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C’est l’été et Podcast Science est en vacances. Et puisque nous n’enregistrons pas, nous en profitons pour vous proposer d’écouter la petite discussion entre animateurs de Podcast Science qui a suivi la seconde partie du dossier de Mathieu sur le vide et dont jusqu’à présent seuls les auditeurs du live avaient pu profiter. Il n’était pas initialement prévu de diffuser cette discussion informelle, nous sommes donc désolés pour les bruits de clavier et autres bruits parasites et espérons qu’ils ne rendront pas l’écoute trop pénible.

La quote de la semaine était

“Le Big Bang n’est pas un cadeau de Dieu, c’est simplement la limite de nos équations.”
Pierre Binétruy

Les liens évoqués

La seconde partie du dossier de Mathieu sur le vide qui a donné lieu à cette discussions: http://bit.ly/XI5dfs

La prochaine fois

Nous sommes en vacances! Nous vous attendons nombreux pour la reprise le 5 septembre, avec notre ami Jonathan, de Voyagecast, qui viendra nous parler des rapports entre science et science-fiction, sur fond de nanotechnologies!

Dans l’intervalle, Nicotupe vous prépare peut-être aussi une petite surprise…

Un bel été à toutes et à tous!

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Dossier – La Matière Noire

On 07.04.2011, in Dossiers, by Mathieu
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Pourquoi parle-t-on de matière noire?

galaxie spirale

C’est en 1933 que l’astronome suisse Fritz Zwicky usa pour la première fois le terme “matière noire”, suite à des mesures qu’il a effectué pour déduire la masse dite « masse dynamique » d’un amas de galaxies, celle due à l’effet de gravitation, puis la comparer avec la masse dite « masse lumineuse », qui est la masse déduite de la quantité de lumière. Zwicky fut surpris de constater que les vitesses observées dans l’amas de galaxies de Coma étaient très élevées. La masse dynamique était 400 fois plus grande que la masse lumineuse. À l’époque, les méthodes et la précision des mesures n’étaient pas assez bonnes pour ne pas exclure des erreurs de mesure et son observation tomba dans l’oubli.

C’est plus tard, dans les années 1970, l’astronome américaine Vera Rubin étudia la rotation (ou pluôt la courbe de rotation) des galaxies en spirales.

Les étoiles des galaxies spirales ne sont pas statiques:

  • Elles ont un mouvement circulaire autour du centre de la galaxie.
  • La force centrifuge due à cette rotation compense la force de gravitation, c’est elle qui empêche les étoiles de s’effondrer vers le cœur des galaxies.

Une galaxie spirale semble, en première approximation, être similaire à un système solaire:

  • les étoiles tournent autour du bulbe central de la galaxie spirale comme les planètes tournent autour du Soleil.
  • La vitesse de rotation des étoiles est fixée par la masse du coeur de la galaxie et la distance qui les en sépare,  comme la vitesse de rotation des planètes est fixée par la masse du Soleil et la distance qui les en sépare.

La courbe de rotation décrit la vitesse de rotation de la galaxie sur elle-même en fonction de la distance au centre. La vitesse maximale de rotation d’une galaxie spirale se trouve très proche du centre de la galaxie, puis la vitesse est censée décroître en s’éloignant du centre. Les étoiles se situant à la périphérie de la galaxie devraient tourner moins vite que celles plus près du centre. On devrait donc s’attendre à une décroissance de la vitesse au fur et à mesure que la distance au centre de la galaxie augmente comme on l’observe dans le système solaire pour les vitesses des planètes. La courbe de rotation devrait donc avoir tendance à redescendre plus on s’éloigne du centre de la galaxie.

Or, Vera Rubin observa que les étoiles situées à la périphérie de la galaxie d’Andromède — comme pour les autres galaxies spirales — semblent tourner trop vite. Leurs vitesses restent pratiquement constantes au fur et à mesure que l’on s’éloigne du centre de la galaxie, elles ne décroissent pas. L’analyse des vitesses dans les galaxies elliptiques fait apparaître le même problème que dans les galaxies spirales. Comment imaginer alors que les étoiles, principales composantes de matière dans les galaxies, tournent de manière non-képlerienne, c’est-à-dire ne suivent tout simplement plus les lois de la gravitation ? Une solution possible est que les galaxies contiennent une composante non détectée, dont l’attraction gravitationnelle est responsable de l’écart observé.

Une explication serait d’imaginer l’existence d’un gigantesque halo de matière non visible, donc de matière noire, entourant et englobant les galaxies. Un halo qui représenterait jusqu’à près de 90 % de la masse totale de la galaxie.

Ainsi toutes les étoiles se trouvent presque au centre de l’extension véritable de la « galaxie » (cette fois-ci composée de la galaxie visible et du halo de matière noire), et tournent donc normalement. Cela revient à dire que les étoiles, même celles à la périphérie visible de la galaxie, ne sont pas « assez loin » du centre véritable du halo de matière noire pour être dans la partie descendante de la courbe de rotation. Les mouvements de galaxies au sein des amas de galaxies ont révélé le même problème que l’étude des mouvements des étoiles dans les galaxies et suggèrent donc la présence de matière noire entre les galaxies. L’observation des amas de galaxies permet de montrer que la matière noire est distribuée de façon moins concentrée, plus étendue, que la matière ordinaire.

Des simulations informatiques indiquent que sur des petites échelles, la matière noire aurait tendance à former des grumeaux, avec des masses individuelles allant de celle de la Terre à celle d’une galaxie. La matière noire serait donc une sorte de pâte englobant les amas de galaxies, contenant une multitude de grumeaux de petite taille.

Rotation Galactique

La matière baryonique et non-baryonique

La matière noire (ou matière sombre)  désigne donc une catégorie de matière hypothétique jusqu’à présent non détectée, mais invoquée pour rendre compte des observations sur la vitesse de rotation des galaxies.
Des analyses indiquent clairement que l’Univers contient plus de matière que celle que l’on voit.
Certaines estimations de la densité de l’univers et l’estimation de sa densité sous forme d’atomes, donc sous forme de matière baryonique, impliquent plutôt une nature non-baryonique, et donc encore inconnue, de la matière noire.

  • La matière baryonique désigne toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons.
    • En pratique, ce qu’on appelle matière baryonique correspond aux protons, et aux neutrons qui composent les atomes et les molécules et toutes les structures visibles dans l’univers observable.
    • Protons et neutrons auxquels on adjoint implicitement les électrons (qui ne sont pas des baryons, mais des leptons).
  • Le terme de matière non-baryonique est fréquemment utilisé pour décrire toute forme de matière exotique autre que baryons, leptons et photon.
    • La matière noire serait donc une forme de matière non-baryonique, dont on pense qu’elle est composée de particules élémentaires n’existant pas sur Terre et très difficiles à détecter expérimentalement.
    • La matière non-baryonique n’est pas présente dans les étoiles, mais interviendrait dans la structure et la dynamique des galaxies et des amas de galaxies, sans toutefois émettre de rayonnement.

La matière noire serait donc une matière non-baryonique, non rayonnante qui n’intéragit pas avec les photons, et on ne la voit donc pas.
La théorie du Big Banget l’étude du rayonnement du fond cosmologique a donné des résultats intéressants:

  • L’Univers est plat, euclidien.
  • On a pu calculer le nombre de baryons de tout l’Univers, les astronomes en sont arrivés à un taux de matière baryonique d’environ 4 % de la densité critique de l’Univers.
  • Or, pour expliquer la géométrie plate de l’Univers, la matière totale de l’Univers doit représenter 27 % de la densité critique (les 73 % restants étant de l’énergie noire).
  • Il manque donc 23 % de la densité critique sous forme de matière non-baryonique; c’est-à-dire constituée par d’autres particules que les baryons.
  • La densité de l’Univers est ainsi plus grande que celle que l’on observe.

Répartition de la Matière dans l'Univers

Peu de temps après le Big Bang, l’Univers, qui est composé de protons, de neutrons, d’électrons, de photons et autres particules, est à peu près homogène, c’est-à-dire uniforme en tout point, car sa température est trop élevée pour permettre aux particules qui forment les atomes de se regrouper.
Aujourd’hui, lorsque l’on observe la répartition des objets dans l’Univers, on remarque qu’ils ne sont pas distribués de manière uniforme: l’espace est occupé par des amas de galaxies et des objets stellaires répartis de façon inhomogène.

Comment a-t-on pu passer d’un Univers initial homogène à un Univers actuel inhomogène? On émet alors l’hypothèse que ce sont des fluctuations initiales de densité de la matière noire peu après le Big Bang qui seraient à l’origine de la formation des galaxies et des amas de galaxies, répartis de façon non uniforme dans l’Univers. Une étude approfondie montre que la matière noire, en proportion beaucoup plus élevée que la matière ordinaire est capable sous l’effet de sa propre gravitation de créer des agrégats de matière. Pour que ce scénario ait pu avoir lieu, il faut que la matière noire soit électriquement neutre, pour ne pas interagir avec les particules chargées de la matière ordinaire (baryonique), et permettre ainsi leur effondrement gravitationnel qui a mené à la création des objets astronomiques que l’on connaît. Cela nous comfirme que la matière noire devrait donc être constituée d’un nouveau type de particule non-baryonique (car tous les baryons connus sont chargés).

La nature de la matière noire

Différentes hypothèses ont été avancées pour expliquer la nature de la matière noire.

Les MACHO

  • Il n’est pas insensé s’imaginer qu’il existe dans l’Univers de la matière qui n’émet pas suffisamment de lumière pour être vue directement.
  • L’idée de matière noire baryonique est donc assez naturelle.
  • Les astronomes se sont alors intéressés à des objets stellaires compacts et n’émettant pas de lumière (ou trop peu pour être détectés), tels que les trous noirs, les naines brunes (astres très froids qui n’atteignent pas le stade d’étoile car ils ne sont pas assez massifs pour déclencher des réactions nucléaires en leur sein) ou les naines blanches (étoiles mortes composées d’éléments lourds), les étoiles à neutrons
  • Ces objets stellaires sont appelés MACHO, pour Massive Astrophysical Compact Halo Objects (objets compacts massifs du halo).
  • Les MACHO’s sont considérés comme des objets massifs mais n’émettant pas de lumière.
  • Etant donné qu’ils n’émettent pas de lumière, c’est difficile de les détecter.
  • Mais aucun des ces objets stellaires n’est non plus parfaitement invisible, il devrait être possible de les observer.
  • Pour les détecter, on fait appel à l’effet de lentille gravitationnelle.
  • La théorie de la Relativité Générale d’Einstein nous dit que la masse des objets déforme l’espace-temps et que la lumière qui se déplace dans cet espace-temps courbé aura sa trajectoire déviée.
  • Un objet massif de type MACHO qui passerait devant un astre (par exemple devant une étoile ou une galaxie):
    • modifierait la géométrie de l’Univers dans ses alentours à cause de sa masse élevée.
    • dévierait les rayons lumineux émis par cet astre comme le fait une lentille.
  • C’est-à-dire les rayons lumineux envoyés par un astre éloigné vers un observateur sont déviés par la matière non observable située sur le trajet de ces rayons lumineux.
  • Le flux lumineux est aussi amplifié par le passage de cet objet sombre agissant comme une lentille, et ce d’un facteur qui peut atteindre plusieurs dizaines.
  • Ces objets astrophysiques MACHO jouent dans ce cas le rôle de déflecteur ou de lentille.
  • Il arrive que des rayons lumineux qui n’auraient pas dû atteindre l’oeil de l’observateur soient “courbés” de telle sorte qu’ils y parviendront quand même.
  • Les lentilles gravitationnelles reflètent la distortion gravitationnelle engendrée sur les objets visibles par ces objets MACHO sombres et très massifs.
  • On suppose donc la présence de la matière noire, par observation indirecte, c’est-à-dire par l’effet gravitationnel qu’elle a sur son entourage.
  • Le problème est cependant la rareté du phénomène:
    • on surveille un certain nombre d’étoiles, et quand une d’entre elles devient soudainement plus brillante, on se penche sur son cas…
    • le nombre de chances d’observer à un instant un effet de lentille gravitationnelle dû à une naine brune est de un sur un million.
  • En dépit de la difficulté, les observations effectuées sur l’effet graviationnel engendré par des objets astrophysiques de type MACHO ont été menées à terme et ont confirmé que la contribution des naines brunes, à la masse d’un halo de galaxie, reste faible (quelques pour cent) et est insuffisante pour rendre compte de la courbe de rotation plane des galaxies en spirales.

Effet lentille gravitationnelle

L’hylogénèse

  • La Cosmologie présente trois grandes énigmes:
    • La plus profonde de toutes est celle de l’énergie noire.
    • Ensuite vient la question de la nature de la matière noire.
    • Enfin, la troisième énigme de la cosmologie, peut-être la plus ancienne, est celle du déficit d’antimatière.
  • On sait depuis la découverte théorique de l’antimatière par Paul Dirac que la création d’une particule de matière (comme un électron) doit s’accompagner d’une particule d’antimatière (un positron par exemple) selon la loi de conservation de la charge.
  • Les deux particules étant de charge égale en valeur absolue mais de signes opposés, le bilan total reste nul.
  • Toutefois, la théorie du Big Bang et les observations cosmologiques nous forcent à constater que la matière est la composante dominante de l’univers observable, il manque de l’antimatière.
  • L’hylogenèse est une nouvelle théorie qui tente d’établir un lien entre la matière noire et l’antimatière manquante.
  • Cette théorie explique à la fois la naissance de la matière baryonique du cosmos (protons et neutrons) et celle de la matière non-baryonique, la matière noire donc.
  • Elle tente de résoudre le problème de l’antimatière en proposant des particules de matière noire comme l’antimatière manquante.

Les neutrinos

  • Le neutrino lui-même est aussi candidat à constituer une partie de la matière noire.
  • Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules.
    • Longtemps sa masse fut supposée nulle.
    • Toutefois, des expériences réalisées en 1998 ont montré que celle-ci, bien que très petite, est différente de zéro.
    • Le neutrino constitue de la matière non-baryonique.
  • Il faut savoir que le neutrino est insensible aux forces électromagnétiques et à la force nucléaire forte.
  • Le neutrino interagit donc très peu avec les autres particules, ce qui en fait un bon candidat pour la matière noire.
  • Le neutrino est aussi la particule la plus abondante dans l’univers, après le photon.
  • Cependant, des expériences ont révélé une masse beaucoup trop faible pour que cette particule puisse constituer l’essentiel de la matière noire.
  • Les neutrinos peuvent représenter, au mieux, 18 % de la masse totale de l’Univers.
  • On pense plutôt que la matière noire est constituée à 10% de matère noire chaude (neutrinos) et à 63% de matière noire froide (WIMP).

Contenu de l'Univers

Les WIMP

  • Les WIMP (Weakly Interactive Massive Particles ou particules massives interagissant faiblement) forment une classe de particules lourdes, neutres, donc interagissant faiblement avec la matière (en conséquence quasi inobservables), et constituent d’excellents candidats à la matière noire non-baryonique.
  • Parmi cette classe de particules on trouve le neutralino, un particule postulée par une théorie qui s’inscrit comme une extension du modèle standard de la physique des particules, la théorie de supersymétrie.
    • Dans cette théorie de supersymétrie, chaque particule se voit attribuer un super-partenaire, ayant des propriétés identiques (masse, charge), mais avec un spin différent de 12.
    • Ainsi, le nombre de particules est doublé.
    • Par exemple, le photon se retrouve accompagné d’un photino, le graviton d’un gravitino, le neutrino d’un sneutrino, l’électron d’un sélectron, etc…
    • La supersymétrie est une symétrie supplémentaire à la symétrie particule-antiparticule de l’antimatière.
      • Il y a donc en plus de la particule et de son antiparticule, le partenaire supersymétrique de la particule et celui de l’antiparticule.
  • Mais les physiciens ont dû revoir l’idée d’une symétrie exacte.
    • On a constaté que la symétrie peut-être brisée.
    • Ce qui nous mène à rechercher une de ces superparticules, la plus légère de toutes, appelée LSP (Lightest Supersymmetric Particle).
    • On considère généralement (ça dépend des modèles) que le neutralino est la LSP, cette particule supersymétrique la plus légère.
    • Le neutralino serait le super-partenaires qui jouerait le rôle de particule constituant la matière noire.
    • L’hypothèse du neutralino compte parmi les favoris des astrophysiciens.
  • Un point moins encourageant est que l’on est confronté ici à un certain paradoxe:
    • pour qu’une particule soit abondante dans l’univers aujourd’hui, il faut qu’elle soit assez peu réactive.
    • Comme c’est par leurs réactions qu’on détecte les particules, ça implique qu’elle sera plus difficile à détecter.
  • Mais la détection de matière sombre supersymétrique est tout de même actuellement un domaine de la physique extrêmement dynamique:
    • En effet, ces nouvelles particules, si elles existent réellement, pourraient être piégées au centre des objets célestes massifs comme la Terre ou le Soleil.
    • Il devrait y avoir une concentration de matière noire assez importante dans le Soleil et au cœur de la Terre, la matière noire ambiante aurait pu être caputrée dans leur champ de gravité.
    • Si, au sein de ces astres, leur densité est suffisante, ces particules pourraient alors s’annihiler entre elles (l’anti-particule du neutralino est le neutralino lui-même), donnant naissance à d’autres particules énergétiques dont des neutrinos.
    • Ces neutrinos, en provenance du centre de la Terre ou du Soleil, pourraient être détectés par un téléscope spécialisé baptisé ANTARES qui, placé au fond de la mer, regarde vers le centre de la Terre.
    • Ce téléscope détecteur de neutrinos est situé dans la mer méditerranée proche des côtes de Toulon en France.
    • Ces éventuelles détections sont cachées parmi les « parasites » créés par les interactions d’autres particules existantes avec les instruments (comme les rayons cosmiques, la radioactivité naturelle…).
    • Il faut alors construire de gros instruments pour augmenter la chance d’avoir une détection, placer et blinder ces détecteurs de matière noire au sein de mines, de tunnels profonds, dans la mer ou enfouis sous Terre pour éviter des interférences.

Le détecteur AMS-02

Une équipe internationale de scientifiques a développé un téléscope spatial appelé AMS-02, acronyme de Alpha Magnetic Spectrometer ou Spectromètre Magnétique Alpha, qui aura entre autre pour objectif de rechercher, détecter et éxaminer la nature de la matière noire et la composition des rayons cosmiques.

Les scientifiques ont l’intention d’envoyer le prochain 29 avril ce spéctromètre à la station spatiale internationale à l’occasion de la prochaine mission de la navette Endeavour. Cet énorme détecteur devrait capter jusqu’à 7Gb de données par seconde qui seront envoyées à des stations terrestres pour leur analyse.

Problème de nature ontologique ou législative?

  • On a vu que les galaxies ne peuvent pas être cohérentes et avoir la dynamique gravitationnelle qu’elles ont si la matière présente (ontologique) est celle qu’on observe d’après les équations de la relativité générale (législatif):
    • il existerait une matière qui n’émet pas de lumière, invisible ou noire, et qui déterminerait le mouvement gravitationnel des galaxies.
    • la matière que prévoit la Relativité Générale ne suffit pas à expliquer cette dynamique.
  • Le problème de matière noire pose la question de la validité de nos théories physiques.
  • La cohérence des galaxies que l’on n’arrive pas à expliquer est-elle due réellement à de la matière que l’on on ne peut pas observer ou la cohérence des galaxie témoigne plutôt que les équations sont fausses?
  • Pour pouvoir émettre l’hypothèse de l’existence de la matière noire, il faut préalablement postuler que les lois de la physique qui gouvernent l’Univers sont vraies à tout instant et à toutes échelles.
  • Ces phénomènes inexplicables qui nous poussent à définir des notions comme la matière noire ne seraient-ils pas plutôt des indications que nos lois sont incorrectes?
  • Une approche radicalement différente pourrait consister à supposer qu’il n’y a pas de matière noire, que la matière noire est un faux problème, dû à notre mécompréhension des lois de la gravitation.
  • On est donc face à un problème dont on ne sait pas quelle est sa véritable nature (ontologique ou législative).

Cas de figure de la théorie MOND

  • Il a été proposé que les lois de la gravitation ne soient pas les lois newtoniennes, ni celles que fournit la relativité générale.
  • Un groupe de chercheurs s’est demandé quelle forme devrait avoir une force d’attraction gravitationnelle pour expliquer les mouvements internes des galaxies, sans faire appel à de la matière noire.
  • Ils ont proposé une théorie qu’ils appellent MOND, acronyme de MOdified Newtonian Dynamics.
  • Cette approche semble partir d’une idée intéressante, mais elle se heurte à plusieurs problèmes et on dit qu’elle souffre encore d’un certain manque de cohérence théorique.

Cas de figure de la radioactivité bêta

  • Découverte aux-alentours de 1930.
  • Un neutron devient un proton en émettant un électron.
  • Les lois nous disent que l’électron est toujours expulsé avec la même énergie.
  • Hors quand on a fait des mesures, on a trouvé que l’énergie de l’électron peut varier d’un cas à l’autre.
  • Les équations et le principe de conservation d’énergie seraient-ils donc faux?
  • Le physicien Wolfgang Pauli a postulé et affirmé que les équations restent valides si on emet l’hypothèse de l’existence d’une particule supplémentaire invisble appelée neutrino qui est émise lors de la désintégration beta et qui emmène l’énergie manquante à l’électron.
  • Le neutrino a effectivement été découvert dans les années 1950 et a confirmé la théorie de Pauli.
  • On voit alors que dans le cas de figure de la désintégration bêta, l’hypothèse de nature ontologique qui s’appuie sur la théorie (sans remettre en cause son unité législative) s’est avérée vraie.

En conclusion, on voit que différentes possibilités sont donc envisagées pour résoudre le problème de la matière noire. Celles-ci ne sont probablement pas exclusives : la solution est peut-être un mélange de plusieurs ingrédients.

Matière Noire

Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mati%C3%A8re_noire

http://amazings.es/2010/08/20/la-historia-de-la-materia-oscura/

http://forums.futura-sciences.com/physique/161096-particules-supersymetriques.html

http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/astronomie-1/d/les-secrets-de-la-matiere-noire_542/c3/221/p1/

http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/antimatiere-vous-avez-dit-antimatiere_501/c3/221/p8/

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/un-lien-entre-matiere-noire-et-antimatiere_26360/

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/indetectabilite-de-la-matiere-noire_2266/

http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/astronomie-1/d/un-ciel-bien-noir_659/c3/221/p7/

http://www.tendencias21.net/notes/Una-tecnologia-punta-ayudara-a-desvelar-los-secretos-de-la-materia-oscura_b2351986.html

http://www.microsiervos.com/archivo/ciencia/sts-134-retrasado-hasta-29-abril.html

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Bonjour à toutes et à tous!
Pour commencer, des nouvelles de notre future visite au CERN, la date est fixée!:

Mathieu remercie Anaïs pour avoir partagé sa liste de podcasts: (on va voir si j’ai le temps d’en écouter l’un d’entre eux…) et nous indique avoir suivi les conseils de Xavier Agnès en créant la page Blogroll de nos podcasts préférés: http://www.podcastscience.fm/blogroll-de-nos-podcasts-preferes

Anh Tuan a vécu une expérience extraordinaire: “CulturePrimaire”  a utilisé une de ses vidéos en cours ! L’activité a d’ailleurs été live-twittée. Le compte rendu est désormais disponible sur cestpasfaux.tv

Alan remercie les poditeurs pour tous leurs commentaires:  une quantité impressionnante de feedbacks cette semaine. On apprend même qu’il y a désormais des maisons plus propres grâce à Podcast Science (François aime bien s’occuper quand il nous écoute et il a rattrapé tous les épisodes, sa maison et son jardin sont nickels!), d’ailleurs il nous indique que l’effet Muesli est à l’origine de l’envahissement de son jardin par les gros cailloux. Chmox nous en a posé une bonne, aussi, en demandant comment se comportent les bulles de champagne en apesanteur (question vache!). La seule réponse que nous ayons dénichée pour le moment est la suivante: http://www.youtube.com/watch?v=bgC-ocnTTto&feature=player_embedded

Un dernier petit merci à André, qui aime tellement le PS qu’il nous a ajouté dans la page “liens essentiels” de son site. Ce que j’aime surtout, c’est que nous y sommes présentés comme une équipe de jeunes passionnés, qui mâtinent les émissions de réflexions philosophiques. C’est tout nous :)

Les news partagées sur FB par notre petite communauté:

Forza Pedro a partagé la dernière découverte du téléscope Keppler, un systèmes solaire à 6 planètes
http://www.sciencesetavenir.fr/actualite/espace/20110201.OBS7320/un-systeme-a-six-planetes-detecte.html

Olivier Tripet: le cerveau humain a rétréci d’environ 10% depuis 30’000 ans, passant de 1500 à 1359 cm3. Article un peu contradictoire, mais conclusion sympa: on ne ne serait pas plus bêtes pour autant:
http://www.tsr.ch/info/sciences-tech/2940158-le-cerveau-humain-a-retreci.html

Xavier Agnès s’est lâché:

Mais Olivier Tripet n’abandonne pas la partie, il est remonté au filet et a partagé une version du LHC à monter soi-même en forme de guide de montage IKEA http://ianoneill.posterous.com/ikeas-large-hadron-collider

Retour à la frénésie de liens de Xavier: le lien justement entre la suite de Fibonacci et la beauté des plantes http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/mathematiques/d/larithmetique-et-les-plantes_63/c3/221/p3/#xtatc=INT-48

Le match s’intensifie avec un lien d’Olivier Tripet sur un article de Paul Jorion qui donne mal à la tête et qui s’interroge sur le réalisme scientifique dans le contexte de la physique quantique http://www.pauljorion.com/blog/?p=21201

Avantage Olivier qui enchaîne avec une app iphone qui permet de voir les plus belles images du téléscope Hubble www.cultofmac.com/todays-must-have-ios-app-hubblesite/81912

Balle de match chez Olivier Tripet qui nous annonce une planète plus grosse que Jupiter planquée quelque part dans notre système solaire, encore jamais vue car trop loin: http://www.gizmodo.fr/2011/02/14/une-planete-geante-cachee-dans-notre-systeme-solaire.html

Anh Tuan : Attention l’arbitre intervient, suite à cet article de Phil Plait, il est encore loin d’être prouvé que Tyché existe belle et bien http://blogs.discovermagazine.com/badastronomy/2011/02/14/no-theres-no-proof-of-a-giant-planet-in-the-outer-solar-system/
Egalisation: Xavier enfin partage les vidéos de lift, désormais disponibles sur http://klewel.com/conferences/lift11/index.php?talkID=48

Finalement, avantage Olivier avec un dernier lien super intéressant posté ce matin: où on apprend que le kilogramme est la seule unité de mesure qui n’ait pas encore été mappé sur une constante. La référence officielle est un kilogramme étalon en platine et en irridium, enfermé dans un coffre super sécurisé à Sèvres. Le projet Avogadro (http://www.acpo.csiro.au/avogadro.htm) à établir combien d’atomes contient un kilogramme, histoire qu’on se rappelle de la valeur si le kilo officiel disparaît de son coffre ;) http://arstechnica.com/science/news/2011/02/measuring-a-kilogram-by-counting-atoms.ars

Nous finissons par arriver aux dossiers de la semaine:

Mathieu: Comment se produisent les éclairs?
Anh Tuan : L’acupuncture ( avec une excellente illustration de Lucile)

Petite suggestion de dernière minute d’Anh Tuan: Un petit instant de détente avec une planche du dessinateur Boulet sur la chimiologie, nouvel art divinatoire: http://www.bouletcorp.com/blog/index.php?date=20110217

 

Et enfin, la quote de Mathieu, plus magistrale que jamais puisque de Platon et en latin, s’il vous plaît:

“Et ignem regunt numeri” – Même le feu est régi par les nombres – Platon

Citation reprise par Joseph Fourier en préambule des ses travaux sur la théorie de la chaleur, écoutée dans l’émission de Continent Science sur la vie et l’oeuvre de ce grand mathématicien: http://www.franceculture.com/emission-continent-sciences-aspects-de-l%E2%80%99oeuvre-de-fourier-les-transformees-2011-02-07.html

Semaine prochaine, enregistrement le vendredi 25 février avec une invitée, Lia Rosso

D’ici là, tout le meilleur!

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Dossier – L’Origine de l’Univers

On 03.02.2011, in Dossiers, by Mathieu
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Big Bang

Retranscription et récapitulatif d’un entretien avec Etienne Klein enregistré dans l’émission Ombres et lumières sur l’origine de l’Univers de Ciel et Espace Radio, entretien dans lequel il parle de son dernier ouvrage “Discours sur l’Origine de l’Univers

La Cosmogonie

La cosmogonie tente de décrire la formation de l’Univers, alors que la cosmologie est la science qui s’intéresse aux lois qui gouvernent l’Univers en tant que système physique.

Il paraît qu’il n’y a pas de culture sans cosmogonie (à vérifier auprès des anthropologues…).

Nature ontologique et législative de l’Univers

  • Avant Galilée on considérait qu’il existait un monde sub-lunaire fait d’une matière de 4 éléments et un monde supra-lunaire constitué d’une autre essence.
    • Donc 2 mondes constitués de 2 matières différentes.
  • Galiléeest probablement le premier à avoir décrit la notion d’Univers:
    • Il dit qu’il existe un seul monde constitué d’une seule matière partout la même (unité ontologique).
    • Il dit aussi que les lois de l’Univers sont les mêmes en tout point de l’Univers (espace) et à tout instant dans l’Univers (temps), elles sont universelles (unité législative):
  • Au sens moderne du terme, ce sont ces 2 unités (ontologiques + législatives) qui permettent de définir ce qu’on appelle un Univers.

Le Néant

  • La plupart des cosmogonies qu’on trouve dans toutes les différentes cultures envisagent que l’origine de l’Univers est issue du Néant, au sein duquel la lumière est apparue, et c’est ce qui a déclenché l’apparition d’un Univers en évolution.
  • Les chinois:
    • ne se posent cependant pas la question de l’origine, car ils n’ont pas la notion de Néant.
    • Pour eux, il y a toujours eu un Etre qui n’a pas cessé de se tranformer et de subir des mutations tout au long de son histoire qui n’a pas eu de commencement.
  • Le questionnement sur l’origine n’est pas aussi universel qu’on veut bien le croire, mais il est très présent dans la plupart des cultures (en l’occruence dans la judéo-chrétienne).
  • Si on essaie d’imaginer le Néant en fermant les yeux, tout de suite on en fait quelque chose.
  • Chaque fois qu’on pense le Néant, on lui attribue des propriétés qui le distingue du Néant.
  • L’idée de Néant est donc une idée destructrice d’elle-même.
  • On voit donc qu’on a de la peine à décrire le concept de Néant.

Le mot Origine

  • Le sens du mot “Origine” porte généralement l’idée:
    • du passage de l’absence de toute chose à quelque chose.
    • de la transformation du Néant qui devient autre chose que lui-même.
  • Cependant, cette idée de transformationliée au mot “Origine” n’est généralement pas présente quand on veut décrire l’Origine de l’Univers.
    • On constate souvent que quand on parle d’Origine de l’Univers, on a plutôt tendance à décrire quelque chose en amont qui permet d’expliquer comment la chose (en l’occurence l’Univers) dont on veut décrire l’Origine est apparue.
    • Autrerment dit ce qu’on appelle Origine est en réalité l’achèvement d’un processus antérieur qui a fait apparaître la chose (en l’occurence l’Univers) dont on dit qu’on a compris l’Origine.
    • Donc dans ce discours le mot Origine devient synonyme de Conclusion! Ce qui peut sembler être un paradoxe!
  • Notre culture a aussi tendance à nous emmener vers l’idée que si l’Univers a eu une histoire, c’est qu’il a eu un commencement et ce commencement résulte d’une Création et non d’une Transformation.
    • On met généralement en scène un être transcendant (par exemple Dieu) dont l’action sur le Néant a permis de créer l’Univers.
    • On parle d’ailleurs plutôt d’un Dieu réduit à sa fonction de créateur de l’Univers et non d’un Dieu garant de la perduration du monde.
    • Selon notre mode de pensée, l’Univers n’est pas né du Néant, on ne décrit pas l’Univers comme le résultat d’une transfomation à partir du Néant, notre Univers serait plutôt le résultat d’une Création.
  • En Occident, on a de la peine définir le changement (et notamment le changement orginel), à penser et décrire un état intermédiaire de transition entre le Non-Etre (Néant) et l’Etre (Univers).
  • Les grecs avaient aussi relevés une contradiction entre le concept de changement et l’idée d’identité:
    • Si une chose a changé, c’est qu’elle cesse d’être elle-même (puisqu’elle a changé).
    • Si au contraire, elle reste identique à elle-même, c’est qu’elle n’a pas changé.
  • Par exemple, quand on dit: “Une feuille d’arbre a changé” (elle était verte en été, elle est jaune en automne)
    • On pourrait très bien pensé et dire que: “La feuille verte a été remplacée par la feuille jaune”
      • Ce changement (apparant) pourrait donc se traduire par un remplacement.
      • Mais en réalité ce n’est pas ce qu’on veut dire.
    • On veut en réalité dire: “La couleur de la feuille de l’arbre a changé” (une propriétéde la feuille a changé, mais ça reste la même feuille).
      • Le sujet du verbe changer (la feuille) est précisément ce qui n’a pas changé dans la transformation.
  • Donc d’une manière plus générale, quand on dit que x a changé, le sujet du verbe changerx est précisément ce qui n’a pas changé.
    • On conceptualise le changement en utilisant la notion d’identité (donc d’invariance).
  • Notre langue en est en partie responsable car elle est ontologique:
    • nous désignons des objets et leur donnons une identité (chaise, vélo, étoile…).
    • La transformation se caractérise par un changement de la propriété de l’objet et non de l’objet lui-même (qui reste présent avant et après la transformation).
    • On peine à considèrer l’idée opposée qui consiste à dire que c’est la transformation elle-même qui est à l’origine des objets et de l’Univers (un objet est la manifestation d’une transition).

L’Origine de l’Univers

Notre manière de conceptualiser le changement en utilisant la notion d’identité fonctionnne-t-elle pour expliquer l’origine de l’Univers et des objets qui le constituent?

Origines secondaires

Pour décrire les origines des objets qui constituent l’Univers (tables, voitures, atomes, étoiles, galaxies…), notre manière de conceptualiser le changement avec la notion d’invariance fonctionnne:

  • par exemple les atomes sont formés dans les étoiles, et leur origine est le résultat d’une réaction nucléaire entre protons et neutrons (nucléons) appelée nucléosynthèse (fission, fusion nucléaire).
  • Ce sont les changements dans l’organisation de ces nucléons (via les réactions nucléaires) qui ont fabriqués les atomes.
  • On arrive donc à décrire ce changement en terme d’invariant:
    • Dans ce cas, les invariants sont les particules fondamentales (nucléons) qui étaient là avant et qui se combinent autrement pour former les noyaux d’atomes dans les étoiles.
    • On explique l’origine de la vie à partir des ingrédients préalables qui permettent l’apparition de la vie.
    • On explique l’origine des êtres physiques en invoquant d’autres êtres physique.
    • L’explication des origines secondaires est immanente.
  • Pour des objets d’origines secondaires, conceptuellement on explique l’Etre par l’Etre.

Vu qu’on est capable de décrire l’origine relative des objets qui constituent l’Univers, on croit être capable d’aller plus loin et pouvoir décrire l’origine de l’Univers lui-même.

Origine primaire

Pour décrire l’origine de l’Univers (sans action créatrice), est-ce que cette conception du changement qui conserve cette notion d’identité tient encore la route?

  • Si le Néant devient l’Etre (l’Univers), c’est qu’il y a un changement.
  • Mais selon notre conception, pour qu’il y ait changement, il faut que quelque chose ne change pas au cours du changement.
  • Qu’est ce qui dans le Néant peut ne pas changer, pour que le Néant devienne autre chose que lui-même?
  • On arrive au noeud irréductible de la question…
  • Car quand on veut expliquer comment le Néant a pu cesser d’être le Néant, on lui attribue alors des propriétés qui font que le Néant n’est plus le Néant (le Néant c’est le Rien, il ne peut avoir de propriétés).

Théorie unifiée du Tout

  • Parle-t-on d’unification ontologique?
    • Dans l’espace il n’y aurait alors qu’une sorte d’objets (par exemple des supercordes).
    • L’existence d’un élément fondamental qui engendrerait tous les objets présents dans notre Univers, objets qui acquièrent alors une origine secondaire par rapport à l’élément fondamental.
  • Parle-t-on d’unification législative?
    • Le contexte et un certain nombre de conditions ont permi l’émergence de l’existence de l’Univers.
  • Il faudrait pouvoir unifier les lois de la relativité générale (infiniment grand: gravitation) avec celles de la mécanique quantique(infiniment petit: force électromagnétique, intéraction faible et intération forte) au sein d’un formalisme unique.
    • Ces 2 modèles théoriques s’appuient sur des pilliers et statuts incompatibles:
      • La relativité générale décrit un espace-temps souple, dynamique et continu qui intéragit avec la matière qu’il contient.
      • La mécanique quantique décrit un espace-temps plat, statique et discret.
  • Une Théorie du Tout sera-t-elle capable de nous dire comment l’Univers est apparu?
    • Lors de l’apparition de l’Univers, les lois physique sur lesquelles repose cet Univers étaient-elles déjà là en attente d’Univers de façon transcendante? (existaient-elles avant l’Univers?)
    • Ou l’Univers crée-t-il plutôt en son sein ses lois physiques de façon immanente à mesure qu’il évolue?
  • Sera-t-on capable de trancher un jour cette question fondamentale? (l’oeuf ou la poule)
  • La question de l’origine de l’Univers est-elle un mystère (ne peut pas être expliquée) ou plutôt une énigme (un problème à résoudre)?
  • La question semble si difficile qu’on essaie de la simplifier conceptuellement en expliquant que l’Univers n’a pas d’origine!

L’histoire de l’Univers

On a compris que de manière générale, la plupart des objets qui constituent l’Univers ont une histoire et sont le résultat d’une évolution qui les a produit à partir d’états antérieurs qui ne les contenaient pas.

Mais dire qu’il y a de l’histoire dans l’Univers ne veut forcément pas dire que l’Univers a une histoire!

C’est au XIXème siècle qu’on a commencé à imaginer une histoire de l’Univers:

  • Quand on a élaboré la thermodynamique, on a appliqué les lois de la thermodynanmique d’une part aux objets qui constituent l’Univers, mais aussi à l’Univers lui-même.
  • => on en a conclu que l’Univers arriverait à une mort thermique (à la fin de son histoire).

Plus tard, on a utilisé la théorie de relativité générale pour analyser l’évolution de l’Univers et décrire son histoire passée:

  • La relativité générale considère que l’Univers dans sa totalité est un objet physique.
    • C’est-à-dire qu’on peut définir des paramètres physiques qui décrivent l’Univers tout entier.
  • Si on applique les équations de la relativité générale et qu’on remonte le temps, elles aboutissent à la description d’un Univers de plus en plus petit pour finalement terminer ponctuel.
  • Le physicien russe George Gamow a aussi montré que la contraction de l’Univers qui s’effectue lorsqu’on remonte le cours du temps correspond aussi à une élévation de température.
  • Donc l’Univers primordial semble avoir été:
    • Beaucoup plus petit (volume nul)
    • Beaucoup plus dense énergétiquement (densité infinie)
    • Beaucoup plus chaud (température infinie)

De là est née la notion Singularité initiale et de Big Bang.

  • Le Big Bang semble donc correspondre à l’apparition de:
    • la matière
    • de l’espace
    • du temps
    • de l’énergie
  • Le Big Bang serait alors l’instant zéro correspondant à la création de l’Univers.

Pourquoi ne pas donc considérer cet état primordial, cette Singularité initiale comme l’origine effective de l’Univers? En réalité cette extrapolation qui nous permet d’arriver à l’instant zéro est abusive!

  • Quand on remonte le cours du temps, la densité de matière et la température deviennent de plus en plus élevées.
  • L’énergie des particules qui se trouvent dans l’Univers devient aussi de plus en plus élevée.
    • Pour atteindre ces niveaux d’énergie, les particules ne sont plus soumises uniquement à la force de gravitation, elles subissent aussi l’effet des 3 autres forces fondamentales (électromagnétiques, l’intéraction forte et l’intéraction faible).
    • Et ces 3 intéractions ne sont pas décrites par la théorie de la relativité générale (qui décrit uniquement la force de gravitation).
  • Il y a donc un moment quand on remonte dans le passé où les équations de la relativité générale n’arrivent plus à décrire ce qui se passe.
    • Ce moment correspond au mur de Planck qui est apparu 10-43seconde après le Big Bang.
      • Le mur de Planck peut être calculé à partir de la constante de Planck, l’une des 3 constantes fondamentales universelles (constante de gravitation, vitesse de la lumière et constante de Planck).
      • Le mur de Planck peut ainsi être caractérisé soit par un durée (temps de Planck = 10-43 seconde),  soit par une longueur (longueur de Planck = 10-33 cm), soit par une énergie (1019 GeV).
    • On ne peut pas intégrer les équations de la relativité générale au delà dur mur de Planck et donc à fortiori extrapoller à l’instant zéro correspondant au Big Bang.
    • En amont du mur de Planck, nos théories physiques actuelles entrent en collision les unes avec les autres, le temps par exemple n’existe pas.
  • L’instant zéro apparaît donc comme un instant au-travers duquel l’Univers tel qu’il est décrit par nos lois physiques n’a jamais pu passer!

Pour passer le mur de Planck, et décrire l’évolution de l’Univers entre le mur de Planck et l’instant zéro, il faudrait pouvoir unifier au moyen d’un formalisme commun la théorie de la relativité générale (force de gravitation) avec la mécanique quantique (force électromagnétique + 2 intéractions nucléaires). Il existe quelques approches d’unification:

La théorie des cordes

  • Toutes les particules de la matière correspondent à des états de vibration uniques d’un particule fondamentale infiniment petite qui fait penser à une corde vibrante (dans un espace-temps multi-dimensionnel).
  • Si on tente de décrire l’Univers primordial avec la théorie des cordes, il arrivent un moment où les calculs deviennent trop compliqués et impossibles, car les cordes deviennent trop enchevêtrées.
  • Actuellement il n’est donc pas possible de décrire actuellement l’Univers primordial avec la théorie des cordes.
  • De plus la théorie des cordes ne peut pas être observée ni testée expérimentalement.

Cependant la beauté de la théorie des cordes réside autre part:

  • Elle décrit un espace-temps multi-dimensionnel (par exemple à 10 ou 11 dimensions) dans lequel il n’existe pas de gravitation.
  • Les objets qui sont dans cet espace-temps obéissent aux lois de la physique quantique et leur cinématique est décrite par la théorie relativité de la restreinte (théorie de la relativité qui ne prend pas en compte la gravitation).
  • Donc les prémisses de la théorie n’incluent pas la gravitation.
  • La beauté réside dans le fait qu’à partir des ces principes on aboutit aux équations de la relativité générale (qui elle intègre la gravitation).
    • La théorie des cordes fait apparaître le graviton comme la particule responsable de la gravitation.
    • La gravitation est donc déduite de la théorie des cordes, elle en est une conséquence.
  • La théorie des champs de la mécanique quantique peut aussi être prédite à partir de la théorie des cordes.

Mais la théorie des cordes nous dit une autre chose intéressante:

  • il ne peut y avoir dans l’Univers une température supérieure à un certain seuil de valeur finie.
  • la température dans l’Univers n’a jamais pu être infinie à aucun moment de son histoire et à aucun endroit de son espace!

Cette nouvelle notion nous amène à un scénario de Pré-BigBang:

  • Au lieu de dire l’Univers est né d’une explosion initale appelée Big Bang.
  • On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction très dense et de réchauffement très intense jusqu’à atteindre la température maximale autorisée par la théorie des cordes, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la température maximale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.
  • Ce nouveau scénario supprime la notion de Singularité initiale et renforce la notion d’origine en terme de transition et changement.
    • Le Big Bang n’est plus qu’une transition de phase de l’Univers.
    • Il n’y a donc plus lieu de se poser la question du Néant et de ce qu’il y avait avant le Big Bang.

La théorie quantique à boucles

  • Cette théorie consiste à quantifier la gravitation.
  • Elle aboutit à l’idée que l’espace-temps est granulaire, discret, non-continu.
  • Il est composé des petits volumes élémentaires d’espace-temps (quantas ou atomes d’espace-temps) de taille non nulle et tel qu’on ne puisse pas avoir de volumes plus petits.
  • L’espace-temps ne peut pas être structuré en édifices plus petits que ces quantas.

Cette théorie nous amène aussi à un scénario de Pré-BigBang:

  • La notion de Big Bang comme Singularité initiale disparaît car la singularité correspond à un volume de taille nulle.
  • On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction jusqu’à que sa taille corresponde à la taille d’un atome d’espace-temps, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la taille minimale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.
    • On parle alors d’une cosmogonie cyclique.
    • La notion d’origine disparaît à nouveau.

Le vide quantique

  • En mécanique quantique, les éléments fondamentaux de la matière sont formalisées par des quantas (états énergétiques) et représentées par ce qu’on appelle des champs quantiques (ondes).
  • Faire le vide c’est ce qui reste quand on a retirer toutes les particules (électrons, quarks, photons…).
  • Il ne reste alors plus que l’espace-temps (océan) dans lequel se trouvent des champs quantiques dans leur état d’énergie minimale (vague).
  • De là vient la notion de particule virtuelle, la particule n’existe pas, mais il existe par contre l’état de la particule dans son énergie minimale, énergie qui n’est pas assez intense (E=mc2) pour que la particule (électron…) existe et soit réelle.
  • Ce qu’on appelle le vide quantique, c’est l’espace-temps rempli de particules virtuelles.
  • Cette entité (espace-temps + champs quantiques) pourrait être la matrice de l’Univers (sa topologie).
  • Une fluctuation des particules virtuelles (champs quantique) de ce vide quantique aurait pu déclencher une expansion de l’Univers.
  • On imagine aussi la possibilité de milliards de fluctuations, avec à chaque fois l’apparition d’un nouvel univers => notion de multivers.
  • C’est comme si le vide ne pouvait pas rester tout à fait homogène, il serait instable.

L’Antimatère

  • Jusqu’en 1930, le monde des physiciens était exclusivement fait de matière composée de petites « briques élémentaires » appelées particules (électrons, protons,  photons).
  • Le physicien Paul Dirac, pour résoudre une équation de physique, postulat qu’il devait exister une autre particule, identique à l’électron, mais ayant une charge électrique opposée (positive).
    • Baptisée positron (antiélectron).
    • Confirmé en 1932 en analysant les rayons cosmiques venant de l’univers.
  • La loi de Stigler est à nouveau vérifiée:
    • loi selon laquelle une découverte scientifique ne porte jamais le nom de son auteur.
    • la paternité du positron revient toujours à Paul Dirac alors que Jean Becquerel avait déjà postulé l’existence d’électrons positifs en 1908 dans un article.
  • Cette théorie fut ensuite généralisée à toutes les particules que nous connaissons et l’ensemble de ces nouvelles particules constituent ce qu’on appelle l’antimatière.
  • Cependant, il faudra attendre:
    • 1955 pour découvrir l’antiproton.
    • 1995 pour créer le premier antiatome (antihydrogène) au CERN.
  • La différence qui caractérise l’antimatière est la charge électrique opposée:
    • Si on fait passer une particule et son antiparticule dans un champ magnétique, les 2 particules sont déviées dans des directions opposées.
    • Les antiparticules ont la même masse et le même comportement physique que leur homologue de matière.
  • Comme les charges sont opposées, matière et antimatière s’attirent mutuellement:
    • Lorsque matière et antimatière se rencontrent, elles se désintègrent et s’anihilent pour se transformer en énergie pure (E=mc²)
    • La matière est convertie intégralement en énergie sous forme de photons (rayonnement gamma).
  • Pour étudier l’antimatière, les physiciens étudient de près ce qu’ils appellent la symétrie CPT(Charge-Parité-Temps):
    • Lors d’une réaction particulière sur une particule, cette même réaction doit être observée sur son antiparticule mais de manière symétrique.
    • Tout est inversé : la charge (positif Vs négatif), la parité (droite Vs gauche) et le temps (le temps doit s’écouler à l’envers).
    • Un monde composé d’antimatière serait l’image de notre monde à travers un miroir.
  • Le problème, c’est que l’Univers n’est pas aussi symétrique qu’il n’y paraît:
    • Une théorie pour devoir prendre en compte le Big-bang doit stipuler qu’à l’origine, matière et antimatière ont du être créées en même temps et en quantité égale.
    • Si matière et antimatière étaient strictement identiques (en dehors de la charge électrique) et avaient été créées en quantités égales, on aboutit sur la non-existence de notre Univers, car matière et antimatière auraient du s’attirer très rapidement juste après le Big-Bang pour s’annihiler totalement.
    • La réalité semble tout autre : nous sommes bien là et notre univers semble être composé quasi exclusivement de matière!
    • Les astronomes et les cosmologistes auraient-ils perdu la moitié de l’Univers?
  • Ce qui peut expliquer cette observation est que matière et antimatière ne sont pas si symétriques que cela : on parle alors de violation de symétrie.
    • Les symétries entre matière et antimatière sont parfois non respectées et pourraient expliquer pourquoi toute l’antimatière a disparue aujourd’hui au profit de la matière.

L’observation de l’Univers

Le téléscope Hubble:

  • Le téléscope spatial Hubble aurait détecté tout récemment la galaxie la plus distante jamais identifiée dans l’Univers.
  • La lumière observée en provenance de cette galaxie aurait été émise il y a 13,2 milliards d’années, soit seulement 480 millions d’années après le Big Bang (âge total de l’Univers 13,7 milliards d’années).
  • Mais les astronomes peuvent uniquement observer la lumière émise du fond diffus cosmologique après le mur de Planck (10-43 seconde après le Big Bang).
  • L’Univers primordial ne peut donc pas être observé au-delà du mur de Planck.

Le LHC du CERN:

  • Un des postulats de la Physique nous dit que les lois de la Physique n’ont pas changé au cours du temps.
  • Au cour de l’évolution de l’Univers ce sont les conditions physiques qui ont changées (température…).
  • Grâce aux colisions de particules à hautes énergies, le LHC recrée aujourd’hui les conditions physiques du passé.
  • Comme les lois n’ont pas changé, on voit les phénomènes physiques du passé.
  • Cependant, les ordres de grandeurs sont incomparables:
    • Au LHC, on fait des colisions de protons à des énergies 3,5 TeV par proton (3500 GeV).
    • On fait donc des colisions entre 2 protons avec des énergies mises en jeu de 3,5 TeV + 3,5 TeV = 7 TeV = 7000 GeV
    • 7000 GeV c’est l’énergie cinétique d’un moustique en vol:
      • énergie qui est cependant répartie sur tous les atomes de celui-ci, donc dans ce cas l’énergie par particule est relativement faible.
    • Dans le cas du LHC, cette énergie est très concentrée sur un seul proton.
    • Au moment du mur de Planck, l’énergie d’une particule n’était pas celle d’un moustique en vol comme l’expérimente le LHC, mais celle d’un TGV roulant à 300 km/h.
    • Donc expérimentalement on voit qu’on est très loin des conditions physiques correspondant au mur de Planck.

Le AD (Décélérateur d’Antiproton) du CERN:

  • Fabriquer des antiparticules:
    • il faut disposer d’un accélérateur de particules.
    • En projetant des particules accélérées à grande énergie sur des cibles métalliques, on transforme l’énergie cinétique des particules en couple particule/antiparticule (E=mc² – ici l’énergie se transforme en masse – processus réversible).
  • Fabriquer des antiparticules est une chose, mais les physiciens veulent aller plus loin pour comprendre l’antimatière et pour cela, il faut fabriquer des antiatomes, c’est-à-dire un antinoyau formé d’antiprotons et d’antineutrons avec des positrons qui tournent autour.
    • En 1995, le CERN a réussi créer les premiers atomes d’antihydrogènes (le plus simple des antiatomes, composé d’un antiproton et d’un positron qui tourne autour).
    • mais ces antiatomes étaient trop volatiles, se désintégrant quasi instantanément et ne permettant aucune étude approfondie.
  • Le problème des physiciens n’est pas de « fabriquer » de l’antimatière mais de la « conserver» pour la manipuler et l’observer.
    • A cause des grandes énergies mise en jeu, les antiparticules créées vont pratiquement à la vitesse de la lumière et si elles rencontrent une particule de matière, elles s’annihilent immédiatement !
  • Il faut donc littéralement pouvoir freiner et ralentir l’antimatière pour pouvoir l’étudier:
    • Ce n’est donc plus accélérateur qu’il faut mais un décélérateur!
    • Le décélérateur AD du CERN mesure 188 mètres de circonférence.
    • Il permet de diminuer l’énergie d’antiprotons (de 3000 MeV à 5 MeV).
    • En d’autres termes, les antiprotons sont ralentit au tiers de la vitesse de la lumière.
  • le 17 novembre 2010, l’expérience ALPHA a réussi à capturer (piéger) des atomes d’antihydrogène.
    • Plus une particule est énergétique, plus elle est agitée et donc « chaude ».
    • L’idée est donc de refroidir l’antimatière le plus possible.
    • Les antiprotons sont envoyés à travers de pièges électromagnétiques pour les refroidir à environs -269°C (4 kelvins).
    • On procède de même avec des positrons et on met l’ensemble (antiprotons + positrons) dans une espèce de bouteille électromagnétique jusqu’à ce que le positron (positif) se mette à tourner autour de l’antiproton (négatif) pour former un antihydrogène.
      • l’idée est d’empêcher que ces antihiydrogènes entrent trop en contact avec la matière et s’anihile.
    • L’expérience ALPHA a montré qu’il est possible de conserver de cette manière des atomes d’antihydrogène pendant un dixième de seconde (un laps de temps suffisamment long pour pouvoir les étudier).
    • Sur les milliers d’antiatomes produits par l’expérience ALPHA, 38, selon le dernier résultat, ont été capturés suffisamment longtemps pour pouvoir être étudiés.
  • En observant le comportement de ces antiatomes ralentis, on espère pouvoir mettre en évidence certaines des violations de symétrie.

La Physique dispose donc d’un arsenal théorique très puissant, mais qui ne nous dit pas encore comment sélectionner la bonne théorie qui expliquerait l’origine de l’Univers parmi toutes les théories candidates.

Car pour pouvoir sélectionner le bonne théorie il faut pouvoir faire des expériences!

Etienne Klein

Source:

http://www.cieletespaceradio.fr/ombres_et_lumieres_sur_l_origine_de_l_univers.657.RENC_001

http://science-for-everyone.over-blog.com/article-l-antimatiere-mise-en-boite-au-cern-61588417.html

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