause les lois mêmes de la physique! “Cette crise est peut-être le signe que nous sommes en train d’apprendre des choses nouvelles”, confirme l’astrophysicien et cosmologiste Adam Riess, de l’université Johns-Hopkins (États-Unis ). Et en matière de rupture, il en connaît un rayon.Co-découvreur de l’énergie noire au tournant du XXIe siècle (lire p. 78), Adam Riess est à…

Comment le monde va-t-il finir ? Levons d’emblée le suspense… La fin du film est connue : toutes formes de vie, terrestre et extraterrestre, étoiles, galaxies et jusqu’aux trous noirs les plus massifs, toute la matière du cosmos va être balayée. Mais le spectaculaire n’est pas là. Il est dans l’étonnante diversité des manières d’y parvenir. Et ce d’autant que la crise actuelle du modèle cosmologique ravive les interrogations. Car si la théorie tombe, il faudra refaire toutes les prédictions. À l’origine des incertitudes : l’énergie noire. De son comportement dépendra le futur de l’Univers. Expansion infinie ? Effondrement sur lui-même ? Voici les scénarios de la fin du monde. BIG FREEZE Le grand gel PROBABILITÉ HAUTE HYPOTHÈSE L’EXPANSION SE POURSUIT AU MÊME RYTHME Si le modèle cosmologique actuel voit…

Combien de temps faudrait-il pour aller sur une exoplanète? Avec les fusées actuelles à propulsion chimique, il faudrait pas moins de… 300 000 ans pour atteindre la bien nommée Proxima b, l’exoplanète la plus proche de la Terre. En orbite autour de l’étoile Proxima Centauri, elle est située à environ 4,2 années-lumière de notre planète (soit la distance que parcourt la lumière en 4,2 années). À titre de comparaison, la lumière du Soleil met 8 minutes à parvenir jusqu’à nous. On imagine le défi technique que représenterait un tel voyage, alors qu’un hypothétique aller vers Mars prendrait déjà 9 mois. Encore faudrait-il pouvoir emporter assez de carburant et de nourriture ; et que des générations de voyageurs survivent à l’aventure et aux affres de la vie dans l’espace, dont on…